JP2011521104A - Process for producing CXHYOZ type compounds by reduction of carbon dioxide (CO2) and / or carbon monoxide (CO) - Google Patents
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Abstract
本発明は、蒸気下でプロトン化種をこの膜に導入することができる材料から製造されたプロトン伝導膜(31)を備える電解槽(30)の陽極室(32)中に加圧下で導入された蒸気を電解するための方法であって、蒸気の形態で注入された水が陽極(32)において酸化されて前記膜に、この同じ膜内で移動し、二酸化炭素および/または一酸化炭素を還元しうる反応性水素原子の形態の、陰極(33)の表面において還元されるプロトン化種を発生させる方法に関し、前記方法が、以下の工程:電解槽(30)の陰極室(33)中に加圧下でCO2および/またはCOを注入する工程と、発生された前記反応性水素原子によって、陰極室(33)中に注入されたCO2および/またはCOを還元し、その結果、CO2および/またはCOがCxHyOzタイプの化合物(x≧1であり、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)を形成する工程とを含む。The present invention is introduced under pressure into an anode chamber (32) of an electrolytic cell (30) comprising a proton conducting membrane (31) made from a material capable of introducing protonated species into this membrane under steam. Water injected in the form of steam is oxidized at the anode (32) and migrates to said membrane within this same membrane, and carbon dioxide and / or carbon monoxide is obtained. Regarding the method of generating protonated species that are reduced at the surface of the cathode (33) in the form of reducible reactive hydrogen atoms, said method comprises the following steps: in the cathode chamber (33) of the electrolytic cell (30) Injecting CO 2 and / or CO under pressure into the cathode chamber, and reducing the CO 2 and / or CO injected into the cathode chamber (33) by the generated reactive hydrogen atoms. 2 and / or CO is x H y O z type compounds (a x ≧ 1, y is 0 to 2x + 2, z is a is 0 to 2x) and forming.
Description
本発明は、特に水の電解によって発生した非常に反応性の水素種から、二酸化炭素(CO2)および/または一酸化炭素(CO)の還元によってCxHyOzタイプの化合物(特にx≧1、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)を製造するための方法に関する。 The present invention is especially highly reactive hydrogen species generated by electrolysis of water, carbon dioxide (CO 2) and / or C x H y O z type compounds by reduction of the carbon monoxide (CO) (especially x ≧ 1, y is 0 to 2x + 2, and z is 0 to 2x).
現在、セラミック伝導膜は、それらの性能を向上させる多くの研究の主題であり、これらの膜は、とりわけ、次の分野において特に興味深い用途がある。すなわち:
− 水素を製造するための高温での水の電解
− CxHyOzタイプの化合物(x≧1であり、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)を得るための電気化学的水素化によ炭素含有ガス(CO2、CO)の処理。
At present, ceramic conductive membranes are the subject of much research to improve their performance, and these membranes have particularly interesting applications, especially in the following areas. Ie:
- electrolysis of water at a high temperature for producing hydrogen - C x H y O z type compounds (a x ≧ 1, y is 0 to 2x + 2, z is a is 0 to 2x) to obtain Treatment of carbon-containing gases (CO 2 , CO) by electrochemical hydrogenation.
現在、水素(H2)は、非常に興味深いエネルギーキャリアであると思われ、他の物質のなかで、石油、油および潤滑剤を処理するためにますます重要性をもつと考えられ、結局、有利には、その埋蔵量が今後数十年の間に急激に減少するであろう石油および化石エネルギーの代わりに用いられてもよい。しかしながら、この見地から、製造方法を発展させることが必要である。 Currently, hydrogen (H 2 ) appears to be a very interesting energy carrier and is considered to be increasingly important for treating petroleum, oils and lubricants among other materials, eventually Advantageously, its reserves may be used in place of petroleum and fossil energy that will decline sharply over the coming decades. However, from this standpoint, it is necessary to develop manufacturing methods.
明らかに、多くの水素の製造方法が様々なソースに記載されているが、多数のこれらの方法は、水素の大規模工業生産に適していないことがわかっている。 Obviously, many hydrogen production methods have been described in various sources, but many of these methods have been found to be unsuitable for large-scale industrial production of hydrogen.
この場合、例えば、炭化水素の水蒸気改質により水素を合成することが挙げられる。この合成経路の主な問題の一つは、それが副産物としてかなりの量のCO2タイプの温室効果ガスを生じるということである。実際、1トンの水素を生じるのに8〜10トンのCO2を放出する。 In this case, for example, hydrogen is synthesized by steam reforming of hydrocarbon. One of the main problems with this synthesis route is that it produces a significant amount of CO 2 type greenhouse gases as a by-product. In fact, it produces 8 to 10 tons of CO 2 to produce 1 ton of hydrogen.
したがって、次の2つが今後の課題として残されている。すなわち、水素など、我々の環境に危険を及ぼさずに有用である新規なエネルギーキャリアを探すことと、二酸化炭素の量を低減することである。 Therefore, the following two remain as future issues. That is, to look for new energy carriers that are useful without harming our environment, such as hydrogen, and to reduce the amount of carbon dioxide.
工業方法の技術的、経済的評価は現在、後者のデータを考慮する。しかしながら、それは本質的に、古い油層に必ずしも対応しない亀裂内の隔離、特に地下隔離であり、結局、危険を伴わざるをえない。 The technical and economic evaluation of industrial methods now considers the latter data. However, it is essentially a sequestration within a crack that does not necessarily correspond to an old oil reservoir, in particular an underground sequestration, and eventually it can be dangerous.
化学分野においてまたはエネルギー製造分野において有用な化合物の形態でこの二酸化炭素を再循環させることが賢明であると思われる。この変換に必要なエネルギーは、例えば、原子力からの電気、特に、HTR「高温原子炉」タイプの原子炉あるいはEPR(登録商標)欧州加圧水炉などの原子炉からの電気である。 It seems advisable to recycle this carbon dioxide in the form of compounds useful in the chemical field or in the energy production field. The energy required for this conversion is, for example, electricity from nuclear power, in particular from nuclear reactors such as HTR “high temperature reactor” type reactors or EPR® European pressurized water reactors.
水素の工業的製造のための有望な経路は、例えば高温において(EHT)、中温、典型的に200℃超において、またはさらに200℃〜1000℃の中間温度においての蒸気電解として公知の技術である。 A promising route for the industrial production of hydrogen is for example the technique known as steam electrolysis at high temperatures (EHT), medium temperatures, typically above 200 ° C., or even intermediate temperatures between 200 ° C. and 1000 ° C. .
2つの蒸気電解製造方法が現在、知られている。 Two steam electrolysis production methods are currently known.
図1に示された第1の方法によって、O2-イオンを輸送することができかつ一般に750℃〜1000℃の温度で作用することができる電解質が利用される。 The first method shown in FIG. 1 utilizes an electrolyte capable of transporting O 2− ions and generally operating at temperatures between 750 ° C. and 1000 ° C.
より正確には、図1は、電解質が陽極3と陰極4とを分離するように機能することを確実にする、O2-イオンの導体であるセラミック膜2を含む電解槽1を図解的に示す。
More precisely, FIG. 1 schematically illustrates an
陽極3と陰極4との間に電位差を印加することによって、陰極4側のH2O蒸気が還元される。この還元は、反応:
O2-イオン、より正確には酸素空孔
したがって、電解槽1の出力から、第1の方法は、酸素−陽極室−および蒸気と混合された水素−陰極室−を発生させることができる。
Therefore, from the output of the
図2に示された第2の方法によって、プロトンを輸送することができかつ上に記載された第1の方法のために必要とされたよりも低い温度、一般に200℃〜800℃で作用することができる電解質が利用される。 The second method shown in FIG. 2 is capable of transporting protons and operates at a lower temperature, generally 200 ° C. to 800 ° C., than required for the first method described above. An electrolyte that can be used is used.
より正確には、この図2は、プロトン伝導セラミック膜11を含む電解槽10を図解的に示し、電解質が陽極12と陰極13とを分離するように機能するのを確実にする。
More precisely, this FIG. 2 schematically shows an
陽極12と陰極13との間に電位差を印加することによって、陽極側12のH2O蒸気が酸化される。したがって、陽極12に注入された蒸気が酸化されて酸素O2およびH+イオン(またはクレーガー=ビンクの表記法では
H+イオン(またはクレーガー=ビンクの表記法では
したがって、この方法は、電解槽10の出力から高純度水素−陰極室−および蒸気と混合された酸素−陽極室を提供する。
This method thus provides a high purity hydrogen-cathode chamber- and oxygen-anode chamber mixed with steam from the output of the
より正確には、H2の形成は、可変エネルギーおよび相互作用度によって陰極の表面において吸収された水素原子および/または水素原子ラジカル
)である中間化合物の形成を経る。これらの種が高反応性であるとき、それらは通常、式:
によって再結合して水素H2を形成する。
More precisely, the formation of H 2 is caused by hydrogen atoms and / or hydrogen atom radicals absorbed at the surface of the cathode by variable energy and degree of interaction.
本発明は、存在する二酸化炭素の量を、例えば、この二酸化炭素を化学分野においてまたはエネルギー製造分野において有用な化合物の形態で再循環させることによって低減することを目的とする。 The present invention aims to reduce the amount of carbon dioxide present, for example by recycling the carbon dioxide in the form of compounds useful in the chemical or energy production field.
この目的のために、本発明は、蒸気下でプロトン化種をこの膜に導入することができる材料から製造されたプロトン伝導膜を備える電解槽の陽極室中に加圧下で注入された水蒸気を電解するための方法であって、蒸気の形態で注入された水の酸化が陽極において行なわれて前記膜中に、この同じ膜内で移動し、二酸化炭素CO2および/または一酸化炭素COを還元しうる反応性水素原子の形態の、陰極の表面において還元されるプロトン化種を発生させる方法を提案し、前記方法が、以下の工程:
− 電解槽の陰極室中に加圧下でCO2および/またはCOを注入する工程と、
− 発生された前記反応性水素原子によって、前記陰極室中に注入された前記CO2および/またはCOを還元し、その結果、前記CO2および/または前記COがCxHyOzタイプの化合物(x≧1であり、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)を形成する工程と
を含む。
For this purpose, the present invention relates to water vapor injected under pressure into the anode chamber of an electrolytic cell comprising a proton conducting membrane made from a material capable of introducing protonated species into the membrane under steam. A method for electrolysis, wherein the oxidation of water injected in the form of a vapor is carried out at the anode and migrates into said membrane within this same membrane, so that carbon dioxide CO 2 and / or carbon monoxide CO is removed. Proposed is a method for generating protonated species that are reduced at the surface of the cathode in the form of reactive hydrogen atoms that can be reduced, said method comprising the following steps:
Injecting CO 2 and / or CO under pressure into the cathode chamber of the electrolytic cell;
The generated reactive hydrogen atoms reduce the CO 2 and / or CO injected into the cathode chamber so that the CO 2 and / or CO is of the C x Hy O z type Forming a compound (x ≧ 1, y is 0 to 2x + 2, and z is 0 to 2x).
上に説明したように、反応性水素原子は、可変エネルギーおよび相互作用度によって陰極の表面において吸収された水素原子および/または水素原子ラジカル
)を指すと理解される。
As explained above, reactive hydrogen atoms are hydrogen atoms and / or hydrogen atom radicals absorbed at the surface of the cathode by variable energy and degree of interaction.
本発明は、上に記載された第2の方法が電解槽の陰極において高反応性水素(特に電極の表面において吸収された水素原子および/または水素原子ラジカル)を発生させるという観察から得られる。 The present invention results from the observation that the second method described above generates highly reactive hydrogen (especially hydrogen atoms and / or hydrogen atom radicals absorbed at the surface of the electrode) at the cathode of the electrolytic cell.
これらの高反応性水素原子
は、反応:
によって陰極の表面において形成される。
These highly reactive hydrogen atoms
実際、陰極側にCO2および/またはCOが存在するときに、高反応性水素
が電極上の炭素化合物と反応して、CxHyOz(x≧1であり、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)タイプの還元された二酸化炭素および/または一酸化炭素化合物を生じる。
In fact, highly reactive hydrogen when CO 2 and / or CO is present on the cathode side
例として、これらの化合物は、パラフィンCnH2n+2、オレフィンC2nH2n、アルコールCnH2n+2OHまたはCnH2n-1OH、アルデヒドおよびケトンCnH2nO、酸Cn-1H2n+1COOH(n≧1)である。 By way of example, these compounds include paraffin C n H 2n + 2 , olefin C 2n H 2n , alcohol C n H 2n + 2 OH or C n H 2n-1 OH, aldehydes and ketones C n H 2n O, acid C n-1 H2n + 1 COOH (n ≧ 1).
したがって、本発明は、次に説明されるように二酸化炭素および/または一酸化炭素の総合電解還元によって蒸気を電解することができる。 Thus, the present invention is capable of electrolyzing steam by comprehensive electroreduction of carbon dioxide and / or carbon monoxide as will be described next.
また、本発明の方法は、個別にまたはすべての技術的に可能な組み合せによって考えられた、以下の特性の一つまたは複数を示す場合がある。
− この方法は、陰極に印加された電圧・電流ペアによって形成されたCxHyOzタイプの化合物の性質を制御する工程を含む。
− この方法は、酸素O2およびH2の拡散に対して不透過性であり蒸気圧力下で膜へのプロトン化種の注入を可能にするプロトン伝導膜を利用する工程を含む。
− この方法は、欠損型ペロブスカイト(perovskite vacancies)、不定比ペロブスカイトおよび/または一般式ABO3のドープトペロブスカイト、ホタル石、パイロクロアA2B2X7、アパタイトMe10(XO4)6Y2、オキシアパタイトMe10(XO4)6O2構造、ヒドロキシルアパタイトMe10(XO4)6(OH)2構造、シリケート、アルミノシリケート(フィロシリケートまたはゼオライト)構造、酸素酸でグラフトされたシリケートまたはホスフェートでグラフトされたシリケートのタイプのプロトン伝導膜を利用する工程を含む。
− この方法は、陰極によってまたは陽極によって支持された電解質を利用して、その機械的強度を増加させるためにその厚さを低減する工程を含む。
− この方法は、1バール以上で接合体の破断圧以下であり、後者が少なくとも100バール以上である蒸気の相対分圧を利用する工程を含む。
− 蒸気の相対分圧は有利には50バール以上である。
− CO2および/またはCOの相対圧力は1バール以上で接合体の破断圧以下であり、後者が少なくとも100バール以上である。
− 電解温度が200℃以上かつ800℃以下であり、有利には350℃〜650℃である。
− 多孔質構造の電極は、電子伝導およびイオン伝導混在のセラミック−金属材料または「セラミック」電極のどちらかであり、
− 陰極については、セラミック−金属材料は、分散された金属の性質が有利には、コバルト、銅、モリブデン、銀、鉄、亜鉛、貴金属(金、白金、パラジウム)および/または遷移元素などの金属が挙げられる金属およびまたは金属合金である、電解質と相溶性のセラミックであり、
− 陽極については、セラミック−金属材料は、分散された金属の性質が有利には金属合金または不動態化可能な金属である、電解質と相溶性のセラミックである。
In addition, the method of the present invention may exhibit one or more of the following characteristics, considered individually or in all technically possible combinations.
The method comprises the step of controlling the properties of a C x H y O z type compound formed by a voltage-current pair applied to the cathode;
The method comprises the step of utilizing a proton conducting membrane that is impermeable to the diffusion of oxygen O 2 and H 2 and allows the injection of protonated species into the membrane under vapor pressure.
-This method consists of defective perovskites, non-stoichiometric perovskites and / or doped perovskites of the general formula ABO 3 , fluorite, pyrochlore A 2 B 2 X 7 , apatite Me 10 (XO 4 ) 6 Y 2 , Oxyapatite Me 10 (XO 4 ) 6 O 2 structure, Hydroxyapatite Me 10 (XO 4 ) 6 (OH) 2 structure, silicate, aluminosilicate (phyllosilicate or zeolite) structure, silicate or phosphate grafted with oxyacid Using a grafted silicate type proton conducting membrane.
The method comprises the step of reducing its thickness in order to increase its mechanical strength by utilizing an electrolyte supported by or by the cathode.
The method comprises the step of utilizing the relative partial pressure of the vapor above 1 bar and below the breaking pressure of the joint, the latter being at least 100 bar and above.
The relative partial pressure of the steam is preferably greater than 50 bar;
The relative pressure of CO 2 and / or CO is 1 bar or more and below the breaking pressure of the joined body, the latter being at least 100 bar or more.
The electrolysis temperature is from 200 ° C. to 800 ° C., preferably from 350 ° C. to 650 ° C.
The porous structure electrode is a mixture of electronic and ionic conducting ceramic-metal materials or “ceramic” electrodes;
-For the cathode, the ceramic-metal material is preferably a metal such as cobalt, copper, molybdenum, silver, iron, zinc, noble metals (gold, platinum, palladium) and / or transition elements in the nature of the dispersed metal. A metal and / or metal alloy, which is a ceramic compatible with the electrolyte,
-For the anode, the ceramic-metal material is a ceramic compatible with the electrolyte, in which the properties of the dispersed metal are advantageously metal alloys or passivatable metals.
また、本発明は、酸化後に蒸気下でこの膜へのプロトン化種の注入を可能にする材料から製造されたプロトン伝導膜を備える電解槽の陽極室中に加圧下で導入された水蒸気を電解するための蒸気電解装置であって、
− 水圧の影響下で膜へのプロトン化種の注入を可能にする前記材料から製造されたイオン伝導膜の形態の電解質と、
− 陽極と、
− 陰極と、
− 電流を発生させて前記陽極と前記陰極との間に電位差を印加することができる発電機と
を含む蒸気電解装置に関し、それが、
− 前記陽極経由で前記電解質への加圧下での蒸気の導入のための手段と、
− 電解槽の陰極室中に加圧下でCO2および/またはCOを注入する手段と、
− 先行の実施形態の一つによる方法によって陰極室に導入されたCO2および/またはCOを還元する手段と
を含むことを特徴とする。
The present invention also electrolyzes water vapor introduced under pressure into the anode chamber of an electrolytic cell comprising a proton conducting membrane made from a material that allows the injection of protonated species into the membrane under steam after oxidation. A steam electrolysis device for
An electrolyte in the form of an ion-conducting membrane made from said material that allows the injection of protonated species into the membrane under the influence of water pressure;
-An anode;
-A cathode;
A steam electrolyzer comprising a generator capable of generating a current to apply a potential difference between the anode and the cathode, comprising:
-Means for introducing steam under pressure into the electrolyte via the anode;
-Means for injecting CO 2 and / or CO under pressure into the cathode chamber of the electrolytic cell;
- characterized in that the method according to one of the preceding embodiments and means for reducing the introduced CO 2 and / or CO in the cathode chamber.
また、本発明の装置は、個別にまたはすべての技術的に可能な組み合せによって考えられた、以下の特性の一つまたは複数を示すことがある。
− プロトン化種の注入を可能にする材料が、O2およびH2ガスに対して不透過性である。
− プロトン化種の注入を可能にする材料が、88%超、好ましくは少なくとも94%の高密度化レベルを有する。
− プロトン化種の注入を可能にする材料が、プロトン導体として作用する酸素欠損型ペロブスカイトなどの酸素原子欠損型酸化物である。この場合、酸素原子欠損型酸化物は、化学量論的間隔を示すことがあり、および/またはドープされてもよい。
The apparatus of the present invention may also exhibit one or more of the following characteristics, considered individually or in all technically possible combinations.
The material that allows the injection of protonated species is impermeable to O 2 and H 2 gases.
The material enabling the injection of protonated species has a densification level of more than 88%, preferably at least 94%.
The material enabling the implantation of protonated species is an oxygen atom deficient oxide such as an oxygen deficient perovskite which acts as a proton conductor. In this case, the oxygen atom deficient oxide may exhibit stoichiometric spacing and / or may be doped.
本発明の他の特性および利点は、添付した図を参照して以下の記載から明らかにされるが、説明のためであり限定目的ではない。 Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings, which are illustrative and not limiting.
図3は、本発明によるCO2および/またはCOの総合電解還元方法を実施する水素の製造のための電解装置の実施態様を図解的に簡単に示す。 FIG. 3 schematically shows an embodiment of an electrolyzer for the production of hydrogen for carrying out the overall electrolytic reduction process of CO 2 and / or CO according to the invention.
この電解装置は、図2の装置の構造と同様な構造を有する。したがって、それは、
− 陽極32と、
− 陰極33と、
− 電解質31と、
− 陽極32と陰極33との間の電位差を確実にする発電機34と、
− 蒸気の圧力pH2O下で陰極33経由で膜31への導入を可能にする手段35(蒸気の相対分圧は1バール以上で接合体の破断圧以下であり、この後者は少なくとも100バール以上である)と
を含む。
This electrolysis apparatus has a structure similar to that of the apparatus of FIG. Therefore it is
-An
A
-
A
Means 35 for allowing introduction into the
本発明によって、装置はまた、ガスの圧力(pCO2および/またはCO)下で陰極室33への導入を可能にする手段36を含む。
According to the invention, the apparatus also includes
蒸気の注入は、陽極32側で手段35によって行なわれ、他方、ガスCO2および/またはCOの注入は陰極33側で手段36によって行なわれる。
Steam injection is performed by
陽極32において、水は、(
これらのH+イオンが電解質31中を移動し、CO2および/またはCOタイプの炭素化合物が陰極33においてこれらのH+イオンと反応してCxHyOzタイプの化合物(x≧1であり、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)および水を陰極において形成する。
These H + ions move through the
特に、様々な反応の化学反応式を次にように書くことができる。
形成された化合物の性質は作業条件に依存するので、したがって、CxHyOzの全形成反応を
として記載することができる。
Since the nature of the compound formed depends on the working conditions, therefore, the total formation reaction of C x H y O z
陰極において合成されたCxHyOz化合物の性質は、例えば、下に記載されたようなガス圧力、作業温度T1および陰極に印加された電圧・電流ペアなどの多くの方法パラメータに依存する。 The nature of the C x H y O z compounds synthesized in the cathode, for example, depend on many process parameters such as gas pressure, voltage and current pairs applied to the working temperature T1 and a cathode as described below .
ガス圧力に関して、CO2および/またはCOの相対圧力は1バール以上で接合体の破断圧以下であり、後者が少なくとも100バール以上である。 Regarding the gas pressure, the relative pressure of CO 2 and / or CO is 1 bar or more and below the breaking pressure of the joint, the latter being at least 100 bar or more.
ここで相対圧力という用語は、大気圧に対する導入圧を意味することが指摘される。 Here, it is pointed out that the term relative pressure means the introduction pressure relative to the atmospheric pressure.
蒸気だけを含有するガス流または蒸気を部分的に含有するガス流のどちらかを使用できることが指摘される。したがって、場合により、用語「分圧」は、ガス流が蒸気だけ構成される場合にガス流の全圧を意味するか、または蒸気以外のガスを含む場合に蒸気の分圧を意味するかのどちらかである。 It is pointed out that either a gas stream containing only steam or a gas stream partially containing steam can be used. Thus, in some cases, the term “partial pressure” means the total pressure of a gas stream when the gas stream is composed solely of steam, or the partial pressure of the steam when it contains a gas other than steam. Either one.
さらに付言すると、陰極室または陽極室にかかった全圧は、他方の室の全圧に対する補償を受けることができ、2つの室の間に圧力差を有し、その耐破断性が非常に低い場合に膜、電極支持体接合体の破断を防ぐ。 In addition, the total pressure applied to the cathode chamber or the anode chamber can be compensated for the total pressure of the other chamber, has a pressure difference between the two chambers, and its fracture resistance is very low. In some cases, the membrane / electrode support assembly is prevented from breaking.
装置の作業温度T1に関して、これは、膜31のために利用された材料のタイプに依存する。いかなる場合でも、この温度は200℃超、一般に800℃未満、またはさらに600℃未満である。この作業温度は、H+プロトンによって確実にされた伝導に相応する。
With respect to the working temperature T1 of the device, this depends on the type of material utilized for the
また、装置の作業温度T1は、生じさせたいCxHyOz炭素化合物の性質によって、200〜800℃の範囲内である。 The working temperature T1 of the apparatus is in the range of 200 to 800 ° C. depending on the properties of the C x H y O z carbon compound to be generated.
実際、メタン、メタノール、ホルムアルデヒド、カルボン酸(ギ酸等)および長鎖を有する他の化合物などの多種多様な化合物を得ることができ、それらは合成燃料を形成することもできる。 Indeed, a wide variety of compounds can be obtained, such as methane, methanol, formaldehyde, carboxylic acids (such as formic acid) and other compounds with long chains, which can also form synthetic fuels.
例えば、陰極において以下の反応を有することができる。
陰極に印加された電圧・電流ペアに関して、形成された炭素化合物の性質もまた、この電圧に依存するということに留意しなければならない。実際、以下の図式に示されるように、陰極媒体がより還元性が高くなると(酸化還元電位Eが低い)、発生した炭素化合物はより水素化される(Rは例えばアルキル基である)。
これらの反応の有利な実施態様については、多数の三接触点、すなわち、イオン伝導体、電子伝導体および気相の間の点または接触面を示す電極を有することが必要である。 For advantageous embodiments of these reactions, it is necessary to have an electrode that exhibits a number of three contact points, ie, points or contact surfaces between the ionic conductor, the electronic conductor and the gas phase.
例えば、検討される電極は優先的に、イオン伝導セラミックと電子伝導金属との混合物によって形成されたセラミック−金属材料である。 For example, the electrode considered is preferentially a ceramic-metal material formed by a mixture of an ion conducting ceramic and an electron conducting metal.
しかしながら、セラミック−金属材料ではなく「全セラミック」電子伝導電極の利用も、考慮されてよい。 However, the use of “all ceramic” electron conducting electrodes rather than ceramic-metal materials may also be considered.
所定の電解質は適用された蒸気の温度および圧力によってO2-プロトンまたはイオン導体であってもよい。 A given electrolyte may be an O 2 -proton or ionic conductor depending on the temperature and pressure of the vapor applied.
しかしプロトン伝導膜の利用は、H2水素(または二水素)よりもずっと反応性である(多かれ少なかれ陰極の表面において吸収された水素原子の形の)水素を発生させ、したがって、(H2の存在下の)通常の水素化方法に比べてCO2およびCOのより良い水素化を可能にする。 However, the use of a proton conducting membrane generates hydrogen (more or less in the form of hydrogen atoms absorbed at the surface of the cathode) that is much more reactive than H 2 hydrogen (or dihydrogen), and therefore (of H 2 Allows better hydrogenation of CO 2 and CO compared to conventional hydrogenation methods (in the presence).
さらに、中温において作用するH+イオン伝導膜の利用は、CxHyOzタイプの錯化合物(x、yおよびzは1より大きい)の合成を可能にし、他方、もっと高い温度において作用するO2-伝導膜の利用は、優先的にCO、すなわち、高温において安定している生成物を発生する。 In addition, the use of H + ion conducting membranes that operate at moderate temperatures allows the synthesis of C x H y O z type complex compounds (x, y and z are greater than 1), while operating at higher temperatures. Use of the O 2 -conducting membrane preferentially generates CO, a product that is stable at high temperatures.
実施された研究の目的は、水素の製造および/またはCO2および/またはCOの水素化の最大収量を得ることである。これを実施するために、利用された電流の大部分はファラデープロセスに関与しなければならず、すなわち、水の還元、従って高反応性水素の製造のために利用されなければならない。 The purpose of the studies performed is to obtain the maximum yield of hydrogen production and / or CO 2 and / or hydrogenation of CO. In order to do this, the majority of the current utilized must be involved in the Faraday process, i.e. it must be utilized for the reduction of water and thus the production of highly reactive hydrogen.
したがって、分極のために利用された電圧は、少なくとも、
− 電極においての過電圧
− 電極/電解質の界面の接触抵抗
− 材料中、特に電解質中の抵抗降下
− 電極においての標準熱力学反応電圧
によって影響を受けるはずである。
Therefore, the voltage utilized for polarization is at least:
-Overvoltage at the electrode-Contact resistance at the electrode / electrolyte interface-Resistance drop in the material, especially in the electrolyte-Should be affected by the standard thermodynamic reaction voltage at the electrode.
この場合、本発明は、水素の製造のための高温での水の電解のために、ならびに陰極におけるCO2および/またはCOの電解還元のために、蒸気圧力下でプロトン伝導電解質を利用することを提案する。 In this case, the present invention utilizes a proton conducting electrolyte under vapor pressure for electrolysis of water at high temperatures for the production of hydrogen and for the electroreduction of CO 2 and / or CO at the cathode. Propose.
したがって、この方法は、以下の工程:
− 蒸気を含有するガス流の圧力の影響下でのプロトン化種の前記膜への導入工程、
− 蒸気の電解および陰極室においてのガス(CO2および/またはCO)の還元工程
を含む。
The method thus comprises the following steps:
The introduction of protonated species into the membrane under the influence of the pressure of the gas stream containing the vapor,
- a reducing process gas in the electrolytic and cathode chamber of the steam (CO 2 and / or CO).
蒸気を含有するガス流のため、膜のプロトン化は加圧蒸気によって促進され、この圧力を有利に利用して、所定の温度において所望の伝導率を得る。このような方法は、例えば、2007年6月1日に出願された仏国特許出願第07/55418号明細書に記載されている。 Due to the gas stream containing the steam, the protonation of the membrane is facilitated by pressurized steam, which is advantageously used to obtain the desired conductivity at a given temperature. Such a method is described, for example, in French Patent Application No. 07/55418, filed on June 1, 2007.
この出願に示されているように、出願人は、蒸気の相対分圧の増加は膜のイオン伝導率の増加につながることを観察した。 As shown in this application, Applicants have observed that an increase in the relative partial pressure of the vapor leads to an increase in the ionic conductivity of the membrane.
相対分圧の増加と伝導率の増加との間のこの相関関係は、適した材料をより低い温度において機能させることができる。換言すれば、より低い温度において作用することによって促進された伝導率の低下は、蒸気の相対分圧の増加によって補償される。 This correlation between the increase in relative partial pressure and the increase in conductivity can allow suitable materials to function at lower temperatures. In other words, the decrease in conductivity promoted by acting at a lower temperature is compensated by an increase in the relative partial pressure of the vapor.
本発明によって、「高反応性」水素が陰極において製造され、還元性化合物の存在しないときに水素(H2)を発生させるか、またはCO2および/またはCOの存在するときにCxHyOzタイプの化合物(x≧1であり、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)を発生させることができる。 According to the present invention, “highly reactive” hydrogen is produced at the cathode, generating hydrogen (H 2 ) when no reducing compound is present, or C x H y when CO 2 and / or CO is present. O z type compounds (x ≧ 1, y is 0 to 2x + 2 and z is 0 to 2x) can be generated.
プロトン伝導膜は、一般式
一般的には、膜は、欠損型ペロブスカイト、不定比ペロブスカイトおよび/または一般式ABO3のドープトペロブスカイト、ホタル石、パイロクロアA2B2X7、アパタイトMe10(XO4)6Y2、オキシアパタイトMe10(XO4)6O2構造、ヒドロキシルアパタイトMe10(XO4)6(OH)2構造、シリケート構造、アルミノシリケート(フィロシリケートまたはゼオライト)、酸素酸でグラフトされたシリケートまたはホスフェートでグラフトされたシリケートのタイプであってもよい。 Generally, the film is composed of deficient perovskite, non-stoichiometric perovskite and / or doped perovskite of the general formula ABO 3 , fluorite, pyrochlore A 2 B 2 X 7 , apatite Me 10 (XO 4 ) 6 Y 2 , oxy Grafted with apatite Me 10 (XO 4 ) 6 O 2 structure, hydroxylapatite Me 10 (XO 4 ) 6 (OH) 2 structure, silicate structure, aluminosilicate (phyllosilicate or zeolite), oxysilicate grafted silicate or phosphate May be the type of silicate made.
より一般的には、電解質は有利には、それらのトンネルまたはシート構造によっておよび/または分子の大きさが小さいプロトン化種を導入することができる空孔の存在によってのどちらかで高温度または中間温度のプロトン伝導体として利用された化合物のすべてであってもよい。 More generally, the electrolytes are advantageously high temperature or intermediate either by their tunnel or sheet structure and / or by the presence of vacancies that can introduce protonated species with a small molecular size. Any of the compounds utilized as temperature proton conductors may be used.
本発明は、多くの変型が可能である。特に、プロトン化種の導入を可能にする材料はO2およびH2ガスに対して不透過性である場合があり、および/または88%超、好ましくは少なくとも94%の高密度化レベルにおいてプロトン化種の導入を可能にすることができる。 The present invention is capable of many variations. In particular, materials that allow the introduction of protonated species may be impermeable to O 2 and H 2 gases and / or protons at a densification level greater than 88%, preferably at least 94%. The introduction of chemical species can be made possible.
実際、(特に、電解質の機械的強度およびガスの透過について)可能な限り最も高い高密度化のレベルと、材料がプロトン化種を導入することができる能力との間の良い妥協点が見出されなければならない。プロトン化種を膜に導入させる蒸気の分圧を増加させることは、高密度化のレベルの増加を補償する。 In fact, a good compromise between the highest densification level possible (especially with respect to electrolyte mechanical strength and gas permeation) and the ability of the material to introduce protonated species is found. It must be. Increasing the partial pressure of the vapor that introduces the protonated species into the membrane compensates for the increased level of densification.
変型によって、水の注入を可能にする材料は、プロトン導体として作用する酸素欠損型ペロブスカイトなどの酸素原子欠損型酸化物である。さらに、酸素原子欠損型酸化物は化学量論的間隔を示すことがあり、および/またはドープされてもよい。 The material that enables the injection of water by modification is an oxygen atom deficient oxide such as an oxygen deficient perovskite that acts as a proton conductor. Furthermore, oxygen atom deficient oxides may exhibit stoichiometric spacing and / or may be doped.
実際、不定比性および/またはドープ処理は、酸素原子空孔を生じさせることができる。したがって、プロトン伝導の場合、化学量論的間隔を示すペロブスカイトおよび/またはドープされている(したがって酸素が欠乏している)ペロブスカイトを加圧下で蒸気に暴露することによって、プロトン化種を構造に導入させる。水の分子が酸素空孔を充填し、反応:
不定比および/またはドープトペロブスカイト以外の材料が水の導入を促進しプロトン化種および/または水酸化物の形態でその解離を促進する材料として利用されてもよいことが指摘される。 It is pointed out that materials other than non-stoichiometric and / or doped perovskites may be utilized as materials that promote the introduction of water and promote its dissociation in the form of protonated species and / or hydroxides.
例えば、ホタル石構造、パイロクロアA2B2X7構造、アパタイトMe10(XO4)6Y2構造、オキシアパタイトMe10(XO4)6O2構造、ヒドロキシルアパタイトMe10(XO4)6(OH)2構造、シリケート、アルミノシリケート、フィロシリケート、またはホスフェートなどの結晶構造を挙げることができる。 For example, fluorite structure, pyrochlore A 2 B 2 X 7 structure, apatite Me 10 (XO 4 ) 6 Y 2 structure, oxyapatite Me 10 (XO 4 ) 6 O 2 structure, hydroxylapatite Me 10 (XO 4 ) 6 ( OH) 2 structures, crystal structures such as silicates, aluminosilicates, phyllosilicates or phosphates.
これらの構造はおそらく、酸素酸基によってグラフトされてもよい。実際、水および/またはプロトンとの高い親和力を有する全ての構造を予想することができる。 These structures may possibly be grafted by oxyacid groups. In fact, all structures with a high affinity for water and / or protons can be expected.
Claims (17)
− 前記電解槽(30)の前記陰極室(33)中に加圧下でCO2および/またはCOを導入する工程と、
− 発生された前記反応性水素原子によって、前記陰極室(33)中に導入された前記CO2および/またはCOを還元し、その結果、前記CO2および/またはCOがCxHyOzタイプの化合物(x≧1であり、yが0〜2x+2であり、zが0〜2xである)を形成する工程と
を含む、電解方法。 Electrolyze steam injected under pressure into an anode chamber (32) of an electrolytic cell (30) comprising a proton conducting membrane (31) made from a material capable of introducing protonated species into the membrane under steam. A process for the oxidation of water injected in the form of steam is carried out in the anode (32) and migrates into the membrane in this same membrane, carbon dioxide CO 2 and / or monoxide A method of generating protonated species that is reduced at the surface of the cathode (33) in the form of reactive hydrogen atoms capable of reducing carbon CO includes the following steps:
Introducing CO 2 and / or CO under pressure into the cathode chamber (33) of the electrolytic cell (30);
The generated reactive hydrogen atoms reduce the CO 2 and / or CO introduced into the cathode chamber (33) so that the CO 2 and / or CO is C x H y O z Forming a compound of the type (x ≧ 1, y is 0 to 2x + 2, and z is 0 to 2x).
− 水圧の影響下で膜へのプロトン化種の注入を可能にする前記材料から製造されたイオン伝導膜の形態の電解質(31)と、
− 陽極(32)と、
− 陰極(33)と、
− 電流を発生させて前記陽極(32)と前記陰極(33)との間に電位差を印加することができる発電機(34)と
を含む蒸気電解装置が、
− 前記陽極(32)経由での加圧下での前記電解質(31)への蒸気の導入のための手段(35)と、
− 前記電解槽の前記陰極室中に加圧下でCO2および/またはCOを注入する手段(36)と、
− 先行の実施形態の一つによる方法によって前記陰極室に導入された前記CO2および/または前記COを還元する手段と
を含むことを特徴とする、蒸気電解装置。 Steam electrolyzer for electrolyzing steam introduced under pressure into an anode chamber of an electrolytic cell comprising a proton conducting membrane made from a material that allows injection of protonated species into the membrane under steam after oxidation (30)
An electrolyte (31) in the form of an ion-conducting membrane made from said material that allows the injection of protonated species into the membrane under the influence of water pressure;
-An anode (32);
A cathode (33);
A steam electrolyzer comprising a generator (34) capable of generating a current to apply a potential difference between the anode (32) and the cathode (33);
-Means (35) for introduction of vapor into the electrolyte (31) under pressure via the anode (32);
Means (36) for injecting CO 2 and / or CO under pressure into the cathode chamber of the electrolytic cell;
A steam electrolysis device, characterized in that it comprises means for reducing the CO 2 and / or CO introduced into the cathode chamber by the method according to one of the preceding embodiments.
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