東芝研發(fā)出可高速將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r(jià)值資源的技術(shù)

株式會(huì)社東芝（以下稱東芝）日前推出的CO₂資源化技術(shù)“Power to Chemicals”，能夠通過電化學(xué)反應(yīng)，將CO₂轉(zhuǎn)換為可用作燃料和化學(xué)原料的一氧化碳。該項(xiàng)東芝專有技術(shù)通過堆疊（Stacking）電解組件進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，提升了單位面積的處理量，在長23cm×寬12cm左右大小的約信封大小面積內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)每年高達(dá)1.0噸的CO₂處理量。

雖然電解組件的堆疊會(huì)導(dǎo)致處理速度降低，但東芝通過自身專有技術(shù)成功解決了堆疊導(dǎo)致的降速問題。通過堆疊設(shè)計(jì)提升了單位面積的處理量，在節(jié)約空間的同時(shí)，可大幅提升CO2轉(zhuǎn)換設(shè)備的實(shí)用性。以一個(gè)每天排放200噸CO2的垃圾焚燒廠（*1）為例，根據(jù)估算，安裝約2000m₂（相當(dāng)于5個(gè)籃球場大?。┑碾娊舛丫涂赏瓿扇緾O2的處理。通過將電解組件進(jìn)行堆疊，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大處理規(guī)模，這有助于該設(shè)備盡早實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

開發(fā)背景

為實(shí)現(xiàn)脫碳社會(huì)，減少工廠等產(chǎn)業(yè)部門的CO2排放量勢在必行。尤其對于CO2排放量大的制鐵、化工領(lǐng)域，減少CO2排放量已成為緊迫課題，在此背景下，通過與電力相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)（電化學(xué)反應(yīng)）將CO2轉(zhuǎn)換為有價(jià)值資源，并加以充分利用的技術(shù)正在不斷進(jìn)步。東芝開發(fā)的“Power to Chemicals”技術(shù)是利用可再生能源的剩余電力，通過電解處理中電極表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)換為有價(jià)值資源。

搭載了這種技術(shù)的設(shè)備今后可以安裝在對于CO2有處理需求的工廠內(nèi)部。同時(shí)，考慮到該設(shè)備的實(shí)用化，必須進(jìn)一步提升CO2處理能力，使其可以在有限的空間內(nèi)完成CO2的大規(guī)模處理。東芝通過研發(fā)專有的電極介質(zhì)，成功提升了電流密度（*2），這是代表CO2處理能力的重要指標(biāo)。為進(jìn)一步提升處理能力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)實(shí)用化，堆疊電解組件是一種有效的方法。不過，以堆疊模式進(jìn)行電解的過程中，由于能量損失所產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致CO2處理能力降低（*3），這是需要攻克的重要課題

本技術(shù)的特征

為此，東芝研發(fā)出了在電解組件內(nèi)部加入冷卻裝置的堆疊構(gòu)造。通過在電極之間增加冷卻通道，可以有效抑制熱量的產(chǎn)生，使CO2轉(zhuǎn)換反應(yīng)停滯的問題得以解決。由于冷卻通道可以根據(jù)發(fā)熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此可以根據(jù)實(shí)際用途將電解組件進(jìn)行相應(yīng)的堆疊及規(guī)模化處理。利用該技術(shù)，東芝試制了由4個(gè)電極面積為100cm2的電解組件組成的CO2電解堆，并對其進(jìn)行了運(yùn)行測試，最終成功在60 NL/h（*4）的處理速度下完成了CO2轉(zhuǎn)換（每年最高可處理1.0噸CO2），實(shí)現(xiàn)了常溫環(huán)境下高速處理（圖2）。本次研發(fā)的電解堆規(guī)格為長23cm×寬13cm×高23cm，以一個(gè)每天排放200噸CO2的垃圾焚燒廠為例，根據(jù)估算，設(shè)置約2000 m²（相當(dāng)于5個(gè)籃球場大?。┑碾娊舛丫涂赏瓿蒀O₂處理。

圖1 本次開發(fā)的電解堆（電極面積100 cm₂，4層電解槽堆疊）外觀圖

未來展望

東芝今后的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)CO2電解堆的大規(guī)模化（增加電解槽層數(shù)、加大電解槽尺寸）的同時(shí)，為將該技術(shù)導(dǎo)入相應(yīng)的應(yīng)用場景系統(tǒng)中而開展實(shí)證工作。東芝將力求在21世紀(jì)20年代后半期把這種能夠充分利用可再生能源，將CO2轉(zhuǎn)換為資源的，將Power to Chemicals技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。

圖2 本次開發(fā)的CO₂電解堆的CO₂處理速度

（*1）參考資料：

https://www.city.saku.nagano.jp/shigikai/gikaijoho/sisatuhoukoku/7120200122130239026.files/reiwa1keizaikennsetusisatu.pdf

（*2）實(shí)現(xiàn)了高水平的CO2向化學(xué)原料轉(zhuǎn)換技術(shù)

http://www.toshiba.co.jp/rdc/rd/detail_e/e1903_02.html

（*3）由于電解過程中能量損失而產(chǎn)生熱量，在此影響下發(fā)生副反應(yīng)生成氫，導(dǎo)致CO2處理能力降低。

（*4）0℃、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積(L)