(57)【要約】本発明は、カソードを有する電気化学電池の第１の領域から第１の生成物を生成し、アノードを有する前記電気化学電池の第２の領域から第２の生成物を生成するシステム及び方法である。この方法は、前記第１の領域を、二酸化炭素を含むカソード液と接触させる工程を含むことができる。この方法は、前記第２の領域を、再生利用反応物を含むアノード液と接触させる別の工程を含むことができる。この方法は、前記アノードと前記カソードとの間に十分な電位を印加して前記第１の領域から回収可能な第１の生成物と前記第２の領域から回収可能な第２の生成物を生成する工程を含むことができる。前記第２の生成物を、第２の領域から除去して第２の反応器に導入することができる。前記方法は、前記第２の反応器で再生利用反応物を形成することを含むことができる。【選択図】図１
2015535884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードを有する電気化学電池の第１の領域から第１の生成物を生成し、アノードを有する前記電気化学電池の第２の領域から第２の生成物を生成する方法であって、
前記第１の領域を、二酸化炭素を含むカソード液と接触させる工程と、
前記第２の領域を、再生利用反応物を含むアノード液と接触させる工程と、
前記アノードと前記カソードとの間に十分な電位を印加して、前記第１の領域から回収可能な第１の生成物と第２の領域から回収可能な第２の生成物を生成する工程と、
前記第２の生成物を前記第２の領域から除去する工程と、
前記第２の生成物を第２の反応器に導入する工程と、
前記再生利用反応物を前記第２の反応器で形成する工程とを含む方法。
【請求項２】
前記再生利用反応物はハロゲン化水素ＨＸであり、ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の生成物はＸ２である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の反応器はアルカン、アルケン、または芳香族化合物を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の反応器でハロゲン化有機化合物を形成することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ハロゲン化有機化合物を第３の反応器に供給することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
水を前記第３の反応器に供給することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第３の反応器でアルコールとＨＸを形成することと、
前記ＨＸを第２の領域に戻して再生利用すること、とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第３の反応器でＨＸと、アルケン及びアルキンのうち少なくとも１種を形成することと、
前記ＨＸを前記第２の領域に戻して再生利用すること、とをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記第３の反応器でＨＸと、アルコール、アルケン、アルキン、アルデヒド、ケトン、アルカン、及びこれらの混合物のうち少なくとも１種を形成することと、
前記ＨＸを第２の領域に戻して再生利用すること、とをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記ハロゲン化有機化合物はブロモエタンである、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＨＸはＨＢｒである、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の生成物はＢｒ２である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記アノード液と前記カソード液は水を含み、前記第１の生成物は酢酸を含み、前記第２の生成物はＢｒ２を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記カソード液は非水性溶媒を含み、前記第１の生成物はカルボン酸を含み、前記第２の生成物はＢｒ２を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の領域と前記第２の領域とは、６００℃未満の温度で動作するイオン透過性障壁により仕切られている、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記イオン透過性障壁は重合体イオン透過性障壁または無機セラミックイオン透過性障壁の一方を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記カソード液は液体であり、前記アノード液は気体である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記カソード液は液体であり、前記アノード液は液体である、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の生成物は一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタン、シュウ酸塩、シュウ酸、グリオキシル酸、グリオキシル酸塩、グリコール酸、グリコール酸塩、グリオキサール、グリコールアルデヒド、エチレングリコール、酢酸、酢酸塩、アセトアルデヒド、エタノール、エタン、エチレン、乳酸、乳酸塩、プロピオン酸、プロピオン酸塩、アセトン、２−プロパノール、１−プロパノール、１，２−プロピレングリコール、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン、１−ブタノール、２−ブタノン、２−ブタノール、カルボン酸、カルボン酸塩、ケトン、アルデヒド、及びアルコールのうち、少なくとも１種を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記カソード液はさらに、水、メタノール、エタノール、アセトニトリル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエステル、ブチロニトリル、１，２−ジフルオロベンゼン、γ−ブチロラクトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、スルホラン、１，４−ジオキサン、ニトロベンゼン、ニトロメタン、無水酢酸、イオン性液、及びこれらの混合物からなる群より選ばれる溶媒を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
カソードを有する電気化学電池の第１の領域から第１の生成物を生成し、アノードを有する前記電気化学電池の第２の領域から第２の生成物を生成する方法であって、
前記第１の領域を、二酸化炭素を含むカソード液と接触させる工程と、
前記電気化学電池の第２の領域で再生利用反応物ＨＸ（ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、またはこれらの混合物からなる群より選ばれる）の供給を受ける工程と、
前記第２の領域を、前記再生利用反応物を含むアノード液と接触させる工程と、
前記アノードと前記カソードの間に十分な電位を印加して、前記第１の領域から回収可能な第１の生成物を生成し、前記第２の領域から回収可能な二原子ハロゲン化物Ｘ２を生成する工程と、
前記二原子ハロゲン化物を前記第２の領域から除去する工程と、
前記二原子ハロゲン化物を第２の反応器に導入する工程と、
前記第２の反応器で前記再生利用反応物を形成する工程とを含む、方法。
【請求項２３】
前記第２の反応器はアルカン、アルケン、または芳香族を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の反応器でハロゲン化有機化合物を形成することと、
前記ハロゲン化有機化合物を第３の反応器に供給すること、とをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第３の反応器でＨＸと、アルコール、アルケン、アルキン、アルデヒド、ケトン、アルカン、及びこれらの混合物のうち少なくとも１種を形成することと、
前記ＨＸを前記第２の領域に戻して再生利用すること、とをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
生成物を化学電気的に共生成するシステムであって、
第１の領域と、前記第１の領域に関連づけられたカソードと、第２の領域と、前記第２の領域に関連づけられたアノードと、前記第１の領域と前記第２の領域との間のイオンの流れを選択的に制御するセパレータとを備える電気化学電池と、
前記第１の領域と流れにより連通して二酸化炭素を前記第１の領域に供給する二酸化炭素源と、
前記第２の領域と流れにより連通して再生利用反応物ＨＸ（ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、またはこれらの混合物からなる群より選ばれる）を前記第２の領域に供給する再生利用反応物源と、
第１の生成物が前記第１の領域から回収可能であり、第２の生成物が前記第２の領域から回収可能なであるように前記アノードと前記カソードの両端に電流を印加するエネルギー源と、
アルカン、アルケン、または芳香族を含み、再生利用反応物を前記第２の領域に導入するために前記第２の生成物と、前記アルカン、アルケン、または芳香族とから前記再生利用反応物を形成するように構成された第２の反応器とを備える、システム。
【請求項２７】
前記第２の反応器はさらに、ハロゲン化有機化合物を形成するように構成された、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
少なくとも前記ハロゲン化有機化合物からＨＸと、アルコール、アルケン、アルデヒド、ケトン、アルカン、及びアルキンのうち少なくとも１種を形成するように構成された第３の反応器をさらに含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１の生成物は一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタン、シュウ酸塩、シュウ酸、グリオキシル酸、グリオキシル酸塩、グリコール酸、グリコール酸塩、グリオキサール、グリコールアルデヒド、エチレングリコール、酢酸、酢酸塩、アセトアルデヒド、エタノール、エタン、エチレン、乳酸、乳酸塩、プロピオン酸、プロピン酸塩、アセトン、２−プロパノール、１−プロパノール、１，２−プロピレングリコール、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテン、１−ブタノール、２−ブタノン、２−ブタノール、カルボン酸、カルボン酸塩、アルデヒド、アルコール、及びケトンのうち、少なくとも１種を含む、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記第１の領域は非水性溶媒を含み、前記第１の生成物はカルボン酸を含み、前記第２の生成物はＢｒ２を含む、請求項２６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は一般に電気化学反応の分野に関し、より詳細にはハロゲン化水素の再生利用を用いて化学物質を化学電気的に共生成する方法及び／またはシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]発電、輸送、製造などの活動で化石燃料を燃焼すると、年間数十億トンもの二酸化炭素が生成される。１９７０年代からの研究によると、大気中の二酸化炭素濃度の増加が地球の気候変動、海のｐＨの変化、及びその他の潜在的な悪影響の原因であるかもしれないことが示されている。米国を含む世界中の国々が二酸化炭素の排出量を低減する方法を模索している。
【０００３】
[0003]二酸化炭素の排出量を低減する１つの反応機構は、二酸化炭素を燃料や工業的化学物質などの経済的価値のある材料に転換することである。再生可能資源からのエネルギーを用いて二酸化炭素を転換すれば、二酸化炭素排出量を低減し、再生可能エネルギーを後で使用ことができるように貯蔵可能な化学形態に変換することができる。
【発明の概要】
【０００４】
[0004]本発明は、カソードを有する電気化学電池の第１の領域から第１の生成物を生成し、アノードを有する前記電気化学電池の第２の領域から第２の生成物を生成するシステム及び方法を含む。前記方法は、前記第１の領域を、二酸化炭素を含むカソード液と接触させる工程を含むことができる。前記方法は、前記第２の領域を、再生利用反応物を含むアノード液と接触させる別の工程を含むことができる。前記方法は、前記アノードと前記カソードとの間に十分な電位を印加して前記第１の領域から回収可能な第１の生成物と前記第２の領域から回収可能な第２の生成物を生成する工程を含むことができる。前記第２の生成物を第２の領域から除去して第２の反応器に導入することができる。前記方法は、前記第２の反応器で再生利用反応物を形成することを含むことができる。
【０００５】
[0005]自明ではあるが、上述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は単に例示及び説明のためのものであり、必ずしも本発明を限定するものではない。添付の図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成するが、本発明の対象を図示するものである。これら説明と図面とを合わせて本発明の原理を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
[0006]当業者は添付の図面を参照にすることで本発明の多くの利点について理解を深めることができる。
【図１】本発明の態様によるシステムのブロック図である。
【図２Ａ】本発明の他の態様によるシステムのブロック図である。
【図２Ｂ】本発明のさらなる態様によるシステムのブロック図である。
【図３】本発明のさらなる態様によるシステムのブロック図である。
【図４】本発明のさらなる態様によるシステムのブロック図である。
【図５】本発明の態様による、生成物を化学電気的に共生成する方法の流れ図である。
【図６】本発明の他の態様による、生成物を化学電気的に共生成する方法の流れ図である。
【図７】本発明のさらなる態様によるシステムのブロック図である。
【図８】本発明のさらなる態様によるシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0007]以下、添付の図面に示されている本発明の対象について詳細に説明する。
[0008]図１〜図８に、一般にアノードに供給した再生利用されたハロゲンハリドにより生成物を化学電気的に共生成するシステム及び方法が開示されている。この生成物の化学電気的共生成は、電気化学電池のカソード側で二酸化炭素の炭素数が１〜４の化学物質を含む炭素系生成物への還元など第１の生成物を生成することと、上記電気化学電池のアノードでハロゲン化物（例えばＸ２で、ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、またはこれらの混合物である）など第２の生成物を共生成することを含むことができるように意図されている。アノード液は再生利用反応物を含み、この再生利用反応物は好ましくはＨＸである。
【０００８】
[0009]当然のことだが、本発明のいずれかの態様を詳細に説明する前に、これらの態様は以下の説明において記載された、あるいは図面に示された構造または機能の詳細について応用範囲を限定するものではない。異なる態様を様々な方法で実施または実行することができる。また、本明細書で用いる表現及び専門用語は説明のためであって、限定的に解釈されるべきではない。本明細書を通して「備える」、「含む」、「有する」及びこれらの変化形などの用語は、一般にその用語の後に挙げられた項目、その均等物、及び追加の項目を包含することを意味する。さらに、特に断りがない場合、技術用語は慣例的な用法に従って用いることができる。さらに、同じ参照符号は同じ構成要素及びその均等物を説明するものであることを意図している。
【０００９】
[0010]図１に、本発明の態様によるシステム１００のブロック図を示す。システム（すなわち装置）１００は一般に、電気化学電池（容器、電解槽、または電池ともいう）１０２、二酸化炭素源１０４、第２の反応器１０６、炭素系反応物源１０８、（第１の生成物１１２を抽出する）第１の生成物抽出器１１０、（第２の生成物１１６を抽出する）第２の生成物抽出器１１４、及びエネルギー源１１８を備える。
【００１０】
電気化学電池１０２は分割電池として実施することができる。この分割電池は、分割電気化学電池及び／または分割光電気化学電池であってもよい。電気化学電池１０２は第１の領域１２０と第２の領域１２２を備えることができる。第１の領域１２０及び第２の領域１２２は、小室、区画、または一般に閉空間、及び本発明の範囲及び意図を逸脱しない範囲のその類似物を言うことがある。第１の領域１２０はカソード１２４を備えることができる。第２の領域１２２はアノード１２６を備えることができる。第１の領域１２０はカソード液を含むことができ、このカソード液に二酸化炭素が溶解している。第２の領域１２２はアノード液を含むことができ、このアノード液は再生利用反応物（例えばＨＸであり、ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、またはこれらの混合物）を含むことができる。ＨＸ源は第２の領域１２２に動作可能に接続することができる。エネルギー源１１８はアノード１２６とカソード１２４との間に電位を生成させることができる。この電位は直流電圧であってもよい。エネルギー源１１８は可変電圧または定電流を電気化学電池１０２に供給するように構成することができる。セパレータ１２８は第１の領域１２０と第２の領域１２２の間のイオンの流れを選択的に制御することができる。セパレータ１２８はイオン伝導性膜または隔膜材料を含んでいてもよい。
【００１１】
[0011]電気化学電池１０２は一般に、第１の領域１２０において二酸化炭素を第１の領域１２０から回収可能な第１の生成物１１２に還元するとともに、第２の領域１２２から回収可能な第２の生成物１１６を生成するように動作可能である。カソード１２４は、二酸化炭素を、１種以上の化合物を含むことができる第１の生成物１１２に還元することができる。第１の生成物抽出器１１０により第１の領域１２０から回収可能な第１の生成物１１２としては、例えば一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタン、シュウ酸塩、シュウ酸、グリオキシル酸、グリオキシル酸塩、グリコール酸、グリコール酸塩、グリオキサール、グリコールアルデヒド、エチレングリコール、酢酸、酢酸塩、アセトアルデヒド、エタノール、エタン、エチレン、乳酸、乳酸塩、プロピオン酸、プロピオン酸塩、アセトン、２−プロパノール、１−プロパノール、１，２−プロピレングリコール、プロパン、プロピレン、１−ブタノール、２−ブタノン、２−ブタノール、ブタン、ブテン、カルボン酸、カルボン酸塩、ケトン、アルデヒド、アルコールなどが挙げられる。
【００１２】
[0012]二酸化炭素源１０４は電気化学電池１０２の第１の領域１２０に二酸化炭素を供給することができる。いくつかの態様では、この二酸化炭素は、カソード１２４を含む領域１２０に直接導入される。二酸化炭素源１０４は気体混合物源を含むことができるようになっている。二酸化炭素は気体混合物から分離されて濾過されたものである。
【００１３】
[0013]第１の生成物抽出器１１０は有機生成物及び／または無機生成物抽出器を備えることができる。第１の生成物抽出器１１０は一般に、第１の領域１２０から第１の生成物１１２を抽出（分離）するように動作可能である。続く貯蔵及び／または他の装置及び／または過程による消費のために、抽出された第１の生成物１１２をシステム１００の出口から供給することができる。
【００１４】
[0014]第２の領域１２２で起こる反応のアノード側は、再生利用反応物１３０を含むことができる。再生利用反応物１３０は第２の領域１２２に供給された気相、液相、または溶液相反応物であってもよい。第２の領域１２２から回収可能な第２の生成物１１６は、ＨＸの酸化から派生させることができる。第２の生成物抽出器１１４は第２の領域１２２から第２の生成物１１６を抽出することができる。第２の生成物抽出器１１４により第２の領域１２２から回収可能な第２の生成物１１６としては、例えばＦ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２、及びこれらの混合物などが挙げられる。
【００１５】
[0015]続く貯蔵及び／または他の装置及び／または過程による消費のために、抽出された第２の生成物１１６をシステム１００の出口から供給することができる。第１の生成物抽出器１１０及び／または第２の生成物抽出器１１４は電気化学電池１０２とともに実施することができる、あるいは電気化学電池１０２から離れたところに設けることができるように意図されている。また、第１の生成物抽出器１１０及び／または第２の生成物抽出器１１４は各種反応機構で実施されて、本発明の範囲及び意図を逸脱することなく留分蒸留などの所望の分離方法を提供することができるように意図されている。
【００１６】
[0016]さらに、第２の生成物１１６を第２の反応器１０６など他の反応器に供給することができる。再生利用反応物１３０は、電気化学電池１０２の第２の領域１１８から回収された第２の生成物１１６と炭素系反応物源１０８からの炭素系反応物との反応生成物である。例えば、第２の反応器１０６は、第２の反応器内で第２の生成物１１６と反応する炭素系反応物を含むことができる。炭素系反応物は、アルカン、アルケン、芳香族、または他の有機化合物を含むことができる。第２の反応器１０６での反応における別の生成物として第２の反応器１０６によって生成された第３の生成物１３２は、ハロゲン化有機化合物や、さらに他の生成物に転換することができるハロゲン化中間生成物を含むことができる。再生利用反応物１３０は、電気化学電池１０２の第２の領域１２２への入力供給物として第２の領域１２２へ戻すことができる。本発明の範囲及び意図を逸脱することなく、さらなる再生利用反応物源が、電気化学電池１０２の第２の領域１２２への入力供給物として供給されることが意図されている。
【００１７】
[0017]第１の生成物１１２と第２の生成物１１６の共生成により、第１の生成物１１２及び第２の生成物１１６のそれぞれ生成するための全体的なエネルギー要件を５０％以上低減することができる。また、電気化学電池１０２は高い選択性により２つ以上の生成物を同時に生成することができる。反応で部分的に酸化される有機化学物質は、二酸化炭素の還元のための水素源になることができる。これによりこの有機化学物質が二酸化炭素により間接的に酸化され、この二酸化炭素はこの有機化学物質により還元され、同時に２つ以上の生成物を生成することができる。ハロゲンを用いて部分的に有機化学物質を酸化して、電気化学電池１０２に戻されてＣＯ２の還元に用いることができるハロゲン化水素を生成することができるという利点がある。
【００１８】
[0018]本発明の好ましい一態様は、カソードで二酸化炭素還元生成物など有機化学物質を生成し、同時にアノードへのハロゲン化水素供給を用いて、後工程でさらなる生成物を生成するのに用いるＸ２を生成することを含むことができる。図２Ａに、二酸化炭素還元生成物２０２と第４の生成物１３８、アルコール、及びオレフィンを共生成するシステム２００を示す。数種の生成可能な第４の生成物と、これらから派生する有機化合物の例を以下の表１に示す。第２の領域１２２で再生利用反応物１３０、好ましくはＨＸ（ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びこれらの混合物）を酸化すると、プロトンと電子を生成する。これらは第１の領域１２０で二酸化炭素の還元に用いられる。再生利用反応物１３０を酸化すると、第２の生成物１１６、好ましくはＸ２を生成することができる。第２の生成物１１６は第２の反応器１０６で反応して、選択的に第３の生成物１３２、好ましくはハロゲン化化合物を生成することができる。第３の生成物１３２を単離することができる。あるいは第４の生成物１３８と再生利用反応物１３０を生成するさらなる反応のため、第３の反応器１３４に供給することができる。第３の反応器１３４は水または水酸化物イオン供給１３６を備え、アルケンまたはアルコールと再生利用反応物１３０を生成することができる。あるいは、第３の反応器１３４は反応物として水または水酸化物イオンを受け取らず、代わりに再生利用反応物と、１種以上のアルキン及びアルケンを生成する。第３の反応器１３４で形成された再生利用反応物１３０は、純粋な無水気体として、あるいは液相として電気化学電池１０２の第２の領域１２２への入力供給物として第２の領域１２２に戻すことができる。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
[0019]図２Ｂに、本発明のさらなる態様によるシステム２００のブロック図を示す。図２Ａに示した態様と同様に、図２Ｂは、再生利用反応物１３０が臭化水素（ＨＢｒ）２０２であり、第２の生成物１１６がＢｒ２２０４であり、第３の生成物１３２がブロモエタン２０６であり、第４の生成物１３８がエタノール２０８である、本発明のさらなる態様によるシステムのブロック図である。臭素（Ｂｒ２）を第２の反応器１０６に供給してエタン２１０と反応させてＨＢｒ２０２とブロモエタン２０６を生成することができる。ＨＢｒ２０２は第２の領域１２２への入力供給物として再生利用される。ブロモエタン２０６を第３の反応器１３４に供給して、水源１３６からの水と反応させてＨＢｒ２０２とエタノール２０８を生成することができる。ＨＢｒ２０２は第２の領域１２２への入力供給物として再生利用される。本発明の他の態様では、第３の反応器１３４で水を反応させず、ブロモエタン２０６を反応させてＨＢｒ２０２と１種以上のアルキンまたはアルケン（エチレンなど）を生成する。図２Ｂの二酸化炭素還元生成物は、好ましくは１種以上の酢酸塩及び酢酸２１２を含む。二酸化炭素還元生成物が酢酸であり、エタノール２０８が第３の反応器１３４で生成される場合、生成物のモル比は１（酢酸）：４（エタノール）であってもよい。というのは、ＣＯ２からの酢酸の生成は８個の電子が必要な過程であり、エタンからのエタノールの生成は２個の電子が必要な過程であるからである。質量比は１：３であってもよい。
【００２１】
[0020]図３及び図４に、本発明のさらなる態様によるシステム３００、４００のブロック図を示す。システム３００、４００は図１及び図２に示した第１の生成物と第２の生成物を生成するシステム１００、２００のさらなる態様を提供する。
【００２２】
[0021]具体的に図３では、電気化学電池１０２の第１の領域１２０は第１の生成物であるＨ２３１０を生成することができる。Ｈ２３１０は、逆水性ガス転換反応を行うことができる反応器３３０で二酸化炭素３３２と結合する。反応器３３０によって行われるこの逆水性ガス転換反応は、水３３４と一酸化炭素３３６を生成することができる。Ｈ２３１０と一酸化炭素３３６を第２の反応器３３８で結合させることができる。反応器３３８は、電気化学電池１０２の第１の領域１２０からのＨ２３１０を用いてフィッシャー・トロプシュ型反応などの反応を行って一酸化炭素を生成物３４０に還元することができる。生成物３４０は、メタン、メタノール、炭化水素、グリコール、オレフィンなどを含むことができる。水３０６は、ハロゲン化水素を含むことができるが、第１の領域１２０によって生成された別の生成物であり、第１の領域１２０への入力供給物として再生利用することができる。第２の反応器３３８はまた、より低い温度と圧力でＣＯと水素との反応を促進することができる、無機支持体構造に支持された触媒として鉄、コバルト、ルテニウムなどの遷移金属や他の遷移金属酸化物を含むことができる。
【００２３】
[0022]第２の領域１２２は、Ｘ２３４２（ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、及びこれらの混合物である）を共生成することができる。一態様では、Ｘ２はＢｒ２である。Ｘ２３４２を第３の反応器１０６に導入することができる。第３の反応器１０６は、ハロゲン化化合物３１２を生成するためのアルカン、アルケン、アルキン、及び芳香族化合物３４４の供給入力を有することができる。一態様では、アルカン３４４はエタンであり、ハロゲン化化合物３１２はブロモエタンである。ハロゲン化化合物３１２を単離することができる。あるいは第４の反応器３１４に供給して、アルケン３１８とハロゲン化水素再生利用反応物３２０などの生成物を生成することができる。ハロゲン化水素再生利用反応物３２０は第２の領域１２２への入力供給物として戻される。一態様では、アルケン３１８はエチレンであり、ハロゲン化水素再生利用反応物３２０は臭化水素（ＨＢｒ）である。アルカン３４４は各種のアルカン、アルケン、または芳香族化合物など他の炭素系反応物であってもよく、ハロゲン化化合物３１２は、本発明の範囲または意図から逸脱することなく第４の反応器３１４に供給して各種のアルケン、アルコール、アルデヒド、ケトン、グリコール、またはオレフィンを生成することができる、いずれのハロゲン化化合物をも指すことが意図されている。
【００２４】
[0023]図４に示すように、電気化学電池１０２の第１の領域１２０は第１の生成物である一酸化炭素４１０を生成することができる。一酸化炭素４１０は、水性ガス転換反応を行うことができる反応器４３０で水４３２と結合する。反応器４３０により行われるこの水性ガス転換反応は、二酸化炭素４３４とＨ２４３６を生成することができる。一酸化炭素４１０とＨ２４３６を第２の反応器４３８で結合することができる。第２の反応器４３８は、フィッシャー・トロプシュ型反応などの反応を行って一酸化炭素を生成物４４０に還元することができる。生成物４４０は、水性ガス転換反応からのＨ２４３６を用いてメタン、メタノール、炭化水素、グリコール、またはオレフィンを含むことができる。二酸化炭素４３４は反応器４３０での水性ガス転換反応の副生物であってもよく、第１の領域１２０への入力供給物として再生利用することができる。水４０６はハロゲン化水素を含むことができるが、これは第１の領域１２０によって生成された別の生成物であって、第１の領域１２０への他の入力供給物として再生利用することができる。第２の反応器４３８はまた、より低い温度と圧力でＣＯと水素との反応を促進することができる、無機支持体構造に支持された触媒として、鉄や酸化銅など遷移金属及びその酸化物を含むことができる。
【００２５】
[0024]第２の領域１２２はＸ２４４２（ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、またはこれらの混合物）を共生成することができる。一態様では、Ｘ２はＢｒ２である。このＸ２４４２を第３の反応器１０６に導入することができる。 第３の反応器１０６は、ハロゲン化化合物４１２を生成するため、アルカン、アルケン、アルキン、及び芳香族化合物４４４の供給入力を有することができる。一態様では、アルカン４４４はエタンであり、ハロゲン化化合物４１２はブロモエタンである。ハロゲン化化合物４１２を単離することができる、あるいは第４の反応器４１４に供給してアルケン４１８やハロゲン化水素再生利用反応物４２０などの副生物を生成することができる。ハロゲン化水素再生利用反応物４２０は第２の領域１２２への入力供給物として戻される。一態様では、アルケン４１８はエチレンであり、ハロゲン化水素再生利用反応物４２０は臭化水素（ＨＢｒ）である。アルカン４４４は各種のアルカン、アルケン、または芳香族化合物など他の炭素系反応物であってもよく、ハロゲン化化合物４１２は、本発明の範囲または意図から逸脱することなく第４の反応器４１４に供給して各種のアルケン、アルコール、アルデヒド、ケトン、グリコール、またはオレフィンを生成することができる、いずれのハロゲン化化合物をも指すことが意図されている。
【００２６】
[0025]第１の領域１２０で起こる反応は、水、メタノール、アセトニトリル、炭酸プロピレン、イオン性液、またはその他のカソード液を含むことができるカソード液中で起こることができるようになっている。これら反応は気相でも起こるが、液相が好ましい。第２の領域１２２で起こる反応は、気相中または水性溶液または非水溶液などの液相中で起こることができる。
【００２７】
[0026]さらに電気化学電池１０２の構造及び動作は、所望の結果が得られるように調整することができるようになっている。例えば、電気化学電池１０２をより高い圧力（大気圧より高い）で動作させると、電流効率も向上し、より高い電流密度で電池を動作させることができる。
【００２８】
[0027]また、カソード１２４及びアノード１２６は、３０％から９８％の範囲の空隙容量を有する大表面積電極構造を備えることができる。電極の空隙容量の百分率は、電極の合計体積空間における空の空間の百分率を指すことができる。空隙容量が大きい電極を用いる利点は、そのような構造を流れる液体にかかる圧力の低下が小さくなることである。電極基板構造の比表面積は、２ｃｍ２／ｃｍ３から５００ｃｍ２／ｃｍ３以上であってもよい。電極の比表面積は、電極基板構造の表面積を電極全体の合計物理的体積で除して得たものある。表面積はまた、電流分配／伝導裏板の投影された幾何学的面積に対する電極基板の合計面積として定義することもできることが意図されており、好ましくは電流分配／伝導裏板の投影された幾何学的面積の２倍から１０００倍以上の範囲である。電極構造の実際の合計活性表面積は、物理的電極構造に配置された電極触媒の特性の作用であり、物理的電極基板構造の表面積の２倍から１０００倍であってもよい。
【００２９】
[0028]カソード１２４は、銅、ステンレス鋼、遷移金属及びこれらの合金や酸化物、炭素、ケイ素、さらにはこれら材料を導電性金属または半導体材料の層で被覆したものなど、多くの表面積の大きい材料から選ぶことができる。カソード１２４の基板構造は、金属、炭素、または重合体などその他の導電性材料からなる繊維状、網状、または焼結粉末材料の形態であってもよい。これら材料は、膜のカソード側に一体化された非常に薄いプラスチック製のスクリーンであってもよく、膜１２８が大表面積カソード構造に直接触れることを防止する。この大表面積カソード構造は、大表面積カソードと同じ表面組成を有する材料から形成することができるカソード電流分配裏板に機械的に圧着または物理的に接着することができる。
【００３０】
[0029]また、カソード１２４は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ合金（例えば黄銅や青銅）、Ｇａ、Ｈｇ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、ＮｉＣｏ２Ｏ４、Ｎｉ合金（例えばＮｉ６２５、ＮｉＨＸ）、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｐｂ、Ｐｄ合金（例えば、ＰｄＡｇ）、Ｐｔ、Ｐｔ合金（例えば、ＰｔＲｈ）、Ｒｈ、Ｓｎ、Ｓｎ合金（例えば、ＳｎＡｇ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ）、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ、ステンレス鋼（ＳＳ）（例えば、ＳＳ２２０５、ＳＳ３０４、ＳＳ３１６、ＳＳ３２１）、オーステナイト鋼、フェライト鋼、二相鋼、マルテンサイト鋼、ニクロム（例えばＮｉＣｒ６０：１６（Ｆｅを含む））、エルジロイ（例えばＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ）、縮退ドープｐ−Ｓｉ、縮退ドープｐ−Ｓｉ：Ａｓ、縮退ドープｐ−Ｓｉ：Ｂ、縮退ドープｎ−Ｓｉ、縮退ドープｎ−Ｓｉ：Ａｓ、縮退ドープｎ−Ｓｉ：Ｂなどからなる好適な導電性電極であってもよい。これら金属とその合金はまた、各種金属基板に支持された触媒皮膜としても用いることができる。その他の導電性電極は、特定用途の基準を満たすように実施することができる。光電気化学還元の場合、カソード１２２はｐ−ＧａＡｓ、ｐ−ＧａＰ、ｐ−ＩｎＮ、ｐ−ＩｎＰ、ｐ−ＣｄＴｅ、ｐ−ＧａＩｎＰ２、ｐ−Ｓｉなどのｐ型半導体電極、またはｎ−ＧａＡｓ、ｎ−ＧａＰ、ｎ−ＩｎＮ、ｎ−ＩｎＰ、ｎ−ＣｄＴｅ、ｎ−ＧａＩｎＰ２、ｎ−Ｓｉなどのｎ型半導体電極であってもよい。その他の半導体電極は、特定用途の基準を満たすように実施することができ、例えばＣｏＳ、ＭｏＳ２、ＴｉＢ、ＷＳ２、ＳｎＳ、Ａｇ２Ｓ、ＣｏＰ２、Ｆｅ３Ｐ、Ｍｎ３Ｐ２、ＭｏＰ、Ｎｉ２Ｓｉ、ＭｏＳｉ２、ＷＳｉ２、ＣｏＳｉ２、Ｔｉ４Ｏ７、ＳｎＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、Ｇｅ、ＣｄＳｅなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３１】
[0030]溶媒または電解質を用いた場合、カソード液のｐＨは１から１２の範囲であり、好ましくはｐＨ４から１０の範囲を含むことができる。選択した動作ｐＨは、電気化学電池１０２の動作に用いられる任意の触媒の作用であってもよい。好ましくは、カソード液及び触媒は、電気化学電池１０２の腐食を防止するように選択することができる。カソード液は同質の触媒を含むことができる。同質の触媒は芳香族複素環アミンと定義される。その例として無置換及び置換されたピリジン及びイミダゾールが挙げられるが、これらに限定されない。置換されたピリジン及びイミダゾールは、一置換及び二置換ピリジン及びイミダゾールを含むことができるが、これらに限定されない。例えば、好適な触媒としては、２−メチルピリジン，４−ｔｅｒｔ−ブチルピリジン、２，６−ジメチルピリジン（２，６−ルチジン）などの直鎖状または分岐状低級アルキル（例えばＣ１−Ｃ１０）一置換及び二置換化合物、４，４’−ビピリジンなどのビピリジン、４−ジメチルアミノピリジンなどのアミノ置換ピリジン、４−ヒドロキシ−ピリジンなどのヒドロキシル置換ピリジン、置換または無置換のキノリンまたはイソキノリンなどが挙げられる。これらの触媒はまた、ピラジン、ピリダジン、ピリミジンなど置換または無置換の二窒素複素環アミンを好適に含むことができる。その他の触媒としては、一般に、アゾール、イミダゾール、インドール、オキサゾール、チアゾール、及びアデニン、プテリン、プテリジン、ベンゾイミダゾール、フェナントロリンなどの置換種及び錯体複素環アミンが挙げられる。
【００３２】
[0031]カソード液は電解質を含むことができる。カソード液電解質としては、アルカリ金属重炭酸塩、炭酸塩、硫酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、水酸化物などが挙げられる。この電解質は、Ｎａ２ＳＯ４、ＫＣｌ、ＮａＮＯ３、ＮａＣｌ、ＮａＦ、ＮａＣｌＯ４、ＫＣｌＯ４、Ｋ２ＳｉＯ３、ＣａＣｌ２、グアニジン酸陽イオン、Ｈ陽イオン、アルカリ金属陽イオン、アンモニウム陽イオン、アルキルアンモニウム陽イオン、四アルキルアンモニウム陽イオン、ハリド陰イオン、アルキルアミン、ホウ酸塩、炭酸塩、グアニジン酸誘導体、亜硝酸塩、硝酸塩、リン酸塩、ポリリン酸塩、過塩素酸塩、ケイ素酸塩、硫酸塩、及び水酸化物を１種以上含むことができる。一態様では、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＨＢｒなどの臭化物塩及び酸が好ましい場合がある。
【００３３】
[0032]カソード液はさらに、水性または非水性溶媒を含むことができる。水性溶媒は５％超の水を含むことができる。非水性溶媒は５％程度の水を含むことができる。溶媒は、水または非水性溶媒のうち１種以上を含むことができる。代表的な溶媒としては、メタノール、エタノール、アセトニトリル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエステル、ブチロニトリル、１，２−ジフルオロベンゼン、γ−ブチロラクトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、スルホラン、１，４−ジオキサン、ニトロベンゼン、ニトロメタン、無水酢酸、イオン性液、及びこれらの混合物などが挙げられる。
【００３４】
[0033]一態様では、カソード液／アノード液の流量は、カソード液／アノード液の断面の面積の流量で２ｇｐｍ／ｆｔ２から３，０００ｇｐｍ／ｆｔ２以上（０．００７６〜１１．３６ｍ３／ｍ２）の範囲を含むことができる。流速は０．００２〜２０ｆｔ／ｓｅｃ（０．０００６〜６．１ｍ／ｓｅｃ）の範囲であってもよい。より高い動作圧力で電気化学電池のカソード液を動作させると、より多くの二酸化炭素を水溶液中に溶解させることができる。典型的には、積層構造の電気化学電池で約２０〜３０ｐｓｉｇまでの圧力で動作することができるが、変更すれば１００ｐｓｉｇまで動作することができる。この電気化学電池は、同じ圧力範囲でアノード液を動作させて、セパレータ１２８、すなわち２つの領域を分けている膜にかかる圧力の差を最小にすることができる。液体ＣＯ２及び超臨界ＣＯ２動作範囲である、約６０〜１００気圧以上の高い動作圧力で電気化学装置を動作させるには特別な電気化学設計が必要な場合がある。
【００３５】
[0034]他の態様では、加圧された流れが電気化学電池のカソード液領域に注入されて水溶液に溶解するＣＯ２量を増加させて転換歩留まりを向上させることができるように、背圧による流量制限や、ＣＯ２を注入するポンプを用いてカソード液リサイクル流れの一部に個別に圧力をかけることができる。また、カソード液リサイクル流れ中の様々な手段により二酸化炭素の微細な気泡を生成して、溶液中の二酸化炭素の溶解度を最大にすることができる。
【００３６】
[0035]カソード液の温度は、−１０〜９５℃、より好ましくは５〜６０℃の範囲であってもよい。これより低い温度は、用いるカソード液及びその凝固点により限定される。一般に、温度が低いほど、カソード液の水溶液相へのＣＯ２の溶解度が高くなる。溶解度が高いと、より高い変換効率及び電流効率を得る助けとなる。しかしながら電気化学電池の動作電圧が高くなる場合があるという欠点がある。よって、最小の動作コストで化学物質を生成するように最適化を行う必要がある。また、カソード液は冷却が必要な場合がある。よって、外部熱交換器を用いて、カソード液の一部または全部を熱交換器に流し、冷却水を用いて熱を取り除き、カソード液温度を調整することができる。
【００３７】
[0036]アノード液の動作温度は、カソード液と同じ範囲であってもよく、０℃〜９５℃の範囲であってもよい。また、アノード液は冷却が必要な場合がある。よって、外部熱交換器を用いて、アノード液の一部または全部を熱交換器に流して、冷却水を用いて熱を取り除き、アノード液温度を調整することができる。
【００３８】
[0037]電気化学電池は、様々な設計のものを含むことができる。これらの設計は、電極と膜の間を有限の間隙またはゼロ間隙で仕切る無間隙設計や、様々な大表面積カソード材料を用いてカソード液電解質を再循環させる流水式設計を含むことができる。電気化学電池は、様々な大表面積カソード材料を有する、冠水型並流及び向流充填細流ベッド設計を含むことができる。また、電気化学電池には双極型積層電池設計や高圧型電池設計も採用することができる。
【００３９】
[0038]アノード電極はカソード電極と同じでもよく、異なっていてもよい。アノード１２６は、アノード基板構造の表面に塗布された電極触媒皮膜を含むことができる。アノード液はカソード液と同じでもよく、異なっていてもよい。アノード液電解質はカソード液電解質と同じでもよく、異なっていてもよい。アノード液は溶媒を含むことができる。アノード液溶媒はカソード液溶媒と同じでもよく、異なっていてもよい。例えばＨＢｒ、酸アノード液、水を酸化して酸素を生成する場合、好ましい電極触媒皮膜は、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブなどのバルブ金属基板に設けた金属及び酸化物として、ルテニウム酸化物やイリジウム酸化物などの貴金属酸化物や、白金及び金、それらの組み合わせを含むことができる。臭素及びヨウ素アノード化学の場合、アノードとしては炭素と黒鉛が特に好適に用いられる。高分子結合炭素材料もまた用いることができる。アルカリ性電解質または水酸化物電解質を含むその他のアノード液の場合、アノードは炭素、酸化コバルト、ステンレス鋼、遷移金属、及びこれらの合金や組み合わせを含むことができる。用いることができる大表面積アノード構造は、アノード表面での反応の促進を支援する。大表面積アノード基板材料は、繊維、焼結粉末、焼結スクリーンなどからなる網状であってもよく、双極型電気化学電池組立体に一般に用いられる電流分配裏板に焼結、溶接、接着、または機械的に接続することができる。また、大表面積網状アノード構造はまた、アノード表面構造の電極触媒活性表面やその近傍にさらに触媒を塗布した領域を含むことができ、これによって、臭素とアノード液に導入される炭素系反応物との反応など、アノード表面から離れたバルク溶液中で起こることができる反応を高め、促進する。アノード構造は勾配をつけてもよく、それによって密度を垂直方向または水平方向に変化させてアノード構造からガスを逃しやすくすることができる。この勾配は、臭素と炭素系反応物との反応のためにハロゲン化鉄、ハロゲン化亜鉛、ハロゲン化アルミニウム、ハロゲン化コバルトなどの金属ハロゲン化物触媒または金属酸化物触媒を含むことができるアノード構造中で混合された材料の粒子の分布を有してもよい。アルカリ性電解質または水酸化物電解質を含む他のアノード液の場合、アノードは炭素、酸化コバルト、ステンレス鋼、及びこれらの合金や組み合わせを含むことができる。
【００４０】
[0039]第１の領域１２０と第２の領域１２２との間に設けられたセパレータ１２８は、膜ともいい、陽イオン交換膜を含むことができる。陰イオンに対する高い排除効率を有する陽イオン交換膜が好ましい。このような陽イオン交換膜としては、例えばデュポン社製ナフィオン（登録商標）ブランドの非強化タイプＮ１１７及びＮ１２０シリーズ、より好ましくはＰＴＦＥ繊維強化タイプＮ３２４及びＮ４２４、フレミオン（登録商標）など供給業者の商品名で日本の会社により製造された類似の関連膜など、ペルフルオロ化スルホン酸イオン交換膜が挙げられる。塩素アルカリ工業で用いられるその他のペルフルオロ化多層イオン交換膜は、カルボン酸膜層に接着したスルホン酸膜層の二層構造を有する。これらペルフルオロ化多層イオン交換膜は、アノード液とカソード液のｐＨを約２以上で効率的に動作させることができる。これらの膜は、高い陰イオン排除効率を有することができる。これらは、デュポン社からＮ９００シリーズ（Ｎ９０２０９、Ｎ９６６、Ｎ９８２など）、２０００シリーズ（Ｎ２０１０、Ｎ２０２０、Ｎ２０３０など）、及びこれらのタイプ及び下位タイプのすべてなどナフィオン（登録商標）として販売されている場合がある。陰イオンの排除がそれほど必要でなければ、市販されているもののうち、例えば、シブロン社によって販売されている商品名イオナック（登録商標）、旭硝子（株）から販売されている商品名セレミオン（登録商標）、徳山曹達（株）から販売されているものなど様々な陽イオン交換材料から作製した炭化水素膜を用いることができる。セラミック膜もまた用いることができ、ＮＡＳＩＣＯＮ（Na Super Ionic CONductor、ナトリウム超イオン性導体）という一般名で呼ばれるものを含む。ＮＡＳＩＣＯＮは様々な化学物質に対して広いｐＨ範囲に渡って化学的に安定しており、選択的にナトリウムイオンを輸送する。その組成はＮａ１＋ｘＺｒ２ＳｉｘＰ３−ｘＯ１２である。また、酸化チタン、酸化ジルコニウム、イットリウム酸化物、β酸化アルミニウムを担持したその他のセラミック導電性膜も含まれる。代替膜としては、ポリホスファゼン膜、スルホン酸化ポリホスファゼン膜など異なる構造の主鎖を有する膜や、クラウンエーテル膜を用いることができる。好ましくは、膜すなわちセパレータはアノード液及びカソード液に対して化学的に耐性があり、６００℃未満、より好ましくは５００℃未満の温度で動作させる。
【００４１】
[0040]図５に、本発明の態様による生成物を化学電気的に共生成する方法５００の流れ図を示す。この方法５００は図１及び図２に示したシステム１００及びシステム２００により実行することができることを意図している。方法５００は、カソードを有する電気化学電池の第１の領域から第１の生成物を生成し、アノードを有する前記電気化学電池の第２の領域から第２の生成物を生成することを含むことができる。
【００４２】
[0041]生成物を化学電気的に共生成する方法５００は、二酸化炭素を含むカソード液を第１の領域に接触させる工程を含むことができる（５１０）。次いで、方法５００は再生利用反応物を含むアノード液を第２の領域に接触させることを含むことができる（５２０）。方法５００はさらに、アノードとカソードの間に十分な電位を印加して第１の領域から回収可能な第１の生成物と第２の領域から回収可能な第２の生成物を生成することを含むことができる（５３０）。方法５００はまた、第２の領域から第２の生成物を除去することを含むことができる（５４０）。方法５００はまた、第２の生成物を第２の反応器に導入することを含むことができる（５５０）。さらに、方法５００は第２の反応器中で再生利用反応物を形成することを含むことができる（５６０）。第１の領域で生成された第１の生成物は第１の領域から回収可能であり、第２の反応器で生成された再生利用反応物は第２の領域で再生利用可能であるという利点がある。
【００４３】
[0042]図６に、本発明の態様による生成物を化学電気的に共生成する方法６００の流れ図を示す。方法６００は図１及び図２に示したシステム１００及びシステム２００によって実行されることができることを意図している。方法６００は、カソードを有する電気化学電池の第１の領域から第１の生成物を生成し、アノードを有する前記電気化学電池の第２の領域から第２の生成物を生成することを含むことができる。
【００４４】
生成物を化学電気的に共生成する方法６００は、二酸化炭素を含むカソード液と第１の領域を接触させる工程を含むことができる（６１０）。次いで、方法６００は電気化学電池の第２の領域で再生利用反応物供給を受けることを含むことができる（６２０）。この再生利用反応物はＨＸであり、ＸはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、またはこれらの混合物からなる群より選ばれる。方法６００はさらに、再生利用反応物を、アノード液を含む第２の領域に接触させることを含むことができる（６３０）。方法６００はまた、アノードとカソードの間に十分な電位を印加して第１の領域から回収可能な第１の生成物を生成し、第２の領域から回収可能な二原子ハロゲン化物Ｘ２を生成することを含むことができる（６４０）。方法６００はまた、第２の領域から二原子ハロゲン化物を除去することを含むことができる（６５０）。さらに方法６００は、二原子ハロゲン化物を第２の反応器に導入することを含むことができる（６６０）。方法６００はまた、第２の反応器中で再生利用反応物を形成することを含むことができる（６７０）。第１の領域で生成された第１の生成物は第１の領域から回収可能であり、第２の反応器で生成された再生利用反応物は第２の領域で再生利用可能であるという利点がある。
【００４５】
[0043]図７に、酢酸とエタノールを共生成する電気化学システム７００の一態様を示す。所望の反応の全体式は２ＣＯ２＋４Ｃ２Ｈ６＋２Ｈ２Ｏ  →  ＣＨ３ＣＯＯＨ＋４Ｃ２Ｈ５ＯＨであってもよい。ＨＢｒは、陽イオン交換膜１２８で仕切られた第１の領域１２０と第２の領域１２２を有する二分割電池１０２の第２の領域１２２に導入される。ＨＢｒをポンプでアノード液循環ループ内を循環させて、第２の領域でＨＢｒを気体または液体としてＢｒ２に転換することができる。そしてＨ＋イオンが膜１２８を通って第１の領域１２０に入る。あるいは、ＨＢｒ３（すなわちＨＢｒと結合した臭素）を含有する液体流れとしてＢｒ２を回収することができる。ＨＢｒ３は、反応器７０１で臭素とエタンの反応からブロモエタンを形成するための酸化剤として作用することができる。ブロモエタンは、反応器７０２で水またはアルカリ水酸化物との反応によりエタノールに転換することができる。
【００４６】
[0044]第１の領域１２０のカソード側では、二酸化炭素が大表面積カソードと反応して、この例では酢酸ナトリウムが生成される。循環ポンプを用いて十分な質量を送ることにより、酢酸塩への高いファラデー転換効率を得ることができる。酢酸塩生成物はカソード液ループを過剰に流れており、この酢酸塩生成物を酸転換装置において電気化学酸転換装置またはＨＢｒとの直接混合により酸の形態に転換し、分離装置（図示されていない）で精製、濃縮することができる。
【００４７】
[0045]電気化学電池は、３ｋＡ／ｍ２（３００ｍＡ／ｃｍ２）より大きい電流密度で動作させることができる。好適な範囲は０．５〜５ｋＡ／ｍ２であるが、必要に応じてそれ以上であってもよい。ＨＢｒから臭素を形成する際の電流密度がこれより高い電流密度であっても容易に動作させることができる。電池はアノード部とカソード部の両方が液相で動作することができる。好ましい態様では、カソード部が液相であり、アノード部品が気相であってもよい。この場合、気相ＨＢｒを直接アノードに供給する。
【００４８】
[0046]電流密度が１ｋＡ／ｍ２であるシステムの動作電圧は、１．０から２．５ボルトの間であってもよい。アノード液反応の半電池電圧は０．６Ｖから１．２Ｖの間であってもよい。比較として、１ｋＡ／ｍ２で動作し、１Ｍ硫酸アノード液を用いて酸素を形成する比較電池の電圧は２．０Ｖから４Ｖの間である場合が多い。
【００４９】
[0047]液体アノード液の場合、ＨＢｒアノード液濃度は、５ｗｔ％〜５０ｗｔ％、より好ましくは１０ｗｔ％〜４０ｗｔ％、より好ましくは１５ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲であってもよく、溶液相中のＨＢｒ３としての臭素含有量が２〜３０ｗｔ％に相当する。アノード液中のＨＢｒ含有量は、アノード液の導電率を制御することができ、それによってアノード液成分の抵抗電圧降下を制御することができる。気相ＨＢｒを用いてアノードを動作させる場合、ＨＢｒ濃度は無水条件で１００ｗｔ％に近づく。
【００５０】
[0048]アノードは好ましくは、重合体結合炭素電流分配アノードを含み、比表面積が５０ｃｍ２／ｃｍ３以上という大表面積炭素フェルトを組み込むことができる。この炭素フェルトがカソード裏板と膜との空隙を埋めて、ゼロ間隔アノードとなっている。アノード電位を低下させ、かつ／またはアノード電流密度を増加させるため、金属触媒及び／または金属酸化物触媒をアノードに添加することができる。一例としてＲｕＯ２触媒を用いることができる。
【００５１】
[0049]カソードは様々な大表面積材料であればよく、例えば、銅、ステンレス鋼、炭素、ケイ素、及びこれらを導電性の金属または半導体などの材料の層で被覆したものなどが挙げられる。膜のカソード側に非常に薄いプラスチック製スクリーンを設けて、膜が大表面積カソード構造と接触することを防止する。この大表面積カソード構造は、大表面積カソードと同じ表面組成を有する材料からなるカソード電流分配裏板に機械的に圧着することができる。
【００５２】
[0050]アノードの動作ファラデー電流効率は、好ましくは９０〜１００％の間であり、酢酸塩ファラデー電流効率は好ましくは２５〜１００％の間であってもよい。アノード液及びカソード液の流れは、反応に十分な流れが得られるように循環させることができる。
【００５３】
[0051]第２の領域１２２のアノードで生成されたＢｒ２をエタンと反応させてブロモエタンとＨＢｒを生成することができる。このブロモエタンを水と反応させて、エタノールとＨＢｒを形成することができる。一般にブロモエタンの高い選択性を観察することができるが、反応生成物はジブロモエタン（１，１−ジブロモエタン及び／または１，２−ジブロモエタン）の１５％まで副生物を含有することができる。これら副生物は、Ｂｒを再生利用するために単離することができる、あるいはアセチレンやアセトアルデヒドなどの化合物を含む非Ｂｒに化学的に転換することができる。これらの副生物はまた、触媒活性により１−ブロモエタンに転換する、あるいは水素添加されてエタンに転換することができる。ブロモエタンのエタノールへの反応は、ＮａＯＨなどの塩基、Ｂｒと高い親和性を有するマグネシウムや類似金属、あるいは金属反応部位を含むゼオライトなどにより触媒されることができる。ブロモエタン及びエタノールを生成する各反応器からのＨＢｒ副生物をそれぞれ電池のアノード部に戻すことができる。Ｂｒをこのように転換して、ＨをＣＯ２還元に利用できるようになっている。
【図１】
2015535884.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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