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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)自身專有技術(shù)成功解決了堆疊導(dǎo)致的降速問(wèn)題。通過(guò)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(chǎng)大小)的電解堆就可完成全部CO2的處理。通過(guò)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(kāi)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(mén)的CO2排放量勢(shì)在必行。尤其對(duì)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(guò)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(kāi)發(fā)的“Power to Chemicals”技術(shù)是利用可再生能源的剩余電力，通過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)，以堆疊模式進(jìn)行電解的過(guò)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(guò)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(wèn)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(duì)其進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)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(zhǎng)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(chǎng)大小)的電解堆就可完成CO2處理。
未來(lái)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(chǎng)景系統(tǒng)中而開(kāi)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1：本次開(kāi)發(fā)的電解堆(電極面積100 cm2，4層電解槽堆疊)外觀圖
圖2：本次開(kāi)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(guò)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)
