JP2009269781A - Method for generating hydrogen - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method in which various energy including hydrogen can be obtained with high energy conversion efficiency by an easily controlled method using a raw material which is easily handled and is highly safe. <P>SOLUTION: The method for generating hydrogen is characterized in that anode reaction including oxidation reaction of a hydride ion in a solution containing an ionic hydride and a hydroxide and cathode reaction including hydrogen-generating reaction are allowed to occur spontaneously through a cation-exchange electrolyte membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素発生方法及び水素発生装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen generation method and a hydrogen generation apparatus.

水素発生方法としては、水素化物から加水分解によって水素を発生させるシステムが提案されている(下記特許文献1)。しかしながら、加水分解による水素発生方法は、化学反応の為に水素発生を制御することが非常に難しいという問題がある。また水素化物の化学エネルギーを水素の化学エネルギーに変換する時、残りは熱エネルギーとして系外に放出されるためにエネルギー変換効率が悪いという課題がある。   As a method for generating hydrogen, a system for generating hydrogen from a hydride by hydrolysis has been proposed (Patent Document 1 below). However, the hydrogen generation method by hydrolysis has a problem that it is very difficult to control the hydrogen generation due to a chemical reaction. In addition, when the chemical energy of hydride is converted to the chemical energy of hydrogen, the remainder is released as thermal energy to the outside of the system, which causes a problem of poor energy conversion efficiency.

また、水素化物を集電体とともに電極にしたものをアノードとして酸化させ、一方カソードでは水を還元して水素を発生しつつ発電する電気化学システムが各種提案されている(下記特許文献2及び3参照)。このシステムではカソードで起こる水素発生反応より電気化学的にマイナスの電位を有する水素化物を酸化させることにより、水素の発生と同時に電気エネルギーを取り出すことが可能である。このシステムにおいて使用する水素化物としては、特許文献2では、水素化ナトリウムとアルミニウムの混合物が提案され、特許文献3では、水素化チタン、水素化亜鉛、ニッケル若しくはランタンの可逆性水素化物、またはミッシュ金属等の水素吸蔵成分が提案されている。   In addition, various electrochemical systems have been proposed in which a hydride formed as an electrode together with a current collector is oxidized as an anode, while electricity is generated at the cathode while reducing water to generate hydrogen (Patent Documents 2 and 3 below). reference). In this system, it is possible to extract electrical energy simultaneously with the generation of hydrogen by oxidizing a hydride that has an electrochemically lower potential than the hydrogen generation reaction that occurs at the cathode. As a hydride used in this system, Patent Document 2 proposes a mixture of sodium hydride and aluminum, and Patent Document 3 discloses a reversible hydride of titanium hydride, zinc hydride, nickel or lanthanum, or Misch. Hydrogen storage components such as metals have been proposed.

しかしながら、特許文献2及び3の方法では、使用する水素化物は室温で固体であり、水素化物が完全に反応すると、水素化物のみならず集電体を含む電極そのものを交換しなければならないという煩わしさがある。   However, in the methods of Patent Documents 2 and 3, the hydride used is solid at room temperature, and when the hydride completely reacts, not only the hydride but also the electrode itself including the current collector must be replaced. There is.

また水素化ナトリウムは、水の存在によって加水分解反応が進行するために、水溶液系の電解質を用いる場合には、実際には電気化学的にエネルギーを取り出すことができないという問題がある。さらに、アノード反応の進行により水素化物の表面が酸化されて絶縁性の表面被膜が形成されると反応がそれ以上進まないという問題があり、また、酸化溶解により反応生成物が溶解して電解質を汚染することが不可避である。   In addition, sodium hydride undergoes a hydrolysis reaction due to the presence of water, and therefore there is a problem that when an aqueous electrolyte is used, energy cannot actually be extracted electrochemically. Furthermore, there is a problem that when the surface of the hydride is oxidized due to the progress of the anode reaction and an insulating surface film is formed, the reaction does not proceed any more. It is inevitable to contaminate.

下記特許文献4には、標準酸化還元電位が0以下の燃料を分解するアノードと、前記アノードに対向配置され、水素を発生させるカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを備えた水素発生装置が開示されている。特許文献4には、燃料としてはヒドラジン(NHNH)、加水ヒドラジン(NHNH・HO)などのヒドラジン類、アンモニア(NH3)、ギ酸(HCOOH)等が記載されているが、これらの燃料は引火点が低く取り扱いに注意を要する。また、アノード側での副反応でアンモニアや一酸化炭素が発生し、これら副生成物には電極表面に吸着することでアノード側での電極反応を阻害するという問題がある。さらに、上記燃料は電解質膜中をクロスオーバーするので、カソードにて燃料が酸化して水素発生量を低下させるだけでなく、発生する水素ガスにアンモニアや一酸化炭素・二酸化炭素等の不純物が混在するという課題がある。
米国特許4155712 特表2003−500319 特表2007−503705 特開2005−71645
Patent Document 4 listed below discloses an anode that decomposes fuel having a standard oxidation-reduction potential of 0 or less, a cathode that is disposed opposite to the anode and that generates hydrogen, and an electrolyte membrane that is disposed between the anode and the cathode. A hydrogen generation apparatus including the above is disclosed. Patent Document 4 describes hydrazines such as hydrazine (NH 2 NH 2 ) and hydrazine hydrohydrate (NH 2 NH 2 .H 2 O), ammonia (NH 3 ), formic acid (HCOOH) and the like as fuel. However, these fuels have a low flash point and require careful handling. In addition, ammonia and carbon monoxide are generated by a side reaction on the anode side, and these by-products have a problem that the electrode reaction on the anode side is inhibited by adsorbing to the electrode surface. Furthermore, since the fuel crosses over the electrolyte membrane, not only does the fuel oxidize at the cathode to reduce the amount of hydrogen generated, but also impurities such as ammonia, carbon monoxide and carbon dioxide are mixed in the generated hydrogen gas. There is a problem of doing.
US Pat. No. 4,155,712 Special table 2003-500319 Special table 2007-503705 JP-A-2005-71645

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、
取り扱いが容易で安全性の高い原料を用いて、制御の簡単な方法によって、高いエネルギー変換効率で水素を含む各種エネルギーを取得できる方法を提供することである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and its main purpose is as follows.
An object is to provide a method capable of acquiring various kinds of energy containing hydrogen with high energy conversion efficiency by a simple control method using raw materials that are easy to handle and highly safe.

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、イオン性水素化物と水酸化物を溶解した溶液をアノード側電極部に供給すると共に、カチオン交換型電解質膜を介して配置したカソード側電極に水を供給して、アノード側電極とカソード側電極を電気的に結合することによって、アノードにおける水素化物の酸化反応と、カソードにおける水素発生反応が自発的に進行することを見出した。そして、この方法によれば、高い変換効率で水素が発生すると同時に電気エネルギーの取得が可能であり、水素化物の有する化学エネルギーを電気エネルギーと水素の化学エネルギーとして高い変換効率で取り出すことが可能となることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。   The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, a solution in which the ionic hydride and hydroxide are dissolved is supplied to the anode side electrode portion, and water is supplied to the cathode side electrode disposed via the cation exchange type electrolyte membrane, so that the anode side electrode and the cathode are supplied. It was found that the hydride oxidation reaction at the anode and the hydrogen generation reaction at the cathode proceed spontaneously by electrically coupling the side electrodes. And according to this method, it is possible to obtain electric energy at the same time as hydrogen is generated with high conversion efficiency, and it is possible to take out chemical energy of hydride as electric energy and chemical energy of hydrogen with high conversion efficiency. The present invention has been completed here.

即ち、本発明は、下記の水素発生方法及び水素発生装置を提供することである。
1. イオン性水素化物と水酸化物を含有する溶液における水素化物イオンの酸化反応を含むアノード反応と、
水素発生反応を含むカソード反応を、
カチオン交換型電解質膜を介して自発的に生じさせることを特徴とする、水素発生方法。2. イオン性水素化物が、一般式:X(YH4-nZn)(式中、Xは、アルカリ金属、NH4、又はM1/2(式中、Mはアルカリ土類金属である)であり、YはB, Al 又はGaであり、Zはハロゲン原子又は一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数である)で表される化合物であり、水酸化物が、一般式:AOH(式中、Aは、アルカリ金属、NH4、又はM1/2(式中、Mはア
ルカリ土類金属である)である)で表される化合物である、上記項1に記載の水素発生方法。
3. イオン性水素化物が、LiBH4, NaBH4及びKBH4からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、水酸化物がLiOH, NaOH及びKOHからなる群から選ばれた少なくとも一種である
、上記項1又は2に記載の水素発生方法。
4. カチオン交換型電解質膜がカチオン交換型固体高分子電解質膜である、上記項1〜3のいずれかに記載の水素発生方法。
5. イオン性水素化物と水酸化物を含む溶液が供給されるアノード側電極部と、
該アノード側電極部と対向配置され、水素を発生させるカソード側電極部と、
該アノード側電極部と該カソード側電極部の間に配置されたカチオン交換型電解質とを備えていることを特徴とする水素発生装置。
That is, the present invention is to provide the following hydrogen generation method and hydrogen generation apparatus.
1. An anodic reaction comprising an oxidation reaction of hydride ions in a solution containing ionic hydride and hydroxide;
Cathode reactions including hydrogen evolution reactions
A method for generating hydrogen, which is generated spontaneously through a cation exchange electrolyte membrane. 2. The ionic hydride is represented by the general formula: X (YH 4-n Z n ) ( where X is an alkali metal, NH 4 , or M 1/2 , where M is an alkaline earth metal). Y is B, Al or Ga, Z is a halogen atom or a monovalent hydrocarbon group, and n is an integer of 0 to 3, and a hydroxide is generally used. Item 2. The compound according to Item 1, which is a compound represented by the formula: AOH (wherein A is an alkali metal, NH 4 , or M 1/2 (wherein M is an alkaline earth metal)). Hydrogen generation method.
3. Item 1. The ionic hydride is at least one selected from the group consisting of LiBH 4 , NaBH 4 and KBH 4 , and the hydroxide is at least one selected from the group consisting of LiOH, NaOH and KOH. Or the hydrogen generating method of 2.
4). Item 4. The method for generating hydrogen according to any one of Items 1 to 3, wherein the cation exchange type electrolyte membrane is a cation exchange type solid polymer electrolyte membrane.
5. An anode side electrode part to which a solution containing an ionic hydride and a hydroxide is supplied;
A cathode side electrode part disposed opposite to the anode side electrode part and generating hydrogen;
A hydrogen generating apparatus comprising: a cation exchange electrolyte disposed between the anode side electrode part and the cathode side electrode part.

以下、本発明の水素発生方法の実施に使用可能な水素発生装置の一実施態様の概略構成を示す図1を参照して、本発明の水素発生方法を説明する。   Hereinafter, the hydrogen generation method of the present invention will be described with reference to FIG. 1 which shows a schematic configuration of one embodiment of a hydrogen generation apparatus that can be used to implement the hydrogen generation method of the present invention.

図1に示す水素発生装置1は、アノード側電極2、カソード側電極3及びカチオン交換型電解質膜4を主要な構成要素として含むものである。アノード側電極2には、アノード側原料入口6より、イオン性水素化物と水酸化物を含有する溶液が原料溶液として供給される。   A hydrogen generator 1 shown in FIG. 1 includes an anode side electrode 2, a cathode side electrode 3, and a cation exchange type electrolyte membrane 4 as main components. A solution containing ionic hydride and hydroxide is supplied to the anode side electrode 2 from the anode side raw material inlet 6 as a raw material solution.

イオン性水素化物としては、例えば、一般式:X(YH4-nZn)で表される化合物を用いることができる。上記一般式において、Xはアルカリ金属、NH4、又はM1/2(式中、Mはアルカリ土類金属である)であり、YはB, Al 又はGaであり、Zはハロゲン原子又は一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数である。アルカリ金属としては、Li. Na, K, Rb, Cs等を
例示でき、アルカリ土類金属としては、Mg, Ca, Sr, Ba等を例示でき、ハロゲン原子としては、F, Cl, Br, I等を例示できる。一価の炭化水素基としては、例えば、炭素数1〜6程度の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基を挙げることができ、例えば、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、tert−ブチル、sec−ブ
チル、n−ペンチル、1−エチルプロピル、イソペンチル、ネオペンチル、n−ヘキシル、1,2,2−トリメチルプロピル、3,3−ジメチルブチル、2−エチルブチル、イソヘキシル、3−メチルペンチル基等を例示できる。
As the ionic hydride, for example, a compound represented by the general formula: X (YH 4-n Z n ) can be used. In the above general formula, X is an alkali metal, NH 4 , or M 1/2 (wherein M is an alkaline earth metal), Y is B, Al or Ga, and Z is a halogen atom or a single atom. And n is an integer of 0 to 3. Examples of the alkali metal include Li. Na, K, Rb, and Cs. Examples of the alkaline earth metal include Mg, Ca, Sr, and Ba. Examples of the halogen atom include F, Cl, Br, and I. Etc. can be illustrated. Examples of the monovalent hydrocarbon group include a linear or branched alkyl group having about 1 to 6 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, Isobutyl, tert-butyl, sec-butyl, n-pentyl, 1-ethylpropyl, isopentyl, neopentyl, n-hexyl, 1,2,2-trimethylpropyl, 3,3-dimethylbutyl, 2-ethylbutyl, isohexyl, 3 -A methylpentyl group etc. can be illustrated.

これらのイオン性水素化物の内で、特に、LiBH4, NaBH4, KBH4等のアルカリ金属の水素化ホウ素化合物が好ましい。 Among these ionic hydrides, alkali metal borohydride compounds such as LiBH 4 , NaBH 4 and KBH 4 are particularly preferable.

水酸化物としては、例えば、一般式:AOHで表される化合物を用いることができる。上
記一般式において、Aは、アルカリ金属、NH4、又はM1/2(式中、Mはアルカリ土類金属である)である。アルカリ金属としては、Li, Na, K, Rb, Cs等を例示でき、アルカリ土類
金属としては、Mg, Ca, Sr, Ba等を例示できる。これらの水酸化物の内で、特に、LiOH, NaOH, KOH等のアルカリ金属水酸化物が好ましい。
As the hydroxide, for example, a compound represented by the general formula: AOH can be used. In the above general formula, A is an alkali metal, NH 4 , or M 1/2 (wherein M is an alkaline earth metal). Examples of the alkali metal include Li, Na, K, Rb, and Cs, and examples of the alkaline earth metal include Mg, Ca, Sr, and Ba. Of these hydroxides, alkali metal hydroxides such as LiOH, NaOH, and KOH are particularly preferable.

イオン性水素化物と水酸化物を含む溶液では、溶媒としては、溶液中において、イオン性水素化物:X(YH4-nZn)を、X+と(YH4-nZn)-とにイオン解離できる溶媒であれば特に限定なく使用できる。この様な溶媒としては、水の他に、ルイス塩基性が高く、ルイス酸性が低く、比誘電率が高い非水溶媒を用いることができる。この様な非水溶媒としては、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ジグリム、トリグリム、テトラグリム、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジオキソラン、テトラメチルピラン等のエーテル類、二硫化炭素、酢酸メチル、γ-ブチルラクトン、メチ
ルカーボネート、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジエチル、アセトン、ホルムアミド、メチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド、アセトアミド、メチルアセトアミド、ジメチルアセトアミド、エチレンジアミン、メチルピロリドン、ピリジン、アニリン、N-メチルピロリドン、テトラメチル尿素、テトラメチルグアニジン、アセトニトリル、ニトロメタン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、リン酸トリエチル、ヘキサメチルリン酸トリアミド、アンモニア等を例示できる。好ましい非水溶媒は、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、メチルピロリドン、ピリジン等である。
In a solution containing an ionic hydride and a hydroxide, as a solvent, in the solution, an ionic hydride: X (YH 4-n Z n ), X + and (YH 4-n Z n ) Any solvent capable of ion dissociation can be used without particular limitation. As such a solvent, in addition to water, a non-aqueous solvent having a high Lewis basicity, a low Lewis acidity, and a high relative dielectric constant can be used. Examples of such non-aqueous solvents include diethyl ether, dimethoxyethane, diethoxyethane, diglyme, triglyme, tetraglyme, tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, dioxane, dioxolane, tetramethylpyran, and other ethers, carbon disulfide, methyl acetate, γ-Butyllactone, methyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, acetone, formamide, methylformamide, dimethylformamide, acetamide, methylacetamide, dimethylacetamide, ethylenediamine, methylpyrrolidone, pyridine, aniline, N-methylpyrrolidone, tetra Methylurea, tetramethylguanidine, acetonitrile, nitromethane, dimethylsulfoxide, sulfolane, triethyl phosphate, hexamethylphosphorus Triamide, ammonia and the like. Preferred non-aqueous solvents are tetrahydrofuran, acetonitrile, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, methylpyrrolidone, pyridine and the like.

イオン性水素化物と水酸化物を含む溶液におけるイオン性水素化物の濃度は特に限定的でないが、0.0001〜30mol/L程度とすることが好ましく、0.01〜10mol/L程度とすることがより好ましい。   The concentration of the ionic hydride in the solution containing the ionic hydride and the hydroxide is not particularly limited, but is preferably about 0.0001 to 30 mol / L, and more preferably about 0.01 to 10 mol / L.

また、水酸化物の濃度は、0.0001〜20mol/L程度であることが好ましく、0.01〜4mol/L
程度であることがより好ましい。
The hydroxide concentration is preferably about 0.0001 to 20 mol / L, and 0.01 to 4 mol / L.
More preferably, it is about.

上記したイオン性水素化物と水酸化物を含む溶液を、アノード側電極と接触させることによって、アノード側電極表面において溶液中に存在する水素化物イオンの酸化反応が進行する。これにより、水素化物イオンの酸化生成物と水が生じる。例えば、水素化物としてLiBH4を用いる場合には、下記の反応によって、アノード反応が進行して、水素化物イ
オン:BH4 -が酸化される。
By bringing the solution containing the ionic hydride and hydroxide into contact with the anode side electrode, an oxidation reaction of hydride ions existing in the solution proceeds on the surface of the anode side electrode. This produces an oxidation product of hydride ions and water. For example, when LiBH 4 is used as a hydride, the anodic reaction proceeds by the following reaction, and hydride ions: BH 4 are oxidized.

アノード反応:LiBH4 + 8LiOH → LiBO2 + 6H2O + 8Li+ + 8e-
アノード反応の反応温度については特に限定的ではなく、通常は、室温で反応を進行させることができる。
Anode reaction: LiBH 4 + 8LiOH → LiBO 2 + 6H 2 O + 8Li + + 8e -
The reaction temperature of the anodic reaction is not particularly limited, and the reaction can usually proceed at room temperature.

アノード側電極2の種類については、特に制限されないが、例えば、担体に触媒が担持されている多孔質電極を用いることができる。   The type of the anode side electrode 2 is not particularly limited. For example, a porous electrode in which a catalyst is supported on a support can be used.

触媒としては、特に制限されないが、例えば遷移金属を用いることができ、具体例とし
ては、Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au等の第4又は5周期の8〜11族金属を挙げることが
できる。特に、Pt黒, Au粉末等が好ましい。
Although it does not restrict | limit especially as a catalyst, For example, a transition metal can be used, for example, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au, etc. Mention may be made of metals. In particular, Pt black, Au powder and the like are preferable.

担体としては、例えば、カーボンなどの導電性多孔質担体を用いることができる。   As the carrier, for example, a conductive porous carrier such as carbon can be used.

上記した触媒を、公知の方法で担体に担持させることによって、アノード側電極2を得ることができる。担体上への触媒の担持量は、例えば、0.1〜5.0mg/cm程度とすることができ、0.1〜3.0mg/cm程度とすることが好ましい。 The anode side electrode 2 can be obtained by supporting the above-described catalyst on a carrier by a known method. Amount of catalyst supported on the carrier, for example, be a 0.1 to 5.0 mg / cm 2 or so, it is preferable to 0.1-3.0 mg / cm 2 or so.

また、アノード側電極2では、触媒を担体に担持させることなく、直接、カチオン交換型電解質膜4の表面に触媒層を形成してもよい。その場合には、アノード側電極2と電解質膜4が一体的に積層形成された膜−電極接合体として用いることができる。   In the anode side electrode 2, the catalyst layer may be directly formed on the surface of the cation exchange electrolyte membrane 4 without supporting the catalyst on the carrier. In that case, it can be used as a membrane-electrode assembly in which the anode-side electrode 2 and the electrolyte membrane 4 are integrally laminated.

このような膜−電極接合体は、上記した触媒の粉末と電解質溶液とを混合分散して、その溶液の粘度を適量の有機溶媒を配合することにより調整した後、この溶液を、例えば、スプレーコートなどの公知のコーティング方法によって電解質膜4の表面に塗布し、乾燥後、ホットプレスして、触媒を電解質膜4の表面に定着させることにより形成することができる。   Such a membrane-electrode assembly is prepared by mixing and dispersing the above-described catalyst powder and an electrolyte solution, adjusting the viscosity of the solution by blending an appropriate amount of an organic solvent, and then, for example, spraying the solution. It can be formed by applying to the surface of the electrolyte membrane 4 by a known coating method such as coating, drying, hot pressing, and fixing the catalyst on the surface of the electrolyte membrane 4.

また、このような膜−電極接合体は、電解質膜4の表面に、上記した触媒金属を無電解めっきにより形成することによって得ることもできる。   Such a membrane-electrode assembly can also be obtained by forming the above-described catalyst metal on the surface of the electrolyte membrane 4 by electroless plating.

なお、電解質膜4の表面に直接積層(担持)される触媒の担持量は、上記と同様に、0.1〜5.0mg/cm、好ましくは、0.1〜3.0mg/cmである。 Incidentally, the amount of supported catalyst directly stacked (supported) on the surface of the electrolyte membrane 4, in the same manner as mentioned above, 0.1 to 5.0 mg / cm 2, preferably, 0.1-3.0 mg / cm 2 It is.

アノード反応によって生じたカチオン成分は、カチオン交換型電解質膜4を通過してカソード側電極部に移動し、同時に、アノード反応によって生じた電子が外部回路5を通過してカソード側電極3に供給されて、カソード側電極3の表面において水素発生を含むカソード反応が生じる。例えば、LiBH4及びLiOHを含む溶液を原料溶液として用いた場合に
は、アノード反応によって生じたリチウムカチオンLi+がカチオン交換型電解質膜を通過
し、電子が外部回路5を移動して、カソード側電極表面において下記のカソード反応が進行して水素が発生する。
The cation component generated by the anode reaction passes through the cation exchange type electrolyte membrane 4 and moves to the cathode side electrode portion. At the same time, the electrons generated by the anode reaction pass through the external circuit 5 and are supplied to the cathode side electrode 3. Thus, a cathode reaction including hydrogen generation occurs on the surface of the cathode side electrode 3. For example, when a solution containing LiBH 4 and LiOH is used as a raw material solution, lithium cations Li + generated by the anodic reaction pass through the cation exchange type electrolyte membrane, electrons move through the external circuit 5, and the cathode side The following cathode reaction proceeds on the electrode surface to generate hydrogen.

カソード反応:8H2O + 8Li+ + 8e- → 8LiOH + 4H2
この場合、上記したアノード反応と合わせた全反応は、下記の通りになる。
The cathodic reaction: 8H 2 O + 8Li + + 8e - → 8LiOH + 4H 2
In this case, the total reaction combined with the anode reaction described above is as follows.

全反応: LiBH4 + 2H2O → LiBO2 + 4H2
以上の方法によれば、イオン性水素化物のみならず、水に含まれる水素原子から水素が得られるため、非常に高い効率で水素を得ることができる。
Total reaction: LiBH 4 + 2H 2 O → LiBO 2 + 4H 2
According to the above method, hydrogen can be obtained not only from ionic hydrides but also from hydrogen atoms contained in water, so that hydrogen can be obtained with very high efficiency.

カソード反応の反応温度については特に限定的ではなく、通常は、室温で反応を進行させることができる。   The reaction temperature of the cathode reaction is not particularly limited, and the reaction can usually proceed at room temperature.

カソード側電極3は、特に制限されないが、例えば、担体に触媒が担持されている多孔質電極を用いることができる。   The cathode side electrode 3 is not particularly limited. For example, a porous electrode in which a catalyst is supported on a carrier can be used.

このカソード側電極3は、例えば、電解質膜4の他方の面と接触するようにアノード側電極2に対向状に設けられる。また、カソード側電極3は、上記と同様に、触媒を担体に担持させることなく、直接、電解質膜4の表面に積層形成してもよい。その場合には、カソード側電極3が電解質膜4と一体的に積層形成された膜−電極接合体として用いられ、
上記したアノード側電極2と同様の方法によって、アノード側電極2と同時に、またはそれとは別途に、積層形成することができる。
The cathode side electrode 3 is provided, for example, opposite to the anode side electrode 2 so as to be in contact with the other surface of the electrolyte membrane 4. Further, the cathode side electrode 3 may be laminated on the surface of the electrolyte membrane 4 directly without supporting the catalyst on the carrier in the same manner as described above. In that case, the cathode-side electrode 3 is used as a membrane-electrode assembly in which the electrolyte membrane 4 is integrally laminated.
By the same method as that for the anode-side electrode 2 described above, it is possible to form a laminate simultaneously with or separately from the anode-side electrode 2.

カソード側電極3で用いる触媒としては、水の還元による水素発生反応に対して活性を有する触媒であればよく、例えば、Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au等の第4又は5周期の8〜11族金属を挙げることができ、特にPt黒が好ましい。   The catalyst used in the cathode side electrode 3 may be any catalyst that has activity for the hydrogen generation reaction due to the reduction of water. For example, a fourth catalyst such as Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, or Au may be used. Or 5 period group 8-11 metal can be mentioned, Pt black is especially preferable.

カソード側電極3における触媒の担持量は、例えば、0.1〜5.0mg/cm程度とすることができ、0.1〜3.0mg/cm程度とすることが好ましい。 Amount of catalyst supported in the cathode 3 is, for example, be a 0.1 to 5.0 mg / cm 2 or so, it is preferable to 0.1-3.0 mg / cm 2 or so.

カソード側電極3では、例えば、カソード側原料入口8より水を供給することによって、上記したカソード反応を進行させることができる。この場合、直接水を供給してもよく、或いは、加湿された不活性気体を供給しても良い。また、カソード側原料入口8から水を供給しない場合にも、アノード用原料に含まれる水やアノード反応により生じた水が、カチオン交換型電解質膜を移動してカソード側電極3まで達し、上記したカソード反応を進行させることができる。カソード側電極3の表面で発生した水素は、例えば、カソード側電極部に設置した水素取り出し口9から回収される。また、カソード側電極3で生じた水酸化物はアノード側の原料溶液に混合し、再びアノード反応に用いることができる。これにより外部から新たに水酸化物を供給することなく反応を進行させることが可能となる。   In the cathode side electrode 3, for example, by supplying water from the cathode side raw material inlet 8, the above-described cathode reaction can proceed. In this case, water may be supplied directly, or a humidified inert gas may be supplied. Even when water is not supplied from the cathode side raw material inlet 8, the water contained in the anode raw material or the water generated by the anode reaction moves to the cathode side electrode 3 by moving through the cation exchange type electrolyte membrane. Cathode reaction can proceed. Hydrogen generated on the surface of the cathode side electrode 3 is recovered from, for example, a hydrogen outlet 9 installed in the cathode side electrode portion. Further, the hydroxide generated at the cathode side electrode 3 can be mixed with the raw material solution on the anode side and used again for the anode reaction. This makes it possible to proceed the reaction without supplying new hydroxide from the outside.

上記したアノード側電極2とカソード側電極3との間に配置するカチオン交換型電解質膜4としては、例えば、イオン性水素化物から解離したカチオンを通過させることができるカチオン交換型の固体高分子電解質膜を用いることができる。この様な固体高分子電解質膜の具体例としては、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜、パーフルオロカーボンカルボン酸膜等のフッ素系イオン交換膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、ポリスチレンスルフォン酸膜、スルフォン酸化スチレン・ビニルベンゼン共重合体膜等を挙げることができる。これらの内で、特に、Nafion等の商標名で市販されているパーフルオロカーボンスルホン酸膜が好ましい。   As the cation exchange type electrolyte membrane 4 disposed between the anode side electrode 2 and the cathode side electrode 3 described above, for example, a cation exchange type solid polymer electrolyte capable of passing a cation dissociated from an ionic hydride can be used. A membrane can be used. Specific examples of such a solid polymer electrolyte membrane include fluorine-based ion exchange membranes such as a perfluorocarbon sulfonic acid membrane and a perfluorocarbon carboxylic acid membrane, a polybenzimidazole membrane impregnated with phosphoric acid, a polystyrene sulfonic acid membrane, and a sulfone. Examples thereof include a styrene oxide / vinylbenzene copolymer film. Among these, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane marketed under a trade name such as Nafion is particularly preferable.

外部回路5としては、特に制限されず、アノード側電極2とカソード側電極3とを電気的に接続できるものであればよく、例えば、この水素発生装置1において生じる起電力が大きければ、その他の外部装置の電源として構成してもよく、あるいは、小さければ、これらを直結するショート回路として最大限の水素を発生する構成としてもよい。   The external circuit 5 is not particularly limited as long as it can electrically connect the anode side electrode 2 and the cathode side electrode 3. For example, if the electromotive force generated in the hydrogen generator 1 is large, It may be configured as a power source for an external device, or if it is small, it may be configured to generate a maximum amount of hydrogen as a short circuit directly connecting them.

上記した水素発生装置1では、更に、アノード側電極2の外側にアノード側原料入口6、アノード側出口7等を設けることができ、カソード側電極3の外側には、カソード側原料入口8、発生水素排出口9等を設けることができる。また、アノード側電極2の外側には、該アノード側電極2に接触した状態で集電体を設けることができ、カソード側電極3の外側には、該カソード側電極に接触した状態でガス拡散層付き集電体等を設けることができる。これらの各部材を含む水素発生装置の構造は、公知の水素発生装置と同様でよく、例えば、特開2005−71645号公報に記載されている水素発生装置と同様の構造とすることができる。   In the hydrogen generator 1 described above, an anode-side raw material inlet 6 and an anode-side outlet 7 can be further provided outside the anode-side electrode 2, and a cathode-side raw material inlet 8 is generated outside the cathode-side electrode 3. A hydrogen discharge port 9 or the like can be provided. Further, a current collector can be provided outside the anode side electrode 2 in contact with the anode side electrode 2, and gas diffusion can be performed outside the cathode side electrode 3 in contact with the cathode side electrode 3. A layered current collector or the like can be provided. The structure of the hydrogen generator including these members may be the same as that of a known hydrogen generator. For example, the structure of the hydrogen generator described in JP-A-2005-71645 can be used.

上記した水素発生装置を用いて発生した水素の用途については特に限定はないが、例えば、燃料電池の燃料等として用いることができる。この場合には、例えば、上記した水素排出口9を水素供給ラインに接合して、発生した水素を燃料電池に供給すればよい。   Although there is no limitation in particular about the use of the hydrogen generated using the above-mentioned hydrogen generator, for example, it can be used as a fuel of a fuel cell. In this case, for example, the hydrogen discharge port 9 described above may be joined to a hydrogen supply line, and the generated hydrogen may be supplied to the fuel cell.

本発明の水素発生方法によれば、次の様な顕著な効果が奏される。   According to the hydrogen generation method of the present invention, the following remarkable effects are exhibited.

(1)原料とするイオン性水素化物の自発的な反応によってアノード反応が進行する。このため、外部電源が不要であり、装置構成を単純化できる。   (1) The anode reaction proceeds by the spontaneous reaction of the ionic hydride used as a raw material. For this reason, an external power supply is unnecessary, and the apparatus configuration can be simplified.

また、水素発生装置における外部回路の開閉によって、水素発生反応を容易に制御できる。   Further, the hydrogen generation reaction can be easily controlled by opening and closing an external circuit in the hydrogen generator.

(2)原料とするイオン性水素化物の分解の他に、水の分解によっても水素が発生する。このため、高い効率で水素を得ることができる。また、水素発生と同時に電気エネルギーを取得できるので、原料とするイオン性水素化物から、高いエネルギー変換効率で化学エネルギーと電気エネルギーを得ることができる。   (2) Hydrogen is generated not only by decomposition of the ionic hydride used as a raw material but also by decomposition of water. For this reason, hydrogen can be obtained with high efficiency. Moreover, since electrical energy can be acquired simultaneously with hydrogen generation, chemical energy and electrical energy can be obtained with high energy conversion efficiency from an ionic hydride used as a raw material.

(3)イオン性水素化物を含む溶液を原料として用いるので、原料の供給が容易であり、水素発生を連続的に行うことができる。   (3) Since a solution containing an ionic hydride is used as a raw material, it is easy to supply the raw material and hydrogen can be generated continuously.

(4)アノード反応する水素化物イオンはアニオンであり、カチオン交換型電解質膜を透過することが原理的に不可能である。このため、水素化物イオンがクロスオーバーせず、カソード側での水素発生反応を阻害することなく、優れた反応性を維持できる。   (4) The hydride ion that undergoes an anodic reaction is an anion, and it is in principle impossible to permeate the cation exchange electrolyte membrane. For this reason, hydride ions do not cross over, and excellent reactivity can be maintained without inhibiting the hydrogen generation reaction on the cathode side.

(5)イオン性水素化物として、特に、LiBH4を用いる場合には、常温常圧で固体であ
るために、長期間安全に保管することが可能であり、必要に応じて液体化することができる。さらに融点が高い上に380℃迄分解せず安定であるため取り扱いが容易である。
(5) Especially when LiBH 4 is used as the ionic hydride, it can be stored safely for a long time because it is solid at normal temperature and pressure, and it can be liquefied as necessary. it can. Furthermore, it is easy to handle because it has a high melting point and is stable without being decomposed up to 380 ° C.

また、LiBH4等のアルカリ金属水素化物を原料とする場合には、ヒドラジンやギ酸等を
用いる場合と比べて起電力が高く、その高い駆動力を利用することで同条件の電圧下で作動させた場合、電流値が大きくなり、結果として水素発生量が増大する。また、アノード反応での生成物はホウ酸イオンであり、副反応での生成物は主に水素であることから、これらが電極表面を被覆して反応性を低下させるという問題も少ない。
Also, when alkali metal hydrides such as LiBH 4 are used as raw materials, the electromotive force is higher than when hydrazine, formic acid, etc. are used, and the high driving force is used to operate the same voltage. In this case, the current value increases, resulting in an increase in the amount of hydrogen generated. Further, since the product in the anodic reaction is borate ion and the product in the side reaction is mainly hydrogen, there is little problem that they cover the electrode surface and reduce the reactivity.

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

実施例1
1)膜−電極接合体の作製
カチオン交換型パーフルオロ系固体高分子電解質膜(Nafion117(登録商標)、厚さ183μm、デュポン社製)からなるカチオン交換型電解質膜4の両側に、Ptを
触媒として含むアノード側電極2とPtを触媒として含むカソード側電極3をホットプレスによりそれぞれ接合して、膜―電極接合体を作製した。
Example 1
1) Production of membrane-electrode assembly Pt was catalyzed on both sides of a cation exchange type electrolyte membrane 4 comprising a cation exchange type perfluoro solid polymer electrolyte membrane (Nafion 117 (registered trademark), thickness 183 μm, manufactured by DuPont). The anode side electrode 2 containing as a catalyst and the cathode side electrode 3 containing Pt as a catalyst were joined together by hot pressing to produce a membrane-electrode assembly.

Ptの担持量は、両面ともに2.4mg/cmであった。なお、得られた膜−電極接
合体は、円形をなし、その電極面積は10cmであった。
The amount of Pt supported was 2.4 mg / cm 2 on both sides. The obtained membrane-electrode assembly had a circular shape, and the electrode area was 10 cm 2 .

2)水素発生装置の作製
アノード側原料入口6、アノード側出口7、カソード側原料入口8、水素取り出し口9が予めセットされている試験用のセルに、上記1)工程で作製した膜−電極接合体と、チタンファイバーの焼結体からなる集電体と、撥水性カーボン層を塗布したカーボンクロスからなるガス拡散層付き集電体を挟み込むことにより、水素発生装置1を作製した。
2) Production of hydrogen generator Membrane-electrode produced in step 1) above in a test cell in which anode-side raw material inlet 6, anode-side outlet 7, cathode-side raw material inlet 8, and hydrogen take-out port 9 were previously set. A hydrogen generator 1 was produced by sandwiching a joined body, a current collector made of a sintered titanium fiber, and a current collector with a gas diffusion layer made of carbon cloth coated with a water repellent carbon layer.

3)水素発生量と発生電圧の測定
アノード側原料入口6からは、水素化ホウ素リチウム(LiBH4)と水酸化リチウム(LiO
H)を夫々1モル/Lになるように溶解した水溶液を6mL/分で流通させ、カソード側
原料入口8からは、水を6mL/分で流通させた。外部回路5として、電流を調節するためのガルバノスタット(SI 1280B型、Solartron社製)を接続し、このガルバノスタット
によって電流を調節しながら発生電圧を測定するとともに、カソードにおいて発生した水素を、容量法で測定することにより、水素発生量を測定した。この実験は、室温で行った。結果を図2に示す。
3) Measurement of hydrogen generation amount and generation voltage From the anode side raw material inlet 6, lithium borohydride (LiBH 4 ) and lithium hydroxide (LiO)
An aqueous solution in which H) was dissolved to 1 mol / L was circulated at 6 mL / min, and water was circulated at 6 mL / min from the cathode side raw material inlet 8. As an external circuit 5, a galvanostat (SI 1280B type, manufactured by Solartron) for adjusting the current is connected, and the generated voltage is measured while adjusting the current with this galvanostat, and the hydrogen generated at the cathode The amount of hydrogen generation was measured by measuring by the method. This experiment was performed at room temperature. The results are shown in FIG.

実施例2
実施例1と同様の構造の水素発生装置を使用して、イオン性水素化物としてLiBH4に代
えてNaBH4を用い、水酸化物としてLiOHに代えてNaOHを用いること以外は、実施例1と同
様にして水素発生試験を行い、水素発生量と発生電圧を測定した。結果を図3に示す。
Example 2
Example 1 with the exception of using NaBH 4 instead of LiBH 4 as the ionic hydride and NaOH instead of LiOH as the hydride using a hydrogen generator having the same structure as in Example 1. Similarly, a hydrogen generation test was performed, and the hydrogen generation amount and the generation voltage were measured. The results are shown in FIG.

実施例3
実施例1と同様の構造の水素発生装置を使用して、イオン性水素化物としてLiBH4に代
えてKBH4を用い、水酸化物としてLiOHに代えてKOHを用いること以外は、実施例1と同様
にして水素発生試験を行い、水素発生量と発生電圧を測定した。結果を図4に示す。
Example 3
Example 1 with the exception of using a hydrogen generator having the same structure as in Example 1 and using KBH 4 instead of LiBH 4 as the ionic hydride and KOH instead of LiOH as the hydroxide. Similarly, a hydrogen generation test was performed, and the hydrogen generation amount and the generation voltage were measured. The results are shown in FIG.

実施例4
アノード触媒としてPtに代えてAuを用いること以外は、実施例1と同様にして水素発生装置を作製し、水素発生量と発生電圧を測定した。結果を図5に示す。
Example 4
A hydrogen generator was prepared in the same manner as in Example 1 except that Au was used instead of Pt as the anode catalyst, and the hydrogen generation amount and the generated voltage were measured. The results are shown in FIG.

図2〜図5から明らかなように、実施例1〜4で行った水素発生実験では、閉回路時に0.1V以上の起電力が発生し、電流密度の増加に従って水素発生量(実線)が増加する一方、発生電圧(点線)が低下して、その発生電圧がゼロになったときに、自発的に得られる最大電流値(=最大水素発生量)が観測された。   As apparent from FIGS. 2 to 5, in the hydrogen generation experiments performed in Examples 1 to 4, an electromotive force of 0.1 V or more was generated in the closed circuit, and the hydrogen generation amount (solid line) was increased as the current density increased. On the other hand, when the generated voltage (dotted line) decreased and the generated voltage became zero, the maximum current value (= maximum hydrogen generation amount) obtained spontaneously was observed.

これらの結果から、本発明の水素発生方法によれば、水素化ホウ素リチウム(LiBH4
水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)水素化ホウ素カリウム(KBH4)等のイオン性水素化物
を原料として、自発的な反応により、水素と電気エネルギーを取得することが可能であり、しかも、外部回路の抵抗値などを調整することによって、水素発生量を容易に制御できることが確認できた。
From these results, according to the hydrogen generation method of the present invention, lithium borohydride (LiBH 4 )
Using ionic hydrides such as sodium borohydride (NaBH 4 ) and potassium borohydride (KBH 4 ) as raw materials, it is possible to acquire hydrogen and electrical energy through spontaneous reaction, It was confirmed that the hydrogen generation amount can be easily controlled by adjusting the resistance value and the like.

本発明の水素発生装置の一実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the hydrogen generator of this invention. 実施例1で行った水素発生試験における電流密度、発生電圧および水素発生量の関係を示す相間図である。FIG. 4 is an interphase diagram showing the relationship between current density, generated voltage, and hydrogen generation amount in a hydrogen generation test performed in Example 1. 実施例2で行った水素発生試験における電流密度、発生電圧および水素発生量の関係を示す相間図である。FIG. 4 is an interphase diagram showing the relationship between current density, generated voltage, and hydrogen generation amount in a hydrogen generation test performed in Example 2. 実施例3で行った水素発生試験における電流密度、発生電圧および水素発生量の関係を示す相間図である。FIG. 5 is an interphase diagram showing the relationship between current density, generated voltage, and hydrogen generation amount in a hydrogen generation test performed in Example 3. 実施例4で行った水素発生試験における電流密度、発生電圧および水素発生量の関係を示す相間図である。It is an interphase figure which shows the relationship between the current density in the hydrogen generation test done in Example 4, the generated voltage, and the amount of hydrogen generation.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素発生装置
2 アノード側電極
3 カソード側電極
4 カチオン交換型電解質膜
5 外部回路
6 アノード側原料入口
7 アノード側出口
8 カソード側原料入口
9 水素取り出し口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen generator 2 Anode side electrode 3 Cathode side electrode 4 Cation exchange type electrolyte membrane 5 External circuit 6 Anode side raw material inlet 7 Anode side outlet 8 Cathode side raw material inlet 9 Hydrogen extraction port

Claims (5)

イオン性水素化物と水酸化物を含有する溶液における水素化物イオンの酸化反応を含むアノード反応と、
水素発生反応を含むカソード反応を、
カチオン交換型電解質膜を介して自発的に生じさせることを特徴とする、水素発生方法。
An anodic reaction comprising an oxidation reaction of hydride ions in a solution containing ionic hydride and hydroxide;
Cathode reactions including hydrogen evolution reactions
A method for generating hydrogen, which is generated spontaneously through a cation exchange electrolyte membrane.
イオン性水素化物が、一般式:X(YH4-nZn)(式中、Xは、アルカリ金属、NH4、又はM1/2(式中、Mはアルカリ土類金属である)であり、YはB, Al 又はGaであり、Zはハロゲン原子又は一価の炭化水素基であり、nは0〜3の整数である)で表される化合物であり、水酸化物が、一般式:AOH(式中、Aは、アルカリ金属、NH4、又はM1/2(式中、Mはアルカリ
土類金属である)である)で表される化合物である、請求項1に記載の水素発生方法。
The ionic hydride is represented by the general formula: X (YH 4-n Z n ) ( where X is an alkali metal, NH 4 , or M 1/2 , where M is an alkaline earth metal). Y is B, Al or Ga, Z is a halogen atom or a monovalent hydrocarbon group, and n is an integer of 0 to 3, and a hydroxide is generally used. The compound represented by the formula: AOH (wherein A is an alkali metal, NH 4 , or M 1/2 (wherein M is an alkaline earth metal)). Hydrogen generation method.
イオン性水素化物が、LiBH4, NaBH4及びKBH4からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、水酸化物がLiOH, NaOH及びKOHからなる群から選ばれた少なくとも一種である、請求
項1又は2に記載の水素発生方法。
The ionic hydride is at least one selected from the group consisting of LiBH 4 , NaBH 4 and KBH 4 , and the hydroxide is at least one selected from the group consisting of LiOH, NaOH and KOH. Or the hydrogen generating method of 2.
カチオン交換型電解質膜がカチオン交換型固体高分子電解質膜である、請求項1〜3のいずれかに記載の水素発生方法。 The method for generating hydrogen according to claim 1, wherein the cation exchange type electrolyte membrane is a cation exchange type solid polymer electrolyte membrane. イオン性水素化物と水酸化物を含む溶液が供給されるアノード側電極部と、
該アノード側電極部と対向配置され、水素を発生させるカソード側電極部と、
該アノード側電極部と該カソード側電極部の間に配置されたカチオン交換型電解質とを備えていることを特徴とする水素発生装置。
An anode side electrode part to which a solution containing an ionic hydride and a hydroxide is supplied;
A cathode side electrode part disposed opposite to the anode side electrode part and generating hydrogen;
A hydrogen generating apparatus comprising: a cation exchange electrolyte disposed between the anode side electrode part and the cathode side electrode part.
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