(57)【要約】【課題】二酸化炭素の還元反応による生成物を効率良く他の生成物に変換する【解決手段】化学反応システムは、二酸化炭素を含む電解液を収容し且つ二酸化炭素を還元して電解液中に第１の生成物を生成するための還元反応部を備える電気化学反応装置と、電気化学反応装置から供給される電解液を含む反応溶液を収容し且つ反応溶液中の第１の生成物を含む反応物を化学的に反応させて反応溶液中に第２の生成物を生成するための反応室を備える反応器と、反応器から供給される反応溶液を含む混合溶液を収容し且つ混合溶液から第２の生成物の少なくとも一部を抽出して回収するための分離室を備える分離回収器と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を含む電解液を収容し且つ前記二酸化炭素を還元して前記電解液中に第１の生成物を生成するための還元反応部を備える電気化学反応装置と、
前記電気化学反応装置から供給される前記電解液を含む反応溶液を収容し且つ前記反応溶液中の前記第１の生成物を含む反応物を化学的に反応させて前記反応溶液中に第２の生成物を生成するための反応室を備える反応器と、
前記反応器から供給される前記反応溶液を含む混合溶液を収容し且つ前記混合溶液から前記第２の生成物の少なくとも一部を抽出して回収するための分離室を備える分離回収器と、を具備する、化学反応システム。
【請求項２】
前記第１の生成物は、水素を含み、
前記反応物は、前記電気化学反応装置から供給される前記水素をさらに含む、請求項１に記載の化学反応システム。
【請求項３】
前記第１の生成物は、２以上の炭素鎖を有する第１の炭素化合物を含む、請求項１または請求項２に記載の化学反応システム。
【請求項４】
前記第１の炭素化合物は、エチレングリコールを含む、請求項３に記載の化学反応システム。
【請求項５】
前記第２の生成物は、２以上の炭素鎖を有する第２の炭素化合物を含む、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の化学反応システム。
【請求項６】
前記第２の炭素化合物は、エタノールを含む、請求項５に記載の化学反応システム。
【請求項７】
前記反応器から供給される前記反応溶液を含む第２の反応溶液を収容し且つ前記第２の反応溶液中の前記第２の生成物を含む第２の反応物を化学的に反応させて第３の炭素化合物を含む第３の生成物を生成するための第２の反応室を備える第２の反応器と、
前記第２の反応器から供給される前記第３の生成物から前記第３の炭素化合物の少なくとも一部を抽出する第２の分離回収器と、をさらに具備する、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の化学反応システム。
【請求項８】
前記第３の炭素化合物は、エチレンを含む、請求項７に記載の化学反応システム。
【請求項９】
前記電気化学反応装置は、水を含む第２の電解液を収容し且つ前記水を酸化して酸素を生成するための酸化反応部をさらに備える、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の化学反応システム。
【請求項１０】
抽出された前記第２の生成物の少なくとも一部を除く前記混合溶液の残部を前記分離回収器から前記酸化反応部に供給するための流路をさらに具備する、請求項９に記載の化学反応システム。
【請求項１１】
前記還元反応部は、前記電解液を収容するための第１の収容部と、前記第１の収容部の内部に配置されたカソードと、を備え、
前記酸化反応部は、前記第２の電解液を収容するための第２の収容部と、前記第２の収容部の内部に配置されたアノードと、を備える、請求項９または請求項１０に記載の化学反応システム。
【請求項１２】
前記電気化学反応装置と前記反応器との間に接続され、前記電気化学反応装置から前記反応器に供給するための前記電解液の少なくとも一部を収容するバッファタンクをさらに具備する、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の化学反応システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態の発明は、化学反応システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー問題や環境問題の観点から、温室効果ガスである二酸化炭素の削減が求められている。中でも人工光合成をはじめとする二酸化炭素の還元技術は、二酸化炭素を直接燃料や化学原料に変換可能であるため、化石燃料の枯渇問題と地球温暖化問題を同時に解決可能という観点から大きな利点がある。
【０００３】
二酸化炭素を他の物質に還元した際に得られる生成物としては、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）や蟻酸（ＨＣＯＯＨ）等が挙げられる。また、より多くの電子を用いて還元する多電子還元生成物としては、メタノールやメタン等が挙げられる。さらに、二つ以上の二酸化炭素を同時に還元することにより、エチレンやエタノール等のＣ−Ｃ結合を有する化合物を生成することもできる。これらの多電子還元生成物は、現代社会において有用性が極めて高く、早期実現が求められる。しかしながら、既存の二酸化炭素の還元技術により生成される多電子還元生成物の選択性は低く、主としてそれらの生成物を得ることは困難である。
【０００４】
エチレン等の有機化合物は、例えばナフサから分離することにより製造される。また、深冷分離等の技術によっても製造可能である。しかしながら、ナフサからの分離工程には多数の分離工程が必要であり、高温を伴う多大なエネルギーとコストを必要する。深冷分離に関しても同様である。また、これらの製造方法では、目的以外の生成物も同時に扱う必要があり、目的生成物のみを得る観点からすると効率が悪い。したがって、より選択的かつ省エネルギーな製造工程が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０６５４２１号明細書
【特許文献２】特開２００４−３５７０４号公報
【特許文献３】特開２０００−３０９５４９号公報
【特許文献４】特開２０１４−１８５１１２号公報
【特許文献５】米国公開第２０１３／０１７８６７４号明細書
【特許文献６】特開２０１５−２０９７２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ．Ｃｈｉａ，ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｖｏｌ．１３３．ｐｐ．１２６７５−１２６８９．（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態の発明が解決しようとする課題は、二酸化炭素の還元反応による生成物を効率良く他の生成物に変換することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の化学反応システムは、二酸化炭素を含む電解液を収容し且つ二酸化炭素を還元して電解液中に第１の生成物を生成するための還元反応部を備える電気化学反応装置と、電気化学反応装置から供給される電解液を含む反応溶液を収容し且つ反応溶液中の第１の生成物を含む反応物を化学的に反応させて反応溶液中に第２の生成物を生成するための反応室を備える反応器と、反応器から供給される反応溶液を含む混合溶液を収容し且つ混合溶液から第２の生成物の少なくとも一部を抽出して回収するための分離室を備える分離回収器と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】化学反応システムの構成例を示す模式図である。
【図２】化学反応システムの構成例を示す模式図である。
【図３】化学反応システムの構成例を示す模式図である。
【図４】化学反応システムの構成例を示す模式図である。
【図５】化学反応システムの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的であり、例えば各構成要素の厚さ、幅等の寸法は実際の構成要素の寸法と異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。本明細書において「接続する」の用語は、直接接続する場合に限定されず、間接的に接続する意味を含んでいてもよい。
【００１１】
図１ないし図５は、化学反応システムの構成例を示す模式図である。化学反応システムは、電気化学反応装置１と、反応装置２と、分離回収装置３と、を具備する。なお、図１ないし図５に示す矢印は、流路を介しての物質の移動方向を表す。また、図１ないし図５の間で共通する構成要素の説明は互いに適宜援用することができる。
【００１２】
電気化学反応装置１は、二酸化炭素を還元して炭素化合物等を含む生成物Ａを生成することができる。生成物Ａの例は、エチレングリコール等の２以上の炭素鎖を有する炭素化合物等を含む。これに限定されず、生成物Ａの例は、一酸化炭素、ギ酸、エタノール、プロパノール、クエン酸、エチレン、メタン等を含んでいてもよい。また、生成物Ａは水素を含んでいてもよい。さらに、電気化学反応装置１は、水を酸化して酸素等を生成してもよい。
【００１３】
反応装置２は、電気化学反応装置１から配管等の流路を介して供給される生成物Ａを含む反応物を化学的に反応させて生成物Ｂを生成することができる反応器を備える。生成物Ａは、例えば電気化学反応装置１から供給される電解液に含まれていてもよい。また、反応物は、電気化学反応装置１から配管等の流路を介して供給される水素や酸素を含んでいてもよい。生成物Ｂの例は、エタノールやエチレン等の２以上の炭素鎖を有する炭素化合物を含む。
【００１４】
分離回収装置３は、反応装置２から配管等の流路を介して供給される生成物Ｂを含む混合溶液を精製して混合溶液から生成物Ｂの少なくとも一部を抽出して回収することができる分離回収器を備える。
【００１５】
化学反応システムは、図２に示すように、電気化学反応装置１と反応装置２との間に接続されたバッファタンク６をさらに具備していてもよい。バッファタンク６は、電気化学反応装置１から供給される生成物Ａを含む電解液の少なくとも一部を収容することができる。一定期間収容された電解液は、その後反応装置２に供給される。反応装置２における化学反応は、いずれも各原料の組成比により化学反応の進行速度が大きく変化することが考えられる。これに対し、バッファタンク６を設けることにより、反応装置２に供給する反応原料の組成比を調整することができる。なお、バッファタンク６を設けずに電気化学反応装置１と反応装置２とを接続する配管が上記バッファタンク６としての機能を有していてもよい。
【００１６】
化学反応システムは、図３に示すように、反応装置２が反応器２１と反応器２２とを有していてもよい。反応器２１と反応器２２は、それぞれ互いに異なる生成物を生成することができる。また、バッファタンク６として電気化学反応装置１と反応器２１との間に接続されたバッファタンク６ａと、反応器２１と反応器２２との間に接続されたバッファタンク６ｂと、を設けてもよい。
【００１７】
化学反応システムは、図４に示すように、反応装置２および分離回収装置３内の物質の少なくとも一部を配管等の流路を介して電気化学反応装置１に供給してもよい。
【００１８】
次に、図５に示す化学反応システムについて説明する。図５に示す電気化学反応装置１は、電解液槽１１と、カソード１２と、アノード１３と、電源１４と、を具備する。
【００１９】
電解液槽１１は、収容部１１１と、収容部１１２と、を有する。収容部１１１は、電解液１５を収容することができる。収容部１１２は、電解液１６を収容することできる。収容部１１１と収容部１１２は、配管５１により接続される。なお、配管５１にイオン交換膜を設けてもよい。
【００２０】
電解液１５および電解液１６の少なくとも一つは、固体、液体、および気体の少なくとも一つを含む流体、もしくは超臨界流体などを含んでいてもよい。また、有機化合物および無機化合物を含んでいてもよく、無機錯体のように有機無機混合化合物を含んでいてもよく、これらを複数種含んでいてもよい。
【００２１】
電解液１５および電解液１６の少なくとも一つは、例えば、ＬｉＨＣＯ３、ＮａＨＣＯ３、ＫＨＣＯ３、ＣｓＣＯ３等のアルカリ金属塩や、アルカリ土類金属塩等を含む水溶液等を含有していてもよい。また、エチレングリコール、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類や、メタン、エチレン、エタン、プロピレンなどの炭化水素類や、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、ホウ酸、ギ酸、酢酸、シュウ酸、クエン酸、スルホン酸などの酸類、アルデヒド、ケトンなどのカルボニル基や、アミノ基、ニトロ基、を有する化合物類、エーテル結合、エステル結合、アミド結合などを有する化合物類、酸素、窒素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素等を含んでいてもよい。
【００２２】
電解液１５および電解液１６の少なくとも一つは、イミダゾリウムイオンやピリジニウムイオン等の陽イオンと、ＢＦ４−やＰＦ６−等の陰イオンとの塩からなり、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体もしくはその水溶液を用いることができる。さらに、他の電解液としては、エタノールアミン、イミダゾール、ピリジン等のアミン溶液もしくはその水溶液等を含んでいてもよい。アミンとしては、一級アミン、二級アミン、三級アミン等が挙げられる。これらの電解液が、イオン伝導性が高く、二酸化炭素を吸収する性質を有し、還元エネルギーを低下させる特性を有していてもよい。
【００２３】
一級アミンとしては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン等が挙げられる。アミンの炭化水素は、アルコールやハロゲン等が置換していてもよい。アミンの炭化水素が置換されたものとしては、メタノールアミン、エタノールアミン、クロロメチルアミン等が挙げられる。また、不飽和結合が存在していてもよい。これら炭化水素は、二級アミン、三級アミンも同様である。
【００２４】
二級アミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジメタノールアミン、ジエタノールアミン、ジプロパノールアミン等が挙げられる。置換された炭化水素は、異なってもよい。これは三級アミンでも同様である。例えば、置換された炭化水素が異なるものとしては、メチルエチルアミン、メチルプロピルアミン等が挙げられる。
【００２５】
三級アミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリブタノールアミン、トリプロパノールアミン、トリエキサノールアミン、メチルジエチルアミン、メチルジプロピルアミン等が挙げられる。
【００２６】
イオン液体の陽イオンとしては、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−メチル−３−プロピルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−３−メチルイミダゾールイオン、１−メチル−３−ペンチルイミダゾリウムイオン、１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。
【００２７】
イミダゾリウムイオンの２位が置換されていてもよい。イミダゾリウムイオンの２位が置換された陽イオンとしては、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムイオン、１，２−ジメチル−３−ペンチルイミダゾリウムイオン、１−ヘキシル−２，３−ジメチルイミダゾリウムイオン等が挙げられる。
【００２８】
ピリジニウムイオンとしては、メチルピリジニウム、エチルピリジニウム、プロピルピリジニウム、ブチルピリジニウム、ペンチルピリジニウム、ヘキシルピリジニウム等が挙げられる。イミダゾリウムイオンおよびピリジニウムイオンは共に、アルキル基が置換されてもよく、不飽和結合が存在してもよい。
【００２９】
これらイミダゾリウム分子、ピリジニウム分子がエチレングリコール鎖によって接続されていても良い。例えば、ポリエチレングリコールｍ（メチルイミダゾリウム）２（ｍ＝１０〜１００００）等が挙げられる。
【００３０】
アニオンとしては、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＣＯＯ−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＮＯ３−、ＳＣＮ−、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメトキシスルホニル）イミド、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミド、ビストリフルオロメタンスルフォニルイミド等が挙げられる。イオン液体のカチオンとアニオンとを炭化水素で接続した双生イオンでもよい。なお、リン酸カリウム溶液等の緩衝溶液でもよい。
【００３１】
有機溶媒としては、例えばトルエン、ベンゼン、オクタン、オクタノール、ジメチルホルムアミド、ヘキサン、キシレン、クロロベンゼン、酢酸エチル、クロロエチレン、ジクロロエチレン、酢酸、ホルマリン、ギ酸、アセトアルデヒド、テトラヒドロフラン、シクロヘキサン、メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリオキサール、アセトニトリル、酢酸メチル、エチルメチルケトン、ジメチルエーテル、アセトン、ジエチルエーテル、クロロホルム、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ  Ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ：ＤＭＳＯ）、ジメチルジスルフィド（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ  Ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ：ＤＭＤＳ）、アプロティック溶媒としてヘキサメチルリン酸トリアミド（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ｔｒｉａｍｉｄｅ：ＨＭＰＡ）、Ｎ，Ｎ’−ジメチルプロピレン尿素（Ｎ，Ｎ’−Ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｒｏｐｙｌｅｎｅｕｒｅａ：ＤＭＰＵ）等が挙げられ、これらの単体もしくは混合物を用いることができる。
【００３２】
カソード１２は、収容部１１１の内部に配置され、電解液１５に浸漬される。カソード１２と収容部１１１とを含む還元反応部は、二酸化炭素等を還元して電解液１５中に生成物Ａを生成するために設けられる。
【００３３】
カソード１２は、二酸化炭素等の還元反応により炭素化合物等の生成物Ａを生成するための還元触媒を含有する。還元触媒としては、水素イオンや二酸化炭素を還元するための活性化エネルギーを減少させる材料が挙げられる。言い換えると、水素イオンや二酸化炭素の還元反応により水素や炭素化合物を生成する際の過電圧を低下させる材料が挙げられる。例えば、金属材料または炭素材料を用いることができる。金属材料としては、例えば水素の場合、白金、ニッケル等の金属、または当該金属を含む合金を用いることができる。二酸化炭素の還元反応では金、アルミニウム、銅、銀、亜鉛、ガリウム、カドミウム、インジウム、錫、タリウム、鉛、白金、パラジウム、もしくはニッケル等の金属、または当該金属を含む合金を用いることができる。炭素材料としては、例えばグラフェン、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ）、フラーレン、またはケッチェンブラック等を用いることができる。なお、これに限定されず、還元触媒として例えばＲｕ錯体またはＲｅ錯体等の金属錯体、アミン骨格やイミダゾール骨格、またはピリジン骨格等を有し、二酸化炭素還元に活性を示す有機分子を用いてもよい。また、複数の材料を混合してもよい。
【００３４】
アノード１３は、収容部１１２の内部に配置され電解液１６に浸漬される。アノード１３と収容部１１２とを含む酸化反応部は、水等を酸化して酸素等を生成するために設けられる。
【００３５】
アノード１３は、水等の酸化反応により水素等の生成物を生成するための酸化触媒を含有する。酸化触媒としては、水を酸化するための活性化エネルギーを減少させる材料が挙げられる。言い換えると、水の酸化反応により酸素と水素イオンを生成する際の過電圧を低下させる材料が挙げられる。例えば、イリジウム、ルテニウム、インジウム、スズ、ニッケル、鉄、白金、コバルト、またはマンガン等が挙げられる。また、酸化触媒としては、二元系金属酸化物、三元系金属酸化物、または四元系金属酸化物などを用いることができる。二元系金属酸化物としては、例えば酸化マンガン（Ｍｎ−Ｏ）、酸化イリジウム（Ｉｒ−Ｏ）、酸化ニッケル（Ｎｉ−Ｏ）、酸化コバルト（Ｃｏ−Ｏ）、酸化鉄（Ｆｅ−Ｏ）、酸化スズ（Ｓｎ−Ｏ）、酸化インジウム（Ｉｎ−Ｏ）、または酸化ルテニウム（Ｒｕ−Ｏ）等が挙げられる。三元系金属酸化物としては、例えばＮｉ−Ｃｏ−Ｏ、Ｌａ−Ｃｏ−Ｏ、Ｎｉ−Ｌａ−Ｏ、Ｓｒ−Ｆｅ−Ｏ等が挙げられる。四元系金属酸化物としては、例えばＰｂ−Ｒｕ−Ｉｒ−Ｏ、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ−Ｏ等が挙げられる。なお、これに限定されず、酸化触媒としてＲｕ錯体またはＦｅ錯体等の金属錯体を用いることもできる。また、複数の材料を混合してもよい。
【００３６】
酸化還元反応により生成される生成物の例は、酸化還元反応時に添加される化合物の還元物等の副生成物を含んでいてもよい。酸化還元反応により生成される生成物の例は、エチレンジアミン四酢酸、トリエタノールアミン、アスコルビン酸等の犠牲試薬等の二酸化炭素の還元反応に付随して生成される化合物を含んでいてもよい。上記副生成物や、付随して生成される化合物は、電解液１５および電解液１６の少なくとも一つに含有されていてもよい。
【００３７】
電源１４は、カソード１２およびアノード１３に電気的に接続される。電源１４とカソード１２との間、および電源１４とアノード１３との間は例えば配線で接続されていてもよい。電源１４から供給される電気エネルギーを用いてカソード１２による還元反応およびアノード１３による酸化反応が行われる。電源１４は、光電変換素子、系統電源、蓄電池等の電源装置または風力、水力、地熱、潮汐力等の再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部を含む。例えば、光電変換素子は、照射された太陽光等の光のエネルギーにより電荷分離を行う機能を有する。光電変換素子の例は、ｐｉｎ接合型太陽電池、ｐｎ接合型太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、多接合型太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、色素増感型太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む。また、光電変換素子は、電解液槽１１の内部でカソード１２およびアノード１３と積層してもよい。
【００３８】
反応装置２は、反応器２１と、反応器２２と、を備える。反応器２１および反応器２２は、互いに異なる化学反応により生成物を生成してもよい。反応装置２は、図１および図２等に示すように反応器２２を備えていなくてよい。
【００３９】
反応器２１は、反応室２１１を有する。反応室２１１は、電気化学反応装置１から配管５２を介して供給される電解液１５および電解液１６の少なくとも一つに含まれる物質を含む反応溶液２１２を収容することができる。よって、反応溶液２１２は、生成物Ａを含有する。また、反応室２１１は、電気化学反応装置１から配管５２を介して供給される酸化還元反応により生成される水素や酸素等の気体を収容することができる。反応器２１は、配管５４を介して反応室２１１に供給される触媒を用いて反応溶液２１２中の生成物Ａを含む反応物を化学的に反応させて生成物Ｂとして生成物Ｂ１を生成することができる。このとき、反応器２１の内部は加熱器および加圧器等により加圧及び加熱されることが好ましい。上記反応物は、水素および酸素の少なくとも一つを含んでいてもよい。生成物Ｂ１の例は、エタノール等を含む。上記触媒は、均一系触媒でも不均一系触媒でもよい。また、不均一系触媒であった場合、触媒の形状は、粉末、凝集体、薄膜など、反応に応じて異なってもよい。なお、反応室２１１に必ずしも触媒を供給しなくてもよい。
【００４０】
反応器２２は、反応室２２１を有する。反応室２２１は、反応器２１から配管５５を介して供給される反応溶液２１２に含まれる物質を含む反応溶液２２２を収容することができる。よって、反応溶液２２２は、生成物Ｂ１を含有する。反応器２２は、配管５６を介して反応室２２１に供給される触媒を用いて生成物Ｂ１を化学的に反応させて生成物Ｂとして生成物Ｂ２を生成することができる。このとき、反応器２２の内部は加熱器および加圧器等により加圧及び加熱されることが好ましい。生成物Ｂ２は、エチレン等の炭素化合物を含む。上記触媒は、均一系触媒でも不均一系触媒でもよい。また、不均一系触媒であった場合、触媒の形状は、粉末、凝集体、薄膜など、反応に応じて異なってもよい。なお、反応室２２１に必ずしも触媒を供給しなくてもよい。
【００４１】
反応器２１および反応器２２の例は、様々なタイプの反応器を含み、化学反応の種類によって適したタイプの反応器を用いればよい。化学反応の種類としては、例えば、置換反応、付加反応、脱離反応、転位反応などが挙げられる。化学反応の操作が回分操作、半回分操作、連続操作等のどの操作であるかによって、求められる反応器が異なる。槽型の反応器としては、例えば回分反応器（Ｂａｔｃｈ  Ｒｅａｃｔｏｒ）や連続槽型反応器（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｓｔｉｒｒｅｄ  Ｔａｎｋ  Ｒｅａｃｔｏｒ）等が挙げられる。管型の反応器（Ｐｉｓｔｏｎ  Ｆｌｏｗ  Ｒｅａｃｔｏｒ）としては、例えば単管式や多管式などの反応器等が挙げられる。またこれらの反応器を組み合わせて使用することも可能である。
【００４２】
反応器２１による化学反応としては、例えばエチレングリコールをエタノールに変換する反応がある。電気化学反応装置１がエチレングリコールを生成する場合、副生成物である水素と、電解液を配管５２および配管５３を介して反応器２１に供給し、白金やレニウムやロジウムをベースとした触媒を加えて１２０℃〜１８０℃程度に加熱し、１０気圧で反応させることにより、極めて高い収率でエタノールを得ることができる。
【００４３】
この際、電解液は生成物であるエチレングリコールとともに液相として共に電気化学反応装置１から反応装置２に供給することが可能であり、副生成物の水素は気相として電気化学反応装置１から反応装置２に供給することが可能である。また、電気化学反応装置１に気液混合で取り出す機能（例えば、ピストンのように気液ともに押し出すことが可能な場合）があれば、配管５３を設けなくてもよい。
【００４４】
配管５３の内部を加熱器等により予め加熱して流体の温度を反応に必要な温度まで高めることにより、反応装置２での操作を簡略にすることができる。また、反応溶液２１２中の不純物は必要に応じて脱塩処理等により除去してもよい。
【００４５】
電気化学反応装置１から供給される生成物Ａを反応装置２で利用する際、生成物Ａを引き付ける吸着機能を有する材料を利用してもよい。これにより、局所的に生成物が濃縮して存在することとなり、触媒反応等を利用する場合、反応速度を促進し、生成量を増加させることが可能となる。
【００４６】
反応器２２による化学反応としては、エタノールと水を含む溶液に酸化アルミニウムを添加し、加熱および加圧することで、極めて高い収率でエチレンを生成する化学反応が挙げられる。この際、反応器２１において使用した水を直接利用することにより、操作を簡便化することができる。
【００４７】
反応器２２による化学反応の他の例としては、反応器２１により生成されるエタノールを、水と硝酸パラジウムと水素の存在下でエタンに高い選択率で変換する化学反応が挙げられる。この際、反応に用いる水素と水は、電気化学反応装置１または反応器２１で使用したものを流用することができる。このように、電気化学反応を行う際に得られる副生成物の水素や、反応中の水を利用することにより、電気化学反応装置１では還元しきれない化合物を用いて生成物を生成することができる。
【００４８】
その他の生成物としては、メタノールやエタノールなどのアルコール類、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、メタン、エチレン、エタン、プロピレンなどの炭化水素類や、ギ酸、酢酸、シュウ酸、クエン酸、スルホン酸などの酸類、アミノ基、ニトロ基等を有する化合物類、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、芳香環、複素環などを有する化合物類が挙げられる。
【００４９】
分離回収装置３は、分離回収器３１と、分離回収器３２と、を有する。なお、必ずしも分離回収器３２を有していなくてもよい。
【００５０】
分離回収器３１は、分離室３１１を有する。分離室３１１は、反応器２１から配管５５を介して供給される反応溶液２１２に含まれる物質を含む混合溶液３１２を収容することができる。混合溶液３１２は、例えば生成物Ｂ１を含有する。分離回収器３１は、例えば共沸分離等により生成物Ｂ１を含む混合溶液３１２から生成物Ｂ１を抽出して回収することができる。より抽出を高精度化させるためには、第三成分を加えて、三成分共沸などを行うとよく、第三成分としては、ペンタンなどが挙げられる。分離回収器３１により分離される生成物Ｂ１の少なくとも一部は、配管５７を介して分離回収器３１の外部に流出されることにより回収可能であり、生成物Ｂ１の少なくとも一部を除く混合溶液３１２の残部は、配管５８を介して分離回収器３１から収容部１１２に供給されてもよい。
【００５１】
分離回収器３２は、反応器２２から配管５９を介して供給されるエチレン等の炭素化合物を含む生成物Ｂ２から炭素化合物を抽出して回収することができる。例えば膜分離等により炭素化合物を分離することができる。分離回収器３２により分離されたエチレン等の炭素化合物の少なくとも一部は、配管６０を介して分離回収器３２の外部に流出され、炭素化合物の少なくとも一部を除く生成物Ｂ２の残部は、配管６１を介して分離回収器３２の外部に流出される。
【００５２】
分離回収器３１および分離回収器３２は、図５に示す構成に限定されず、分離回収対象物に対して様々な分離方法が可能な分離回収器を適応させてよく、分離方法としては、ガス吸収、吸着、放散、抽出、クロマトグラフィ、乾燥、凝縮、分縮、蒸発、蒸留、精留、晶析、昇華、部分溶解、透析、ろ過、電気浸透、電気泳動、遠心分離、および沈降の少なくとも一つを用いることができる。
【００５３】
反応装置２および分離回収装置３により発生する残留物は、電気化学反応装置１、反応装置２、または分離回収装置３の少なくとも一つに再供給することにより再利用してもよい。
【００５４】
配管５１〜６１の形状は、各物質を輸送することができる形状であれば特に限定されない。配管５１〜６１の少なくとも一つは、部分的に系外へパージする機能を有していてもよい。配管５１〜６１の少なくとも一つを流れる物質の移動方向、流量、圧力等は、ポンプにより調整されてもよい。例えば、配管５１〜６１の少なくとも一つを流れる流体の温度等の物性をモニタ回路等で監視し、流体の状態を制御してもよい。
【００５５】
配管５１〜６１の少なくとも一つの内部は、加熱器および冷却器の少なくとも一つにより加熱または冷却されてもよい。これにより、電気化学反応装置１から流出する電解液や気体を電気化学反応装置１に還流させることができる。これにより、電気化学反応装置１の運転温度等を制御してより反応性を高めることができる。
【００５６】
実施形態の化学反応システムでは、電気化学反応装置および反応装置により生成される生成物を溶液中に存在させたまま次の工程に進むことができるため、反応を簡略にすることができる。従来の石油プラント等での有機化合物の製造工程は、高温を必要であることや、多数の分離工程を必要としなければならないため、スケールの調整や、エネルギー投入量が莫大になることなどの問題がある。一方で、実施形態の化学反応システムでの有機化合物の製造工程は、選択的な物質変換工程を経て化合物が製造されるため、目的の生成物に応じて、必要最低限で最適化された反応プロセスおよび分離回収プロセスを適応することが可能となり、コストやエネルギー投入量の観点から優れている。
【００５７】
上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１…電気化学反応装置、２…反応装置、３…分離回収装置、６…バッファタンク、６ａ…バッファタンク、６ｂ…バッファタンク、１１…電解液槽、１２…カソード、１３…アノード、１４…電源、１５…電解液、１６…電解液、２１…反応器、２２…反応器、３１…分離回収器、３２…分離回収器、５１…配管、５２…配管、５３…配管、５４…配管、５５…配管、５６…配管、５７…配管、５８…配管、５９…配管、１１１…収容部、１１２…収容部、２１１…反応室、２１２…反応溶液、２２１…反応室、２２２…反応溶液、３１１…分離室、３１２…混合溶液。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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