JP2016014176A - アンモニア電解合成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニア電解合成装置を簡略化する方法、および、複数の単セルを積層配置した電解槽構造に代表される、大量生産に向けた装置構造を備えたアンモニア電解合成装置を提供する。【解決手段】アンモニア電解合成装置１は、溶融塩浴槽１１０と、陰極１３０と、水蒸気供給陽極部１２０とを備える。溶融塩浴槽１１０は、溶融塩１１１を収容するものである。陰極１３０は、溶融塩浴槽１１０内に配置されて窒素を還元するものである。水蒸気供給陽極部１２０は、陰極１３０の対極となる陽極１２１と、陽極１２１に水蒸気を供給する水蒸気供給部１２２とが一体化されたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニア電解合成装置に関する。

従来、アンモニアはハーバーボッシュ法により大規模に製造されている。ハーバーボッシュ法は、水素ガスと窒素ガスからアンモニアを合成する方法であり、Ｆｅ、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４等にＡｌ_２Ｏ_３及びＫ_２Ｏを含む鉄系の三元系触媒の存在下、水素ガスと窒素ガスとを反応させることによってアンモニアを製造する方法である。

しかしながら、当該ハーバーボッシュ法は高温・高圧でアンモニアを合成する方法であるため、エネルギー消費量が莫大で設備規模も巨大である。しかも炭化水素の水蒸気改質によって水素ガスを得る際に多量のＣＯ_２を排出するという問題がある。

上記問題を改善する方法として、炭化水素を用いない方法の開発が挙げられる。例えば、伊藤靖彦、「常圧アンモニア電解合成−アンモニアエコノミーの基盤技術−」、溶融塩および高温化学、２００３年、Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．２、ｐ．９７−１１８（非特許文献１、以下「非特許文献１」とする）には、常圧下で水と窒素とからアンモニアを電解合成する方法が記載されている。この方法は、電解浴としてアルカリ金属ハライドなどの溶融塩を用いており、陰極では窒素ガスの還元により窒化物イオン（Ｎ^３−）を生成させ、これを溶融塩中で水（水蒸気）と反応させることによりアンモニアを生成する。陽極では、このアンモニア生成反応に際して副生する酸化物イオン（Ｏ^２−）が酸化されて酸素ガスが発生する。なお、各反応は次の（１）〜（４）ように例示される。

（１）陰極反応：Ｎ_２＋６ｅ⁻ → ２Ｎ^３−
（２）溶融塩中：３Ｈ_２Ｏ＋２Ｎ^３− → ２ＮＨ_３＋３Ｏ^２−
（３）陽極反応：３Ｏ^２− → （３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻
（４）全反応 ：Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ → ２ＮＨ_３＋（３／２）Ｏ_２

このような反応を利用した電解槽は、例えば、非特許文献１のＦｉｇ．１２に記載されている。以下、この電解槽を「基本形電解槽」とし、陰極と陽極と、陰極と陽極間に保持される溶融塩とからなる電解槽の最小構成単位を基本型電解槽の「単セル」と表記する。

また、非特許文献１には、上述の基本形電解槽の発展形として、例えばＦｉｇ．１０に水素透過金属膜を用いた装置構成が記載されている。以下、この電解槽を「発展形電解槽」とする。発展形電解槽は、水素透過金属膜によってアルカリ金属ハライドなどの溶融塩が保持された陰極室（右セル）と溶融水酸化物などが保持された陽極室（左セル）の２つの電解室に分けられている。水素透過金属膜はバイポーラ電極であって、陰極室側では陽極として、陽極室側では陰極として働く。陽極室に供給された水蒸気は、水素透過金属膜の表面で還元されて、水素透過金属膜内に吸蔵水素原子（Ｈ_膜）を、電解浴中に水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を生成する。

（５）陽極室水素透過金属膜表面：６Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ → ６Ｈ_膜＋６ＯＨ⁻

（５）式で生成された水酸化物イオンは陽極室内に設置された酸素発生陽極で酸化されて、酸素ガスが生成される。
（６）陽極反応：６ＯＨ⁻ → （３／２）Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻

一方、陰極室に設置された窒素ガス陰極では、供給された窒素ガスが還元されて、（１）式のように窒化物イオンが生成される。ここで生成した窒化物イオンは、水素透過金属膜中を拡散して陰極室（右セル）側表面に到達した水素原子と反応してアンモニアを生成する。

（７）陰極室水素透過金属膜表面：６Ｈ_膜＋２Ｎ^３− → ２ＮＨ_３＋６ｅ⁻

発展形電解槽内の全反応は（４）式と同じである。この電解槽構造では、（２）式のアンモニア生成反応を、水素透過金属膜によって（５）式と（７）式との２つの電気化学反応に分離したことになる。これによりアンモニア生成反応における（２）式に起因するエネルギー損失を回避し、アンモニア製造の消費エネルギーを大幅に低減できる可能性がある。以下、陰極と陽極と水素透過金属膜と、陰極と水素透過金属膜間に保持される溶融塩と、陽極と水素透過金属膜間に保持される電解質からなる電解槽の最小構成単位を発展型電解槽の「単セル」と表記する。

以上のような、非特許文献１に記載されたアンモニア電解合成法によれば、ハーバーボッシュ法と比べて温和な条件で水と窒素からアンモニアを電解合成でき、消費エネルギーも小さい。また、炭化水素を用いて水素ガスを製造する必要がないため、多量のＣＯ_２を排出する問題がない。

伊藤靖彦、「常圧アンモニア電解合成−アンモニアエコノミーの基盤技術−」、溶融塩および高温化学、２００３年、Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．２、ｐ．９７−１１８

しかしながら、非特許文献１に具体的に開示されているような従来の電解合成法では、装置構成に制限が多く、使用する溶融塩の量も多くなる。このような問題点は、アンモニアの大量生産に向けた大規模電解槽の構築の障害となっている。

そこで、この発明の目的は、アンモニア電解合成装置を簡略化する方法、および、複数の単セルを積層配置した電解槽構造に代表される、大量生産に向けた装置構造を備えたアンモニア電解合成装置を提供することである。

本発明者らは鋭意検討の結果、従来の電解合成法において、装置構成に制限が多く、使用する溶融塩の量も多くなるのは、構成上、水蒸気供給部が陽極と独立して溶融塩浴中に配置されているためであると考えた。本発明者らはさらなる検討の結果、水と窒素とからアンモニアを電解合成する場合において、水蒸気供給部と陽極の構造を工夫して両者を一体化し、陽極自体に水蒸気供給の機能を付加した「水蒸気供給陽極部」を用いることにより、アンモニア電解合成装置を簡略化することができると共に、複数の単セルを積層配置した電解槽構造に代表される大量生産に向けた装置構造の構築も容易に実現することができることを見出した。

本発明者のこのような知見に基づいて、本発明に従ったアンモニア電解合成装置は、次のように構成される。

この発明に従ったアンモニア電解合成装置は、溶融塩浴槽と、陰極と、水蒸気供給陽極部とを備える。溶融塩浴槽は、溶融塩を収容するものである。陰極は、溶融塩浴槽内に配置されて窒素を還元するものである。水蒸気供給陽極部は、陰極の対極となる陽極と、陽極に水蒸気を供給する水蒸気供給部とが一体化されたものである。

水蒸気供給陽極部内の陽極を、例えば多孔質に成形することによって、別途独立した水蒸気供給部を設けることなく、溶融塩浴槽の外部から溶融塩に直接、水蒸気を供給することができる。なお、水蒸気供給陽極内の陽極は多孔質に成形されていなくてもよく、例えば、鉛直方向に延びる平板を水平方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、鉛直方向に延びる円筒を水平方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。

このようにして、水蒸気供給陽極部を用いることにより、アンモニア電解合成装置を簡略化することができ、かつ、複数の単セルを積層配置した電解槽構造に代表される装置構造のアンモニア電解合成装置を提供することができる。

この発明に従ったアンモニア電解合成装置において、「基本形電解槽」の原理を用いる場合、水蒸気供給陽極部は、少なくとも一部が溶融塩浴槽に収容される溶融塩に接しており、供給される水蒸気が、陽極と接する溶融塩にまで到達させることが可能であるように構成されていることが好ましい。

水蒸気供給陽極部は少なくともその一部が溶融塩浴に接触していることによって、例えば水蒸気供給陽極部内の陽極が多孔質である場合には、溶融塩は多孔質陽極内を濡れ上がり、陽極内部の一部または全部に溶融塩が存在することになる。このようにして供給される水蒸気を少なくとも陽極内に存在する溶融塩まで到達させることによって、例えば、陽極内に存在する溶融塩に到達した水蒸気が、陽極内に形成された固気液三相界面で電気化学的に酸化されてプロトン（Ｈ^＋）と酸素とを生成する。生成したＨ^＋は、浴中に存在するＮ^３−と反応し、アンモニアを生成する。
（８）溶融塩中：３Ｈ^＋＋Ｎ^３− → ＮＨ_３

このように、陽極と接する溶融塩に水蒸気が供給されることで上記に例示されるような反応が効率良く進行するのであれば、陽極は多孔質である必要はなく、例えば、鉛直方向に延びる平板を水平方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、鉛直方向に延びる円筒を水平方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。

水蒸気供給陽極部をこのように構成することによって、溶融塩浴槽側に別途独立した水蒸気供給部を設けることなく、溶融塩浴槽の外部から陽極と接する溶融塩に直接、水蒸気を供給することができる。

このようにすることにより、陽極と水蒸気供給部とを一体化することができる。この際、水蒸気供給部が金属などの導電性材料の場合、同部分で意図しない電気化学反応が進行することの無いよう、水蒸気供給部と陽極は電子的に絶縁されているのが好ましい。

このようにして、陽極と水蒸気供給部とを一体化することにより、アンモニア電解合成装置を簡略化することができるので、例えば、大面積の単セル型電解槽の構造を単純化できるのみならず、複数の単セルを積層配置することも容易となるなど、アンモニアの大量生産に向け、装置構成の自由度を飛躍的に高めることができる。

この発明に従ったアンモニア電解合成装置において、「発展形電解槽」の原理を用いる場合、水蒸気供給陽極部は、水素透過金属膜と、陽極と水素透過金属膜との間に保持される電解質とを含むことが好ましい。水素透過金属膜は、溶融塩浴槽内に配置されていることが好ましい。

陽極と水素透過金属膜との間に保持される電解質は、溶融水酸化物を含むことが好ましい。

水素透過金属膜はバイポーラ電極として働く。水蒸気供給陽極部内の陽極は多孔質などの上記の形態であるのが好ましく、また陽極は少なくともその一部が、陽極と水素透過金属膜との間に保持される電解浴に接触している。陽極が多孔質である場合、溶融水酸化物などの電解質は多孔質内を濡れ上がり、陽極内部の一部または全部に溶融水酸化物などの電解質が存在することになる。

この発明に従ったアンモニア電解合成装置においては、供給される水蒸気を、陽極と接する溶融水酸化物などの電解質まで到達させることが可能であるように構成されていることが好ましい。

水素透過金属膜表面まで到達した水蒸気は、例えば、バイポーラ電極である水素透過膜表面で（５）式に基づいて電気化学的に還元され、ＯＨ⁻とともに水素透過金属膜内に吸蔵水素を生成する。さらにＯＨ⁻は陽極で酸化されて酸素を生成する。水素透過金属膜内を溶融塩浴槽側表面へ拡散した吸蔵水素は、バイポーラ電極である水素透過金属膜の溶融塩浴槽側の表面でのＮ^３−との電気化学的な酸化反応によりアンモニアを生成する。

このように水蒸気供給陽極部内の溶融水酸化物などの電解質を通じて水素透過膜表面に水蒸気が供給されることで上記のような反応が進行するのであれば、陽極は多孔質である必要はない。

水蒸気供給陽極部をこのように構成することによって、溶融塩浴槽側に別途独立した水蒸気供給部を設けることなく、水蒸気供給陽極部に含まれる水素透過金属膜表面に、溶融塩浴槽の外部から直接水蒸気を供給することができる。水蒸気供給陽極部は、溶融塩浴槽内の溶融塩から水素透過金属膜によって隔離されるので、水蒸気供給陽極部に供給される水蒸気が溶融塩浴槽内の溶融塩に混入することがない。また、水蒸気供給陽極部内に溶融塩浴槽と異なる電解質を保持することができる。

このようにすることにより、陽極と水蒸気供給部とを一体化することができる。この際、水蒸気供給部が金属などの導電性材料の場合、同部分で意図しない電気化学反応が進行することの無いよう、水蒸気供給部と陽極、水蒸気供給部と水素透過金属膜は電子的に絶縁されているのが好ましい。

このようにして、陽極と水蒸気供給部とを一体化することにより、アンモニア電解合成装置を簡略化することができるので、例えば、大面積の単セル型電解槽の構造を単純化できるのみならず、複数の単セルを積層配置することも容易となるなど、アンモニアの大量生産に向け、装置構成の自由度を飛躍的に高めることができる。

この発明に従ったアンモニア電解合成装置は、陰極に窒素を供給する窒素供給部を備えることが好ましい。窒素供給部は、陰極において溶融塩と接触する面の裏面に窒素が接触して陰極に窒素が供給されるように構成されていることが好ましい。そして、それぞれ１つの陰極と、水蒸気供給陽極部と、陰極と水蒸気供給陽極部との間の溶融塩とが、単セルを形成していることが好ましい。

また、この発明に従って複数の単セルを積層配置した電解槽を構築する場合は、水蒸気供給陽極部と陰極は、溶融塩を介して互いに対向するように配置されることが好ましく、水素透過金属膜は、水蒸気供給陽極部において溶融塩浴槽内の溶融塩と接触する面に接続されることが好ましい。さらに、水蒸気供給陽極部は、水素透過金属膜の溶融塩浴槽内の溶融塩と接触する面の裏面にまで水蒸気を到達させられるように構成されることが好ましい。窒素供給部は、陰極において溶融塩と接触する面の裏面に窒素が接触して陰極に窒素が供給されるように構成されていることが好ましい。そして、それぞれ１つの陰極と水蒸気供給陽極部と、陰極と水蒸気供給陽極部との間の溶融塩とが単セルを形成していることが好ましい。

この発明に従って複数の単セルを積層配置した電解槽を構築する場合には、複数の単セルの全部もしくは一部は、電子的に直列に接続されていてもよいし、並列に接続されていてもよい。

複数の単セルを電子的に直列に接続することにより、装置に通電される電流値が小さくなるので、電気抵抗ロスを低減することができる。また、電子的に並列に接続した箇所を設けることにより、一部の単セルに不具合が生じた場合であっても、アンモニア電解合成装置全体が停止することなく、運転を継続することができる。

また、上記の単セルは積層配置せずに平面上に並べて配置しても良い。この場合、使用する溶融塩浴を複数の単セルで共有しても良い。平面上に配置した各単セルは電子的に直列に接続されていても良いし、並列に接続されていてもよい。各単セルが電子的に並列に接続されている場合は、入力する電力に応じて使用する単セルの個数を増減させ得るので、入力電力に時間的な変動がある場合に好ましい。

この発明に従ったアンモニア電解合成装置においては、陰極は多孔質に成形されていることが好ましい。さらに、陰極が多孔質体である場合、陰極内部には、溶融塩の流路が形成されていることが好ましい。この流路内部は連続する空隙であっても良いし、流路の周囲よりも孔径の大きな多孔質体により構成されていても良い。

これにより、陰極内部の固気液三相界面で生成されるＮ^３−が流路を通じて陰極外方へと移動し易くなるので、陰極内部にＮ^３−が留まって陰極反応の進行を阻害することを抑制し、アンモニア生成部へと速やかに供給することができる。

同様の目的で、供給される窒素ガスは、陰極の内部を通じて、溶融塩浴側へと排出されてもよい。

この窒素ガスの流動により、陰極内部に存在する溶融塩の撹拌や陰極外方への流動が生じるため、陰極内部で生成するＮ^３−の逸散を促進するだけでなく、陰極反応場である固気液三相界面の面積が拡張するので、陰極反応の進行を促進させることができる。

以上のように、この発明によれば、アンモニア電解合成装置を簡略化することができるので、例えば、大面積の単セル型電解槽の構造を単純化できるのみならず、複数の単セルを積層配置することも容易となるなど、アンモニアの大量生産に向け、装置構成の自由度を飛躍的に高めることができる。

本発明の第１実施形態のアンモニア電解合成装置の全体の断面を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態のアンモニア電解合成装置の全体の断面を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態のアンモニア電解合成装置のセパレータの一つの態様（Ａ）と別の態様（Ｂ）を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３実施形態のアンモニア電解合成装置の全体の断面を模式的に示す図である。 本発明の第４実施形態のアンモニア電解合成装置の全体の断面を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態のアンモニア電解合成装置１は、溶融塩浴槽１１０と、水蒸気供給陽極部１２０と、陰極１３０と、窒素供給部１５０と、電源部１６０とを備える。水蒸気供給陽極部１２０は、陽極１２１と水蒸気供給部１２２とが一体化されたものである。

溶融塩浴槽１１０は、溶融塩１１１を収容するものである。溶融塩１１１としては、例えば、ＬｉＣｌ−ＫＣｌやＬｉＣｌ−ＫＣｌ−ＣｓＣｌなどが用いられる。

陽極１２１は酸素発生陽極であり、例えば多孔質に成形されガス拡散性を有している。陽極１２１は、例えば、多孔質ニッケルフェライトを用いることができる。陽極１２１は、下部が溶融塩１１１に接触し、上部が気相に接するように配置される。これにより、多孔質陽極の内部に溶融塩が濡れ上がり、固気液三相界面が形成される。

水蒸気供給陽極部１２０の陽極１２１は、上述のように多孔質に成形されていてもよいし、例えば、鉛直方向に延びる平板を水平方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、鉛直方向に延びる円筒を水平方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。このように、陽極１２１は、水蒸気供給部１２２を経て供給される水蒸気を溶融塩１１１にまで到達させられる形態であれば、多孔質に成形されていなくてもよい。

水蒸気供給部１２２は、陽極１２１が接する気相部から、陽極１２１の内部に濡れ上がった溶融塩１１１に水蒸気を供給するためのものである。水蒸気供給部１２２は、例えば、水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、水蒸気発生部において発生させられた水蒸気を陽極１２１と接する溶融塩にまで到達させる流路とによって構成されている。図１には、水蒸気供給部１２２において水蒸気の流路を構成する部分を示す。

陰極１３０は、溶融塩浴槽１１０内に配置されて窒素を還元するものである。アンモニア電解合成装置１においては、陰極１３０も陽極１２１と同様、多孔質に成形されている。陰極１３０は、例えば、多孔質Ｎｉを用いることができる。陰極１３０は、下部が溶融塩１１１に接触し、上部が気相に接するように配置される。多孔質である陰極１３０と、陰極１３０内に供給された窒素と、陰極１３０内に濡れ上がった溶融塩１１１とによって、固気液の三相界面が形成される。なお、陰極１３０は、電極材料と窒素ガスと溶融塩との固気液三相界面が効率よく形成される形態であれば、多孔質に成形されていなくてもよく、例えば、鉛直方向に延びる平板を水平方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、鉛直方向に延びる円筒を水平方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。

さらに、陰極が多孔質体である場合、陰極内部には、溶融塩の流路が形成されていることが好ましい。この流路内部は連続する空隙であっても良いし、流路の周囲よりも孔径の大きな多孔質体により構成されていても良い。

これにより、陰極内部の固気液三相界面で生成されるＮ^３−が流路を通じて陰極外方へと移動し易くなるので、陰極内部にＮ^３−が留まって陰極反応の進行を阻害することを抑制し、アンモニア生成部へと速やかに供給することができる。

同様の目的で、供給される窒素ガスは、陰極の内部を通じて、溶融塩浴側へと排出されてもよい。

この窒素ガスの流動により、陰極内部に存在する溶融塩の撹拌や陰極外方への流動が生じるため、陰極内部で生成するＮ^３−の逸散を促進するだけでなく、陰極反応場である固気液三相界面の面積が拡張するので、陰極反応の進行を促進させることができる。

窒素供給部１５０は、陰極１３０が接する気相部から、陰極１３０に窒素を供給するためのものである。窒素供給部１５０は、例えば、大気中の窒素を分離精製する機能を有する装置と、この窒素を陰極１３０まで流通させる流路とによって構成されている。

電源部１６０は、陽極１２１と陰極１３０との間に所定の電圧を印加するためのものである。

リード線１７０は、陽極１２１と電源部１６０とを電子的に接続するものである。図１に示すアンモニア電解合成装置１においては、陽極１２１に電流を流すための導電材のリード線１７０の一部は、一例として水蒸気供給部１２２内に接続されている。なお、必ずしもリード線１７０の一部が水蒸気供給部１２２内に接続される必要はないが、陽極１２１の一部が水蒸気供給部１２２の内部に配置されていない場合や、陽極１２１と水蒸気供給部１２２の壁面とが接触していない場合であっても、リード線１７０を、水蒸気供給路１２２内において陽極１２１と接続することによって、陽極１２１と水蒸気供給路１２２とを一体化することができる。

次に、アンモニア電解合成装置１におけるアンモニアの合成について説明する。

まず、水蒸気供給部１２２から陽極１２１に水蒸気が供給される。陽極１２１に供給された水蒸気は、水蒸気供給陽極部１２０内部で陽極１２１にまで到達する。このように構成された水蒸気供給陽極部１２０は、陽極１２１と水蒸気供給部１２２とを一体化したものである。

また、窒素供給部１５０から陰極１３０に窒素が供給される。その後、陽極１２１と陰極１３０との間に所定の電圧が印加される。

次に、陽極１２１に供給された水蒸気は、例えば、陽極１２１で酸化されてプロトンと酸素とを生成させる。

（９） ３Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻

一方、陰極１３０には窒素ガスが供給される。陰極１３０に供給された窒素は陰極１３０で還元されて、窒化物イオンが生成される。

（１０） Ｎ_２＋６ｅ⁻ → ２Ｎ^３−

陽極１２１で生成したプロトンは、陰極１３０で生成した窒化物イオンと溶融塩１１１中で反応し、アンモニアを生成する。

（１１） ６Ｈ^＋＋２Ｎ^３− → ２ＮＨ_３

陽極全反応は次の通りである。

（１２） ２Ｎ^３−＋３Ｈ_２Ｏ → ２ＮＨ_３＋（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻

以上のように、アンモニア電解合成装置１は、溶融塩浴槽１１０と、陰極１３０と、陽極１２１と水蒸気供給部１２２とが一体化された水蒸気供給陽極部１２０とを備える。溶融塩浴槽１１０は、溶融塩１１１を収容するものである。陰極１３０は、溶融塩浴槽１１０内に配置されて窒素を還元するものである。

水蒸気供給部１２２と陽極１２１とを一体化することにより、アンモニア電解合成装置を簡略化することができるので、例えば、大面積の単セル型電解槽の構造を単純化できるのみならず、複数の単セルを積層配置することも容易となるなど、アンモニアの大量生産に向け、装置構成の自由度を飛躍的に高めることが可能なアンモニア電解合成装置１を提供することができる。

また、アンモニア電解合成装置１においては、陽極１２１は、少なくとも一部が溶融塩浴槽１１０に収容される溶融塩１１１に接触し、水蒸気供給部１２２を経て供給される水蒸気を、水蒸気供給陽極部１２０内部で陽極１２１に接する溶融塩にまで到達させることが可能であるように形成されている。

水蒸気供給陽極部１２０をこのように構成することによって、溶融塩浴槽１１０側に別途独立した水蒸気供給部を設けることなく、溶融塩浴槽１１０の外部から陽極１２１に接する溶融塩に直接水蒸気を供給することができる。

このようにすることにより、陽極１２１と水蒸気供給部１２２とを一体化することができる。この際、水蒸気供給部１２２が金属などの導電性材料の場合、同部分で意図しない電気化学反応が進行することの無いよう、水蒸気供給部１２２と陽極１２１は電子的に絶縁されているのが好ましい。

このようにして、陽極１２１と水蒸気供給部１２２とを一体化することにより、アンモニア電解合成装置を簡略化することができるので、例えば、大面積の単セル型電解槽の構造を単純化できるのみならず、複数の単セルを積層配置することも容易となるなど、アンモニアの大量生産に向け、装置構成の自由度を飛躍的に高めることが可能なアンモニア電解合成装置１を提供することができる。

（第２実施形態）
アンモニア大量生産に向けた電解槽構造の一例として、複数の第１実施形態の単セルを積層配置した電解槽構造のアンモニア電解合成装置２を、第２実施形態として図２に示す。この積層化アンモニア電解合成装置２は、溶融塩浴槽２１０と、水蒸気供給陽極部２２０と、陰極２３０と、酸素排出部２４１と、窒素供給部２５０と、電源部２６０と、セパレータ２７０とを備える。水蒸気供給陽極部２２０は、陽極２２１と水蒸気供給部２２２とを一体化したものである。

ここで図３（Ａ）に示すように、セパレータ２７０の上表面（第１面）には、多数の溝２７１が形成され、セパレータ２７０の下表面（第２面）には、多数の溝２７２が形成されている。溝２７１と溝２７２は、それぞれ、気体を流通させるための流路の一例である。この実施形態においては、セパレータ２７０の第１面は陰極２３０（図２）に接触し、第２面は陽極２２１（図２）に接触するように、アンモニア電解装置２（図２）に配置される。窒素供給部２５０中の窒素ガスは、セパレータ２７０の第１面の溝２７１を通って陰極２３０に供給される。一方、水蒸気供給部２２２中の水蒸気は、セパレータ２７０の第２面の溝２７２を通って陽極２２１に供給される

このように、セパレータ２７０は、水蒸気と窒素ガスとを別々にそれぞれ陽極２２１、陰極２３０に供給するためのものである。セパレータ２７０が導電性であれば、別途電子的な接続部材を用いることなく単セル同士を電子的に接続できるので好ましい。セパレータ２７０の少なくとも一部は水蒸気供給部２２２内に配置されている。セパレータ２７０をこのように配置することにより、陽極２２１と水蒸気供給部２２２とが一体化されている。

このセパレータは、別の形態であってもよい。例えば、図３（Ｂ）に示すセパレータ２７０ｂは、図３（Ａ）に示すセパレータ２７０と異なる点として、溝２７１が形成された第１面を含む第１部２７１ａと、溝２７２が形成された第２面を含む第２部２７２ａとから構成されている。第１部２７１ａと第２部２７２ａとは別個に形成されたものが接続されてセパレータ２７０ｂを構成している。このような構造にすることで、一部の単セルに不具合が生じた場合などに、第１部２７１ａと第２部２７２ａとを分離して、不具合の生じた単セルのみを取り外して修理・交換することが容易になる。また、個別の単セルを電子的に並列に接続することが可能になる。以下、この実施形態においては、セパレータは一例として図３（Ａ）に示すセパレータ２７０を用いて説明する。

アンモニア電解合成装置２においては、図中に両側矢印Ｃで示す範囲のように、セパレータ２７０とセパレータ２７０との間に配置された陰極２３０と水蒸気供給陽極部２２０と窒素供給部２５０と、水蒸気供給陽極部２２０と陰極２３０との間の溶融塩２１１とが単セル２００を形成している。すなわち、第２実施形態の積層化アンモニア電解合成装置２においては、第１実施形態のアンモニア電解合成装置１（図１）における水蒸気供給陽極部１２０と陰極１３０と窒素供給部１５０との組み合わせが単セル２００を形成している。なお、この実施形態の単セル２００内では、水蒸気供給陽極部２２０と陰極２３０が水平方向に並べて配置されている。これは、溶融塩中で気泡に働く浮力を利用して、水蒸気供給陽極部２２０と陰極部２３０の間で発生するアンモニアを、水蒸気供給陽極部２２０内で発生する酸素と効率的に分離するためである。また、図中では省略しているが、水蒸気供給陽極部２２０内には、生成するアンモニアと酸素を可能な限り分離回収できるよう、アンモニアの生成場と酸素の発生箇所を空間的に離すための機構（陽極多孔質構造の傾斜化や電極内整流板の設置）が設けてある。アンモニアと酸素とを分離することが可能であれば、水蒸気供給陽極部２２０と陰極２３０は、上下方向に並べて配置されていてもよい。

溶融塩浴槽２１０は、溶融塩２１１を収容するものであり、溶融塩２１１は図中に矢印Ｐで示す方向に、溶融塩浴槽２１０内で循環されている。基本的には、陽極近傍でのアンモニア気泡の発生に伴うガスリフトが、溶融塩２１１を循環させる駆動力を生じさせるが、さらに、例えば、溶融塩浴槽２１０の左下部にアルゴンガスや窒素ガス等を供給することによるガスリフトを用いたり、回転するプロペラ等を使用したりして、溶融塩２１１を循環させる駆動力を高めてもよい。

陽極２２１は、第１実施形態と同様、ガス拡散性を有する酸素発生陽極２２１であり、例えば多孔質に成形されている。陽極２２１は、例えば、多孔質ニッケルフェライトを用いることができる。陽極２２１は、下部が溶融塩２１１に接触し、上部が気相に接するように配置される。なお、陽極２２１は、水蒸気を陽極２２１内もしくは陽極２２１近傍の溶融塩２１１に供給できる形態であれば、多孔質に成形されていなくてもよく、例えば、水平方向に延びる平板を鉛直方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、水平方向に延びる円筒を鉛直方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。

陰極２３０は、溶融塩浴槽２１０内に配置されて窒素を還元するものである。陰極２３０も陽極２２１と同様、例えば多孔質に成形されている。陰極２３０は、例えば、多孔質Ｎｉを用いることができる。陰極２３０は、上部が溶融塩２１１中に接触し、下部が気相に接するように配置される。多孔質である陰極２３０と、陰極２３０内に供給された窒素と、陰極２３０内に濡れ上がった溶融塩２１１とによって、固気液の三相界面が形成される。なお、陰極２３０は、電極材料と窒素ガスと溶融塩との固気液三相界面が効率よく形成される形態であれば、多孔質に成形されていなくてもよく、例えば、水平方向に延びる平板を鉛直方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、水平方向に延びる円筒を鉛直方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。

陽極２２１と陰極２３０とは、溶融塩２１１を介して対向するように配置されている。

水蒸気供給部２２２は、図中に破線の矢印で示すように、水蒸気を、陽極２２１において陰極２３０と対向する面の裏面に接触させるように供給する。陽極２２１に供給された水蒸気は、陽極２２１を介して、陽極２２１に接する溶融塩に供給される。このように構成された水蒸気供給陽極部２２０は、陽極２２１と水蒸気供給部２２２とを一体化したものである。水蒸気供給部２２２が金属などの導電性材料の場合、同部分で意図しない電気化学反応が進行することの無いよう、水蒸気供給部２２２と陽極２２１は電子的に絶縁されているのが好ましい。

水蒸気供給部２２２は、酸素排出部２４１と連結されている。図２には、水蒸気供給部２２２において水蒸気の流路を構成する部分を示す。

酸素排出部２４１は、陽極で生成される酸素を陽極の周辺から取り除くためのものである。酸素排出部２４１は、例えば、酸素を流通させる流路と、排気ファンとによって構成されていてもよい。酸素は、図中に点線の矢印で示す方向に流れる。

窒素供給部２５０は、図中に一点鎖線の矢印で示すように、窒素を、陰極２３０において陽極２２１と対向する面の裏面に接触させるように供給する。未反応の窒素ガスは上部の流路を通って回収され、再利用される。なお、陰極２３０での反応によって生成する窒化物イオンの溶融塩中への逸散を促進させる目的で、陰極内部に溶融塩の流路を備える形態であったり、供給される窒素ガスが多孔質の陰極内部を通じて溶融塩中に排出される形態としてもよい。

電源部２６０は、最上段の陽極２２１と最下段の陰極２３０との間に所定の電圧を印加するためのものである。

アンモニア電解合成装置２は、複数の単セル２００を備える。各単セル２００同士は、セパレータ２７０を介して電子的に接続されている。このようにすることにより、コンパクトな単セル２００を積層配置した電解槽構造を実現することができる。

セパレータを、図３（Ｂ）に示すような水蒸気供給側と窒素ガス供給側に分割できる構造のセパレータ２７０ｂにすることで、単セルに不具合が生じた場合などに、該当する単セルのみを取り外して修理・交換することが容易になる。また、個別の単セルを電子的に並列に接続することが可能になる。

アンモニア電解合成装置２におけるアンモニア合成の工程は、第１実施形態のアンモニア電解合成装置１と同様である。

上述の式（９）に示すように生成された酸素は、酸素排出部２４１を経て排出される。生成されたアンモニアは、循環する溶融塩２１１によって、各単セル２００から速やかに排出され、溶融塩浴槽２１０から配管を通って、アンモニア電解合成装置２の上部において回収される。なお、アンモニアの回収は、アンモニア電解合成装置２の上部以外の位置から行われてもよい。

以上のように、アンモニア電解合成装置２は、溶融塩浴槽２１０と、陰極２３０と、水蒸気供給陽極部２２０とを備える。溶融塩浴槽２１０は、溶融塩２１１を収容するものである。陰極２３０は、溶融塩浴槽２１０内に配置されて窒素を還元するものである。水蒸気供給陽極部２２０は、陽極２２１と水蒸気供給部２２２とが一体化されたものである。

このようにすることにより、アンモニアの大量生産に向けた積層化電解槽を備えたアンモニア電解合成装置２を提供することができる。

また、アンモニア電解合成装置２は、陰極２３０に窒素を供給する窒素供給部２５０を備える。水蒸気供給陽極部２２０と陰極２３０との間には、溶融塩２１１が位置している。水蒸気供給陽極部２２０は、陽極２２１内部の溶融塩に水蒸気が供給されるように構成される。窒素供給部２５０は、陰極２３０に窒素が供給されるように構成されている。そして、それぞれ１つの陰極２３０と水蒸気供給陽極部２２０と、陰極２３０と水蒸気供給陽極部２２０との間の溶融塩２１１とが単セル２００を形成している。

第２実施形態のアンモニア電解合成装置２のその他の構成と効果は、第１実施形態のアンモニア電解合成装置１と同様である。

（第３実施形態）
図４に示すように、第３実施形態のアンモニア電解合成装置３は、溶融塩浴槽３１０と、水蒸気供給陽極部３２０と、陰極３３０と、窒素供給部３５０と、電源部３６０とを備える。陽極部３２０は、陽極３２１と、水蒸気供給部３２２と、電解質部３２３と、水素透過金属膜３２４との集合体として構成される。

溶融塩浴槽３１０は、溶融塩３１１を収容するものである。溶融塩３１１としては、例えば、ＬｉＣｌ−ＫＣｌやＬｉＣｌ−ＫＣｌ−ＣｓＣｌなどが用いられる。

陽極３２１は、酸素発生陽極であり、例えば多孔質に形成されガス拡散性を有している。陽極３２１は、例えば、多孔質ニッケルなどを用いることができる。

水蒸気供給部３２２は、陽極３２１が接する気相部から電解質部３２３に、さらにはこれと接する水素透過金属膜３２４表面に水蒸気を供給するためのものである。水蒸気供給部３２２は、例えば、水蒸気を流通させる流路によって構成されている。水蒸気供給部３２２は水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、水蒸気発生部において発生させられた水蒸気を陽極３２１内部まで到達させる供給路とによって構成されていてもよい。図４には、水蒸気供給部３２２において水蒸気の供給路を構成する部分を示す。

電解質部３２３では、電解質の一例として溶融水酸化物（ＮａＯＨやＫＯＨ、あるいはこれらを成分とする溶融水酸化物など）が保持されており、アルミナ製等の多孔質セラミクス膜によって保持されていてもよい。

水素透過金属膜３２４はバイポーラ電極として働く。水素透過金属膜はＰｄやＴａ、Ｎｂ等、あるいはこれらをベースにした合金などが好ましい。

水蒸気供給陽極部３２０においては、上方から順に、上述の陽極３２１と、溶融水酸化物が保持された電解質部３２３と、水素透過金属膜３２４とが一体化されている。水蒸気供給陽極部３２０は、下部の水素透過金属膜３２４が溶融塩３１１に接触するように配置される。

陰極３３０は、溶融塩浴槽３１０内に配置されて窒素を還元するものである。アンモニア電解合成装置３においては、陰極３３０も陽極３２１と同様、多孔質に成形されている。陰極３３０は、例えば、多孔質Ｎｉを用いることができる。多孔質に成形されている陰極３３０と、陰極３３０内に供給された窒素と、陰極３３０内に濡れ上がった溶融塩３１１とによって、固気液の三相界面が形成される。なお、陰極３３０は、電極材料と窒素ガスと溶融塩との固気液三相界面が効率よく形成される形態であれば、多孔質に成形されていなくてもよく、例えば、鉛直方向に延びる平板を水平方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、鉛直方向に延びる円筒を水平方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。

窒素供給部３５０は、陰極３３０に窒素を供給するものである。窒素供給部３５０は、陰極３３０が接する気相部から、陰極３３０に窒素を供給するためのものである。窒素供給部３５０は、例えば、窒素を収容するボンベと、ボンベ内の窒素を陰極３３０まで流通させる流路とによって構成されている。

また、第１、第２実施形態と同様に陰極２３０での反応によって生成する窒化物イオンの溶融塩中への逸散を促進させる目的で、陰極内部に溶融塩の流路を備える形態であったり、供給される窒素ガスが多孔質の陰極内部を通じて溶融塩中に排出される形態としてもよい。

電源部３６０は、陽極３２１と陰極３３０との間に所定の電圧を印加するためのものである。

リード線３７０は、陽極３２１と電源部３６０とを電子的に接続するものである。図４に示すアンモニア電解合成装置３においては、陽極３２１に電流を流すための導電材のリード線３７０の一部は、一例として水蒸気供給部３２２内に接続されている。なお、必ずしもリード線３７０の一部が水蒸気供給部３２２内に接続される必要はない。

次に、アンモニア電解合成装置３におけるアンモニアの合成について説明する。

まず、水蒸気供給部３２２から陽極３２１に水蒸気が供給される。陽極３２１に供給された水蒸気は、陽極３２１を介して、少なくとも陽極３２１近傍の溶融水酸化物まで到達する。このように、陽極３２１を介して陽極３２１の近傍の溶融水酸化物まで水蒸気を到達させるように構成された水蒸気供給陽極部３２０は、陽極３２１と水蒸気供給部３２２とを一体化したものである。

また、窒素供給部３５０から陰極３３０に窒素が供給される。その後、陽極３２１と陰極３３０との間に所定の電圧が印加される。

水蒸気供給陽極部３２０に供給された水蒸気は、直接、もしくは電解質部３２３内に保持されている溶融水酸化物中への溶解を経て、バイポーラ電極の陰極として働く水素透過金属膜３２４の上面に到達し、還元される。このとき、電解質部３２３内に保持されている溶融水酸化物中に水酸化物イオンが生成されると同時に水素透過金属膜３２４内に水素が吸蔵される。

（１３） ６Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ → ６Ｈ_膜＋６ＯＨ⁻

生成した水酸化物イオンは陽極３２１で酸化され、酸素と水とが発生する。水は上式（１３）で供給される水の一部として利用され、酸素は水蒸気供給部３２２へと排出される。

（１４） ６ＯＨ⁻ → （３／２）Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻

一方、陰極３３０には窒素ガスが供給される。陰極３３０に供給された窒素は陰極３３０で還元されて、窒化物イオンが生成される。

（１５） Ｎ_２＋６ｅ⁻ → ２Ｎ^３−

陽極部３２０の水素透過金属膜３２４の上面で生成し吸蔵された水素原子は膜内を拡散し、膜下面で、陰極３３０で生成された窒化物イオンとの反応によりアンモニアを生成する。

（１６） ６Ｈ_膜＋２Ｎ^３− → ２ＮＨ_３＋６ｅ⁻

陽極部３２０での全反応は次の通りであり、生成したアンモニアと酸素は、水素透過金属膜３２４により完全に分離されている。

（１７） ２Ｎ^３−＋３Ｈ_２Ｏ → ２ＮＨ_３＋（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻

次に、水蒸気供給陽極部３２０の形態について説明する。水蒸気供給陽極部３２０の陽極３２１は、上述のように多孔質に成形されていてもよいし、例えば、鉛直方向に延びる平板を水平方向に間隔をあけて複数並べて構成されるものや、鉛直方向に延びる円筒を水平方向に密に束ねて構成されるようなものであってもよい。このように、陽極３２１は、水蒸気供給部３２２を経て供給される水蒸気を溶融水酸化物３２３にまで到達させられる形態であれば、多孔質に成形されていなくてもよい。

以上のように、アンモニア電解合成装置３は、溶融塩浴槽３１０と、陰極３３０と、水蒸気供給陽極部３２０とを備える。溶融塩浴槽３１０は、溶融塩３１１を収容するものである。陰極３３０は、溶融塩浴槽３１０内に配置されて窒素を還元するものである。陽極部３２０は、陽極３２１と水蒸気供給部３２２とが一体化されたものである。

このようにして、陽極３２１と水蒸気供給部３２２とを一体化することにより、アンモニア電解合成装置を簡略化することができるので、例えば、大面積の単セル型電解槽の構造を単純化できるのみならず、複数の単セルを積層配置することも容易となるなど、アンモニアの大量生産に向け、装置構成の自由度を飛躍的に高めることが可能なアンモニア電解合成装置３を提供することができる。

また、アンモニア電解合成装置３においては、水蒸気供給陽極部３２０は、水蒸気供給部３２２、陽極３２１、水素透過金属膜３２４と、溶融水酸化物を含む電解質３２３とからなる。水素透過金属膜３２４は、溶融塩浴槽３１０内に配置され、水蒸気供給部３２２を経て供給された水蒸気を還元するように構成されている。

陽極３２１と水素透過金属膜３２４との間は電子的に絶縁されており、電解質３２３はその双方に接触するように配置される。

水素透過金属膜３２４はバイポーラ電極として働く。陽極３２１は多孔質などの上記の形態であるのが好ましく、その場合、溶融水酸化物などの電解質は多孔質内を濡れ上がり、陽極３２１内部の一部または全部に溶融水酸化物などの電解質が存在することになる。

また、アンモニア電解合成装置３においては、陽極３２１は、水蒸気供給部３２２を経て供給される水蒸気を、少なくとも溶融水酸化物まで到達させることが可能であるように構成されている。

水素透過金属膜３２４表面まで直接、もしくは電解質部３２３内に保持されている溶融水酸化物中への溶解を経て到達した水蒸気は、バイポーラ電極である水素透過膜表面で電気化学的に還元されて、ＯＨ⁻とともに水素透過金属膜３２４内に吸蔵水素を生成する。さらにＯＨ⁻は陽極３２１で酸化されて酸素を生成する。水素透過金属膜３２４内を溶融塩浴槽３１０側表面へ拡散した吸蔵水素は、バイポーラ電極の陽極として働く水素透過金属膜３２４の溶融塩浴槽３１０側の表面でのＮ^３−との電気化学的な酸化反応によりアンモニアを生成する。

このように陽極３２１内部を経て直接、もしくは陽極３２１近傍の溶融水酸化物を通じて、水素透過膜表面に水が供給されることで上記のような反応が進行するのであれば、陽極３２１は多孔質である必要はない。

水蒸気供給陽極部３２０をこのように構成することによって、溶融塩浴槽３１０側に別途独立した水蒸気供給部３２２を設けることなく、水蒸気供給陽極部３２０に含まれる水素透過金属膜３２４表面に、溶融塩浴槽３１０の外部から水蒸気を供給することができる。水蒸気供給陽極部３２０は、溶融塩浴槽３１０内の溶融塩３１１から水素透過金属膜３２４によって隔離されるので、水蒸気供給陽極部３２０に供給される水蒸気が溶融塩浴槽３１０内の溶融塩３１１に混入することがない。また水蒸気供給陽極部３２０内に溶融塩浴槽３１０と異なる電解質を保持することができる。

このようにすることにより、陽極３２１と水蒸気供給部３２２とを一体化することができる。この際、水蒸気供給部３２２が金属などの導電性材料の場合、同部分で意図しない電気化学反応が進行することの無いよう、水蒸気供給部３２２と陽極３２１、水蒸気供給部３２２と水素透過金属膜３２４は電子的に絶縁されているのが好ましい。

このようにして、陽極３２１と水蒸気供給部３２２とを一体化することにより、アンモニア電解合成装置３を簡略化することができるので、例えば、大面積の単セル型電解槽の構造を単純化できるのみならず、複数の単セルを積層配置することも容易となるなど、アンモニアの大量生産に向け、装置構成の自由度を飛躍的に高めることが可能なアンモニア電解合成装置３を提供することができる。

第３実施形態のアンモニア電解合成装置３のその他の構成と効果は、第１実施形態のアンモニア電解合成装置１と同様である。

（第４実施形態）
アンモニア大量生産に向けた電解槽構造の一例として、複数の第３実施形態の単セルを積層配置した電解槽構造のアンモニア電解合成装置４を、第４実施形態として図５に示す。この積層化アンモニア電解合成装置４は、溶融塩浴槽４１０と、水蒸気供給陽極部４２０と、陰極４３０と、酸素排出部４４１と、窒素供給部４５０と、電源部４６０と、セパレータ４７０とを備える。水蒸気供給陽極部４２０は、陽極４２１と水蒸気供給部４２２とが一体化されたものであり、電解質部４２３と水素透過金属膜４２４とを含む。

アンモニア電解合成装置４においては、図中に両側矢印Ｃで示す範囲のように、セパレータ４７０とセパレータ４７０との間に配置された陰極４３０と水蒸気供給陽極部４２０と窒素供給部４５０と、陽極部４２０と陰極４３０との間の溶融塩４１１とが単セル４００を形成している。すなわち、第４実施形態の積層化アンモニア電解合成装置４においては、第３実施形態のアンモニア電解合成装置３（図４）における陽極部３２０と陰極３３０と窒素供給部３５０との組み合わせが単セル４００を形成している。図５に示す単セル４００内では水蒸気供給陽極部４２０が陰極４３０の上方に配置されているが、水蒸気供給陽極部４２０が陰極４３０の下方に配置されていてもよい。

溶融塩浴槽４１０は、溶融塩４１１を収容するものであり、溶融塩４１１は図中に矢印Ｐで示す方向に、溶融塩浴槽４１０内で循環されている。基本的には、電極を傾斜させて設置することにより、陽極近傍でのアンモニア気泡の発生に伴うガスリフトが、溶融塩４１１を循環させる駆動力を生じさせるが、さらに、例えば、溶融塩浴槽４１０の左下部にアルゴンガスや窒素ガス等を供給することによるガスリフトを用いたり、回転するプロペラ等を使用したりして、溶融塩４１１を循環させる駆動力を高めてもよい。

水蒸気供給陽極部４２０は、陽極４２１と、水蒸気供給部４２２と、電解質部４２３と、水素透過金属膜４２４により構成される。水蒸気供給陽極部４２０は、上方から順に、上述の陽極４２１と、溶融水酸化物が保持された電解質部４２３と、水素透過金属膜４２４とが一体化されていることが好ましい。

陽極４２１は、酸素発生陽極であり、例えば多孔質であることでガス拡散性を有する。陽極４２１は、例えば、多孔質ニッケルなどを用いることができる。

水蒸気供給部４２２は、図中に破線の矢印で示すように、水蒸気供給陽極部４２０に水蒸気を供給する。水蒸気供給部４２２は、酸素排出部４４１と連結されている。図５には、水蒸気供給部４２２において水蒸気の流路を構成する部分を示す。

水蒸気供給部４２２は、水蒸気を、陽極４２１を介して、少なくとも陽極４２１内もしくは陽極４２１近傍の溶融水酸化物に供給する。このように、陽極４２１を介して、少なくとも陽極４２１内または陽極４２１近傍の溶融水酸化物まで水蒸気を到達させるように構成された水蒸気供給陽極部４２０は、陽極４２１と水蒸気供給部４２２とを一体化したものである。水蒸気供給部４２２が金属などの導電性材料の場合、同部分で意図しない電気化学反応が進行することの無いよう、水蒸気供給部４２２と陽極４２１は電子的に絶縁されているのが好ましい。

電解質部４２３では、アルミナ製等の多孔質膜によって、溶融水酸化物が保持される。

水素透過金属膜４２４はバイポーラ電極として働く。水素透過金属膜はＰｄやＴａ、Ｎｂ等、あるいはこれらをベースにした合金などが好ましい。

陽極部４２０においては、上方から順に、上述の陽極４２１と溶融水酸化物が保持された電解質部４２３と水素透過金属膜４２４とが一体化されている。陽極部４２０は、下部の水素透過金属膜４２４が溶融塩４１１に接触するように配置される。

陰極４３０は、溶融塩浴槽４１０内に配置されて窒素を還元するものである。多孔質に成形されている陰極４３０と、陰極４３０内に供給された窒素と、陰極４３０内に濡れ上がった溶融塩４１１とによって、固気液の三相界面が形成される。

水蒸気供給陽極部４２０と陰極４３０とは、溶融塩４１１を介して対向するように配置されている。水蒸気供給陽極部４２０の水素透過金属膜４２４は、陽極４２１において陰極４３０と対向する面に接続されている。

酸素排出部４４１は、陽極部４２０で生成される酸素を陽極の周辺から回収するためのものである。酸素排出部４４１は、例えば、酸素を流通させる流路と、排気ファンとによって構成されていてもよい。酸素は、図中に点線の矢印で示す方向に流れる。

窒素供給部４５０は、図中に一点鎖線の矢印で示すように、窒素を、陰極４３０において陽極４２１と対向する面の裏面に接触させるように供給する。未反応の窒素ガスは上部の流路を通って回収され、再利用される。なお、陰極４３０での反応によって生成する窒化物イオンの溶融塩中への逸散を促進させる目的で、陰極内部に溶融塩の流路を備える形態であったり、供給される窒素ガスが多孔質の陰極内部を通じて溶融塩中に排出される形態としてもよい。

電源部４６０は、最上段の陽極４２１と最下段の陰極４３０との間に所定の電圧を印加するためのものである。

セパレータ４７０は、水蒸気と窒素ガスとを別々にそれぞれ陽極４２１、陰極４３０に供給するためのものである。セパレータ４７０が導電性であれば、別途電子的な接続部材を用いることなく単セル同士を電子的に接続できるので好ましい。セパレータ４７０は、図３に示す第２実施形態のセパレータ２７０，２７０ｂと同様に構成されている。セパレータ４７０の少なくとも一部は水蒸気供給部４２２内に配置されている。

アンモニア電解合成装置４は、複数の単セル４００を備える。各単セル４００同士は、セパレータ４７０を挟んで電子的に接続されている。このようにすることにより、コンパクトな単セル４００を積層配置した電解槽構造を実現することができる。

セパレータ４７０を、図３（Ｂ）に示すような水蒸気供給側と窒素ガス供給側に分割できる構造を有するセパレータ２７０ｂにすることで、単セルに不具合が生じた場合などに、該当する単セルのみを取り外して修理・交換することが容易になる。また、個別の単セルを電子的に並列に接続することが可能になる。

アンモニア電解合成装置４におけるアンモニアの合成の工程は、第３実施形態のアンモニア電解合成装置３と同様である。

上述の式（１４）に示すように生成された酸素は、酸素排出部４４１を経て排出される。生成されたアンモニアは、循環する溶融塩４１１を経て、各単セル４００から速やかに排出され、溶融塩浴槽４１０から配管を通って、アンモニア電解合成装置４の上部（上部タンク）において回収される。なお、アンモニアの回収は、アンモニア電解合成装置４の上部以外の位置から行われてもよい。

この実施形態においては、第２実施形態とは異なり、単セル４００内で水蒸気供給陽極部４２０と陰極４３０とが鉛直方向に一体化されている。これは、第４実施形態においては、水素透過金属膜４２４によってアンモニアと酸素とが容易に分離されるためである。なお、第４実施形態においても、第２実施形態と同様、水蒸気供給陽極部４２０と陰極４３０とが水平方向に沿って並べて配置されていてもよい。

以上のように、アンモニア電解合成装置４は、溶融塩浴槽４１０と、陰極４３０と、水蒸気供給陽極部４２０とを備える。溶融塩浴槽４１０は、溶融塩４１１を収容するものである。陰極４３０は、溶融塩浴槽４１０内に配置されて窒素を還元するものである。水蒸気供給陽極部４２０は、陽極４２１と水蒸気供給部４２２とが一体化されたものであり、電解質部４２３と水素透過金属膜４２４とを含む。

また、アンモニア電解合成装置４は、陰極４３０に窒素を供給する窒素供給部４５０を備える。水蒸気供給陽極部４２０と陰極４３０との間には、溶融塩４１１が保持される。水素透過金属膜４２４は、水蒸気供給陽極部４２０において溶融塩４１１と接する面に配置される。水蒸気供給陽極部４２０は、少なくとも水蒸気供給陽極部４２０に含まれる電解質部４２３に水蒸気を供給し、水素透過金属膜４２４の表面に水蒸気を到達させるように構成される。窒素供給部４２２は、陰極４３０に窒素が供給されるように構成されている。そして、それぞれ１つの陰極４３０と陽極部４２０と、陰極４３０と水蒸気供給陽極部４２０との間の溶融塩４１１とが単セルを形成している。

第４実施形態のアンモニア電解合成装置４のその他の構成と効果は、第２実施形態のアンモニア電解合成装置２と同様である。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものである。

１，２，３，４：アンモニア電解合成装置、２００，４００：単セル、１１０，２１０，３１０，４１０：溶融塩浴槽、１１１，２１１，３１１，４１１：溶融塩、１２０，２２０，３２０，４２０：水蒸気供給陽極部、１２１，２２１，３２１，４２１：陽極、１２２，２２２，３２２，４２２：水蒸気供給部、３２３，４２３：電解質部、３２４，４２４：水素透過金属膜、１３０，２３０，３３０，４３０：陰極、１５０，２５０，３５０，４５０：窒素供給部。

Claims (9)

1. 溶融塩を収容する溶融塩浴槽と、
   前記溶融塩浴槽内に配置されて窒素を還元する陰極と、
   前記陰極の対極となる陽極と前記陽極に水蒸気を供給する水蒸気供給部とが一体化された水蒸気供給陽極部とを備える、アンモニア電解合成装置。
2. 前記水蒸気供給陽極部は、少なくとも一部が前記溶融塩浴槽に収容される溶融塩に接触し、前記水蒸気供給部を経て供給される水蒸気を前記陽極内部または前記陽極近傍の溶融塩まで到達させることが可能であるように構成されている、請求項１に記載のアンモニア電解合成装置。
3. 前記水蒸気供給陽極部は、水素透過金属膜と、前記陽極と前記水素透過金属膜との間に保持される電解質とを含み、
   前記水素透過金属膜は、前記溶融塩浴槽内に配置されて前記水蒸気供給部を経て供給された水蒸気を還元するように構成されている、請求項１に記載のアンモニア電解合成装置。
4. 前記電解質は溶融水酸化物を含む、請求項３に記載のアンモニア電解合成装置。
5. 前記水蒸気供給陽極部は、前記水蒸気供給部を経て供給される水蒸気を、少なくとも前記溶融水酸化物まで到達させることが可能であるように構成されている、請求項４に記載のアンモニア電解合成装置。
6. 前記陰極に窒素を供給する窒素供給部を備え、
   前記水蒸気供給陽極部と前記陰極との間には、前記溶融塩が保持され、
   前記水蒸気供給陽極部は、前記陽極内に水蒸気が供給されるように構成され、
   前記窒素供給部は、前記陰極に窒素が供給されるように構成されており、
   それぞれ１つの前記陰極と前記陽極部と、前記陰極と前記水蒸気供給陽極部との間の溶融塩とが単セルを形成している、請求項２に記載のアンモニア電解合成装置。
7. 前記陰極に窒素を供給する窒素供給部を備え、
   前記水蒸気供給陽極部と陰極との間には、前記溶融塩が保持され
   前記水素透過金属膜は、前記溶融塩に接する面に配置され、
   前記水蒸気供給陽極部は、前記水蒸気供給陽極部に含まれる前記水素透過金属膜の表面にまで水蒸気を到達させるように構成され、
   前記窒素供給部は、前記陰極に窒素が供給されるように構成されており、
   それぞれ１つの前記陰極と前記水蒸気供給陽極部と、前記陰極と前記水蒸気供給陽極部との間の溶融塩とが単セルを形成している、請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載のアンモニア電解合成装置。
8. 複数の前記単セルを備える、請求項６または請求項７に記載のアンモニア電解合成装置。
9. 前記陰極は多孔質である、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のアンモニア電解合成装置。

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