JP2008056988A

JP2008056988A - 有機電解合成装置

Info

Publication number: JP2008056988A
Application number: JP2006234904A
Authority: JP
Inventors: Toru Hinouchi; 亨日之内
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能な有機電解合成装置を実現する。
【解決手段】電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、第１及び第２の支持部材と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるアノード電極と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるカソード電極とを備え、気相で有機電解合成を行わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置に関し、特に量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能な有機電解合成装置に関する。

従来の電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置等に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０２−０５４７９０号公報特開平１０−１８５８５８号公報特開２００４−２１１１８２号公報特開２００４−３１３７８０号公報

図７は従来の有機電解合成装置の一例を示す構成ブロック図である。図７において１はアノード電極及びカソード電極の２つの電極を有し電気分解を行う電解槽、２は直流電流を供給する直流電源、３は電流を測定する電流計、４は電圧を測定する電圧計である。

直流電源２の正電圧出力端子は電解槽１内の図７中”ＡＮ０１”に示すアノード電極に接続され、直流電源２の負電圧出力端子は電解槽１内の図７中”ＣＡ０１”に示すカソード電極に接続される。

また、直流電源２の正電圧出力端子と図７中”ＡＮ０１”に示すアノード電極との間には電流計３が設置され、図７中”ＡＮ０１”に示すアノード電極と図７中"ＣＡ０１”に示すカソード電極との間には電圧計４が接続される。

ここで、図７に示す従来例の動作を説明する。電解槽１内には反応液が導入され、直流電源２から図７中”ＡＮ０１”及び図７中”ＣＡ０１”に示すアノード電極及びカソード電極に電圧を印加して反応液を電気分解する。この時、電極界面で生じる反応により物質の合成が行われる。

また、物質の合成の反応は、図７中”ＡＮ０１”及び図７中”ＣＡ０１”に示すアノード電極及びカソード電極に印加する電圧の値によって制御される。

また、必要に応じて、図７中”ＡＮ０１”に示すアノード電極と、図７中”ＣＡ０１”に示すカソード電極との間は、隔壁、イオン交換膜や塩橋等により仕切り、反応液の導電性を保持したまま、それぞれの電極付近の反応液が混ざらないようにしている。

さらに、溶媒としては水やエーテル等の有機化合物が用いられるが、そのままでは溶媒中を電流が流れないので、支持電解質を添加して導電性を高めている。

この結果、電解槽に反応液を導入し、電解槽に設けられたアノード電極とカソード電極との間に電圧を印加して反応液を電気分解することにより、電極界面で生じる反応により物質の合成が可能になる。

しかし、図７に示す従来例では、工業プロセスとして考えた場合、反応液に支持電解質を添加して有機電解合成を行うことは廃棄物量の増加につながってしまうと言った問題点があった。

このような廃棄量の増加を防止するために、
１．電極表面に生じたイオンを溶媒の流れに乗せて転送。
２．電極間隔を”１００μｍ”程度にして電極間の電圧降下を小さくする。
ことにより、反応液に支持電解質を添加することなく有機電解合成を可能にする方法が考案されている。

但し、このような方法では、電極付近のイオンの拡散速度が遅いために有機電解合成の反応速度が遅く、有機電解合成の反応速度を上げるためには電極間に印加する電圧をより高電圧にする必要性があり、エネルギー効率が悪いと言った問題点があった。

また、量産を実現するためには、電解槽のサイズを大きくする必要性があり、このようなサイズアップに伴い、電極間隔が広くなりエネルギー効率が悪化すると言った問題点があり、電極間隔を狭くしたままでは電解槽の設計が困難になり、電極間隔が狭い場合には電極自体が障害物となり反応液の攪拌が不十分になると言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能な有機電解合成装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるアノード電極と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるカソード電極とを備え、気相で有機電解合成を行わせることにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。

請求項２記載の発明は、
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定される複数のアノード電極と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定される複数のカソード電極とを備え、複数の前記アノード電極と複数の前記カソード電極をそれぞれ交互に配置し、気相で有機電解合成を行わせることにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。また、実質的に電極面積が大きくなり、反応速度を速くすることが可能になる。

請求項３記載の発明は、
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、一方の面が前記第１の支持部材に固定されるアノード電極と、一方の面が前記第２の支持部材に固定されるカソード電極とを備え、前記アノード電極と前記カソード電極とを互いに対向するように配置し、気相で有機電解合成を行わせることにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。また、大きな面積のアノード電極及びカソード電極を形成することが可能になるので、合成される物質の量が増大する。

請求項４記載の発明は、
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１、第２及び第３の支持部材と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるアノード電極と、両端が前記第１及び第３の支持部材で固定されるカソード電極とを備え、前記アノード電極側と前記カソード電極側との２つの流路を合流させる構造を有し、気相で有機電解合成を行わせることにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。また、アノード電極とカソード電極にはそれぞれ異なる反応ガスを接触させることが可能になる。

請求項５記載の発明は、
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるアノード電極と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるカソード電極と、両端が前記第１及び第２の支持部材で固定される触媒活性物質とを備え、気相で有機電解合成を行わせることにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。また、アノード電極若しくはカソード電極で生じた不安定な反応中間体が分解される前に触媒活性物質により活性化させたり、触媒活性物質で活性化された反応ガスをアノード電極及びカソード電極に送ることが可能になる。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である有機電解合成装置において、
前記アノード電極と前記カソード電極の間隔が１００μｍよりも小さくなるように配置したことにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５及び請求項６の発明によれば、アノード電極とカソード電極との電極間隔を”１００μｍ”よりも小さくして気相で有機電解合成を行わせることにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。

また、請求項２の発明によれば、複数のアノード電極と複数のカソード電極をそれぞれ交互に配置して有機電解合成装置を構成することにより、実質的に電極面積が大きくなり、反応速度を速くすることが可能になる。

また、請求項３の発明によれば、アノード電極とカソード電極とを互いに対向するように配置することにより、大きな面積のアノード電極及びカソード電極を形成することが可能になるので、合成される物質の量が増大する。

また、請求項４の発明によれば、アノード電極側の流路と、カソード電極側の流路とを有し２つの流路を合流させる構造を有することにより、アノード電極とカソード電極にはそれぞれ異なる反応ガスを接触させることが可能になる。

また、請求項５の発明によれば、反応ガスが導入される流路の任意の位置に触媒活性物質を配置することにより、アノード電極若しくはカソード電極で生じた不安定な反応中間体が分解される前に触媒活性物質により活性化させたり、触媒活性物質で活性化された反応ガスをアノード電極及びカソード電極に送ることが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る有機電解合成装置の一実施例を示す構成断面図である。図１において５及び６は各電極を支持する支持部材、７は有機電解合成を行うためのアノード電極、８は有機電解合成を行うためのカソード電極である。

アノード電極７は両端が支持部材５及び６により固定され、カソード電極８もまた両端が支持部材５及び６によって固定される。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２を用いて説明する。図２は実施例の動作を説明するための説明図である。図２において５，６，７及び８は図１と同一符号を付してある。

図２中”ＣＬ１１”に示すアノード電極７とカソード電極８との電極間隔は”１００μｍ”よりも小さくなるように配置される。

また、図２中”ＧＳ１１”に示すように反応ガス（気体）が支持部材７と支持部材６とによって挟まれる流路に導入され、反対側から排出される。

そして、このような状態で、図示しない直流電源からアノード電極７及びカソード電極８に電圧を印加して反応ガスを気相で電気分解する。この時、アノード電極７及びカソード電極８の電極界面で生じる反応により物質の合成が行われる。

すなわち、従来、液相で行われていた有機電解合成を電極間隔を”１００μｍ”よりも小さくして気相で行うことにより、溶媒や支持電解質が不要になるので廃棄物量を低減することが可能になる。

また、拡散速度は液相よりも気相の方が”１００００倍”程度速いので、速い反応速度を維持することが可能になる。さらに、溶媒を用いないので溶媒分子との衝突による失活が生じず、液相による有機電解合成と比較してエネルギー効率が向上する。

また、量産時であっても有機電解合成装置のサイズアップを図るのではなく、図１に示すような有機電解合成装置（同一サイズ）を複数個並列に設けて（ナンバリングアップ）物質の合成を行わせることにより、容易に量産が実現できる。

この場合、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）プロセスを用いることによって、同一形状の、言い換えれば、特性の揃った有機電解合成装置を多数生産することが可能になる。

この結果、アノード電極とカソード電極との電極間隔を”１００μｍ”よりも小さくして気相で有機電解合成を行わせることにより、量産が容易で廃棄物量を低減しエネルギー効率を向上させることが可能になる。

また、図３は本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。図３において９及び１０は各電極を支持する支持部材、１１，１２及び１３は有機電解合成を行うためのアノード電極、１４，１５及び１６は有機電解合成を行うためのカソード電極である。

各電極はアノード電極１１、カソード電極１４、アノード電極１２、カソード電極１５、アノード電極１３及びカソード電極１６の順番でアノード電極とカソード電極とが交互に配置され、各電極の両端は支持部材９及び１０によってそれぞれ固定される。

ここで、図３に示す実施例の動作を説明する。図３中”ＣＬ２１”に示すアノード電極１１とカソード電極１４との電極間隔は”１００μｍ”よりも小さくなるように配置される。

同様に、図３中”ＣＬ２２”に示すアノード電極１２とカソード電極１４との電極間隔、図３中”ＣＬ２３”に示すアノード電極１２とカソード電極１５との電極間隔、図３中”ＣＬ２４”に示すアノード電極１３とカソード電極１５との電極間隔、図３中”ＣＬ２５”に示すアノード電極１３とカソード電極１６との電極間隔はそれぞれ”１００μｍ”よりも小さくなるように配置される。

また、図３中”ＧＳ２１”に示すように反応ガス（気体）が支持部材９と支持部材１０とによって挟まれる流路に導入され、反対側から排出される。

そして、このような状態で、図示しない直流電源からアノード電極１１，１２及びアノード電極１３にはそれぞれ正電圧が印加され、カソード電極１４，１５及びカソード電極１６にはそれぞれ負電圧が印加され反応ガスを気相で電気分解する。この時、各アノード電極１１〜１３及び各カソード電極１４〜１６の電極界面で生じる反応により物質の合成が行われる。

この結果、図３に示す実施例では、複数のアノード電極と複数のカソード電極をそれぞれ交互に配置して有機電解合成装置を構成することにより、実質的に電極面積が大きくなり、反応速度を速くすることが可能になる。

また、図４は本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。図４において１７及び１８は各電極を支持する支持部材、１９は有機電解合成を行うためのアノード電極、２０は有機電解合成を行うためのカソード電極である。

アノード電極１９は一方の面が支持部材１７に固定され、カソード電極２０は一方の面が支持部材１８に固定される。また、支持部材１７と支持部材１８は、アノード電極１９とカソード電極２０の他方の面が互いに対向するように図示しない部材等によって固定される。

ここで、図４に示す実施例の動作を説明する。図４中”ＣＬ３１”に示すアノード電極１９とカソード電極２０との電極間隔は”１００μｍ”よりも小さくなるように配置される。

また、図４中”ＧＳ３１”に示すように反応ガス（気体）が支持部材１７と支持部材１８とによって挟まれる流路（実質的には、アノード電極１９とカソード電極２０とによって挟まれる空間）に導入され、反対側から排出される。

そして、このような状態で、図示しない直流電源からアノード電極１９とカソード電極２０との間に電圧が印加され反応ガスを気相で電気分解する。この時、アノード電極１９及びカソード電極２０の電極界面で生じる反応により物質の合成が行われる。

この結果、図４に示す実施例では、アノード電極１９とカソード電極２０とを互いに対向するように配置することにより、大きな面積のアノード電極及びカソード電極を形成することが可能になるので、合成される物質の量が増大する。

また、図５は本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。図５において２１，２２及び２３は各電極を支持する支持部材、２４は有機電解合成を行うためのアノード電極、２５は有機電解合成を行うためのカソード電極である。

アノード電極２４の一端が支持部材２１に固定され、アノード電極２４の他端が支持部材２２に固定される。同様に、カソード電極２５の一端が支持部材２１に固定され、カソード電極２５の他端が支持部材２３に固定される。

ここで、図５に示す実施例の動作を説明する。アノード電極２４とカソード電極２５との電極間隔は”１００μｍ”よりも小さくなるように配置される。

また、図５中”ＧＳ４１”に示すように反応ガス（気体）が支持部材２１と支持部材２２とによって挟まれる流路（アノード電極側）に導入され、図５中”ＧＳ４２”に示すように反応ガス（気体）が支持部材２１と支持部材２３とによって挟まれる流路（カソード電極側）に導入される。

さらに、２つの流路から導入された反応ガスは、図５中”ＪＰ４１”に示す合流点で合流して反対側から排出される。

そして、このような状態で、図示しない直流電源からアノード電極２４とカソード電極２５との間に電圧が印加され反応ガスを気相で電気分解する。この時、アノード電極２４及びカソード電極２５の電極界面で生じる反応により物質の合成が行われる。

但し、図５に示す構成ではアノード電極２４とカソード電極２５にはそれぞれ異なる反応ガスを接触させることが可能になる。このため、酸化（或いは、還元）されにくい方の反応ガスを選択的にアノード電極２４（或いは、カソード電極２５）側の流路に導入して酸化（或いは、還元）させることができる。

この結果、図５に示す実施例では、アノード電極側の流路と、カソード電極側の流路とを有し２つの流路を合流させる構造を有することにより、アノード電極２４とカソード電極２５にはそれぞれ異なる反応ガスを接触させることが可能になる。

また、図６は本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。図６において２６及び２７は各電極を支持する支持部材、２８は有機電解合成を行うためのアノード電極、２９は有機電解合成を行うためのカソード電極、３０は反応の速度を制御する触媒活性物質である。

アノード電極２８は両端が支持部材２６及び２７により固定され、カソード電極２９もまた両端が支持部材２６及び２７によって固定される。また、触媒活性物質３０は両端が支持部材２６及び２７により固定される。

ここで、図６に示す実施例の動作を説明する。図６中”ＣＬ５１”に示すアノード電極２８とカソード電極２７との電極間隔は”１００μｍ”よりも小さくなるように配置される。

また、図６中”ＧＳ５１”に示すように反応ガス（気体）が支持部材２６と支持部材２７とによって挟まれる流路に導入され、反対側から排出される。

そして、このような状態で、図示しない直流電源からアノード電極２８及びカソード電極２９に電圧を印加して反応ガスを気相で電気分解する。この時、アノード電極２８及びカソード電極２９の電極界面で生じる反応により物質の合成が行われる。

また、アノード電極２８及びカソード電極２９の近傍に触媒活性物質３０を配置することにより、アノード電極２８若しくはカソード電極２９で生じた不安定な反応中間体が分解される前に触媒活性物質３０により活性化させることが可能になる。

また、触媒活性物質３０の配置位置を反応ガスの導入側にすることにより、触媒活性物質３０で活性化された反応ガスをアノード電極２８及びカソード電極２９に送ることが可能になる。

この結果、図６に示す実施例では、反応ガスが導入される流路の任意の位置に触媒活性物質３０を配置することにより、アノード電極２８若しくはカソード電極２９で生じた不安定な反応中間体が分解される前に触媒活性物質３０により活性化させたり、触媒活性物質３０で活性化された反応ガスをアノード電極２８及びカソード電極２９に送ることが可能になる。

なお、図１等に示す実施例の説明に際しては、反応ガスの導入側からアノード電極、カソード電極の順番で電極を配置しているが、勿論、アノード電極とカソード電極の位置関係が逆であっても構わない。

また、図１等に示す実施例の説明に際して、反応ガスの流路は、２つの支持部材によって挟まれる流路として例示されているが、当該流路の側面部分（図面の垂直方向）は遮蔽されていても、開放されていてもどちらであっても構わない。

本発明に係る有機電解合成装置の一実施例を示す構成断面図である。実施例の動作を説明するための説明図である。本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。本発明に係る有機電解合成装置の他の実施例を示す構成断面図（説明図）である。従来の有機電解合成装置の一例を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１電解槽
２直流電源
３電流計
４電圧計
５，６，９，１０，１７，１８，２１，２２，２３，２６，２７支持部材
７，１１，１２，１３，１９，２４，２８アノード電極
８，１４，１５，１６，２０，２５，２９カソード電極
３０触媒活性物質

Claims

電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるアノード電極と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるカソード電極とを備え、
気相で有機電解合成を行わせることを特徴とする有機電解合成装置。
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定される複数のアノード電極と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定される複数のカソード電極とを備え、
複数の前記アノード電極と複数の前記カソード電極をそれぞれ交互に配置し、気相で有機電解合成を行わせることを特徴とする有機電解合成装置。
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、
一方の面が前記第１の支持部材に固定されるアノード電極と、
一方の面が前記第２の支持部材に固定されるカソード電極とを備え、
前記アノード電極と前記カソード電極とを互いに対向するように配置し、気相で有機電解合成を行わせることを特徴とする有機電解合成装置。
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１、第２及び第３の支持部材と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるアノード電極と、
両端が前記第１及び第３の支持部材で固定されるカソード電極とを備え、
前記アノード電極側と前記カソード電極側との２つの流路を合流させる構造を有し、気相で有機電解合成を行わせることを特徴とする有機電解合成装置。
電気分解時に電極界面で生じる反応を利用して物質の合成を行う有機電解合成装置において、
第１及び第２の支持部材と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるアノード電極と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定されるカソード電極と、
両端が前記第１及び第２の支持部材で固定される触媒活性物質とを備え、
気相で有機電解合成を行わせることを特徴とする有機電解合成装置。
前記アノード電極と前記カソード電極の間隔が１００μｍよりも小さくなるように配置したことを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の有機電解合成装置。