JP2019505663A - Electrochemical cell and method - Google Patents
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Abstract
アノード(28)およびカソード(24)の各表面に対して露出している第一の容積を有する電気化学セル(10)は、蒸気を第一の容積内に入れる蒸気入口(5)を備える。固体触媒を有する構造(4)は、第一の容積内にある。The electrochemical cell (10) having a first volume exposed to each surface of the anode (28) and the cathode (24) comprises a vapor inlet (5) that encloses the vapor into the first volume. Structure (4) with a solid catalyst is in the first volume.
Description
本発明は、電気化学セル、特にアンモニア(NH3)を合成するための電気化学セルに関する。また、本発明は、アンモニア(NH3)を合成するための方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical cell, in particular an electrochemical cell for synthesizing ammonia (NH 3 ). The present invention also relates to a method for synthesizing ammonia (NH 3 ).
アンモニアの合成に関する要求への公知のアプローチには、
(1)ハーバー・ボッシュ法−鉄触媒を用いたN2およびH2の加圧および加熱;
(2)溶融塩電解質およびガス電極による電気化学的な合成[1〜3];および
(3)固体電解質、および電極触媒を用いた電極による電気化学的な合成[4〜6]
が含まれる。
[1]Murakami T.、T.Nishikiori、T.NohiraおよびY.Ito著「Electrolytic Synthesis of Ammonia in Molten Salts Under Atmospheric Pressure」、J.Amer.Chem.Soc.125(2)、334〜335頁(2003)
[2]Murakami T.等著「Electrolytic Ammonia Synthesis from Water and Nitrogen Gas in Molten Salt Under Atmospheric Pressure」、Electrochim.Acta50(27)、5423〜5426頁(2005)
[3]米国特許第6,881,308号明細書(US Patent6,881,308B2)
[4]Marnellos,G.、Zisekas,S.およびStoukides,M.(2000)、Synthesis of ammonia at atmospheric pressure with the use of solid state proton conductors、J.Catal.193、80〜88、doi:10.1006/jcat.2000.2877
[5]Lan,R.、Irvine,J.T.S.およびTao,S.(2013)、Synthesis of ammonia directly from air and water at ambient temperature and pressure、Sci.Rep.3、1145、doi:10.1038/srep01145
[6]Skodra,A.およびStoukides,M.(2009)、Electrocatalytic synthesis of ammonia from steam and nitrogen at atmospheric pressure、Solid State Ionics180、1332〜1336
[7]Banares−Alcantra等「Analysis of Islanded Ammonia−based Energy Storage Systems」、University of Oxford、2015年9月。
Known approaches to the requirements for ammonia synthesis include:
(1) Harbor Bosch method—pressurization and heating of N 2 and H 2 using an iron catalyst;
(2) Electrochemical synthesis with molten salt electrolyte and gas electrode [1-3]; and (3) Electrochemical synthesis with electrode using solid electrolyte and electrode catalyst [4-6]
Is included.
[1] Murakami T. et al. T. Nishikiori, T .; Nohira and Y.C. Ito, “Electrolytic Synthesis of Ammonia in Molten Salts Under Atmospheric Pressure”, J. Am. Amer. Chem. Soc. 125 (2), 334-335 (2003)
[2] Murakami T. et al. Et al., “Electrolytic Ammonia Synthesis from Water and Nitrogen Gas in Molten Salt Under Atmospheric Pressure”, Electrochim. Acta 50 (27), pages 5423-5426 (2005)
[3] US Pat. No. 6,881,308 (US Patent 6,881,308B2)
[4] Marnellos, G .; Zisekas, S .; And Stukides, M .; (2000), Synthesis of ammonia at atmospheric pressure with the use of solid state prototype conductors, J. Am. Catal. 193, 80-88, doi: 10.1006 / jcat. 2000.2877
[5] Lan, R.A. Irvine, J .; T.A. S. And Tao, S .; (2013), Synthesis of Ammonia directive from air and ambient at temperature and pressure, Sci. Rep. 3, 1145, doi: 10.1038 / srep01145
[6] Skodra, A .; And Stukides, M .; (2009), Electrocatalytic synthesis of ammonia from steam and nitrogen atmospheric pressure, Solid State Ionics 180, 1332-1336.
[7] Banares-Alcantra et al., “Analysis of Islanded-Ammonia-based Energy Storage Systems”, University of Oxford, September 2015.
本発明は、水および窒素(N2)からアンモニアを合成するための代替的な方法および装置の提供を目的とする。 The present invention seeks to provide an alternative method and apparatus for synthesizing ammonia from water and nitrogen (N 2 ).
よって、本発明により、添付の特許請求の範囲に規定されている方法および装置が提供される。 Accordingly, the present invention provides a method and apparatus as defined in the appended claims.
本発明の上記およびさらなる対象、特徴および利点は、添付の特許請求の範囲との関連で、本発明の特定の実施形態についての以下の記載からより明らかとなる。 The above and further objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of specific embodiments of the invention in connection with the appended claims.
図1に示されている本発明の実施形態は、多孔質体で区分された3つの容積1〜3を有する電気化学セル10である。 The embodiment of the invention shown in FIG. 1 is an electrochemical cell 10 having three volumes 1 to 3 partitioned by a porous body.
第一の容積1は、共晶溶融塩のような窒化物伝導体20、例えばLiCl/KCl/Li3Nを含有する。使用時は、この第一の容積に蒸気入口5を通して蒸気(H2O)が導入される。入口蒸気の幅広い分布を保証するために、蒸気拡散器22を設けることができる。
The first volume 1 contains a
第二の容積2は、カソードガス電極である。窒素ガス(N2)26は、このガス電極に、窒化物伝導体20とは反対側の多孔質電極24の表面で導入される。
The
第三の容積3は、アノードガス電極である。多孔質電極28は、窒化物伝導体20と片側で接触している。
The third volume 3 is an anode gas electrode. The
DC電源7により、2つの多孔質電極24、28の間に電位差がもたらされ、アノードガス電極3に印加される正電圧+Vが増加するほど、カソードガス電極2に印加される負電圧−Vも増加する。一般的に、もたらされる電位差は、0.5V〜2Vの範囲にあり得る。
The
使用時に、窒素ガスは、ガスカソード2において還元されて、窒化物イオンになる:
窒化物伝導体20内部で、窒化物イオンは、アノードとカソードとの間の電圧勾配の影響のもと、アノードに向かって移動する。窒化物伝導体19内部で、窒化物イオンが蒸気(水)と衝突および反応して、アンモニアが生成される:
よって、アンモニアは窒素ガスおよび蒸気から生成される。アンモニアは、窒化物伝導体20を通って拡散して、窒化物伝導体の表面に発生する。設備6は、発生したアンモニアガスを捕捉し、これを回収することができる。この際に生じる酸化物イオンは電極間の電位勾配のもとアノードに向かって移動する。このアノード反応により、電子がDC電源に返送され、かつガスアノード電極内へと酸素が生じる:
アンモニアガスは、窒化物伝導体20を通って拡散して、設備6内で捕捉される。これを必要に応じて乾燥および浄化することができ、後に使用するために貯蔵することができる。
The ammonia gas diffuses through the
アンモニアを合成するための従来の方法および装置では水素(H2)が一般的であったが、本発明の電気化学セルの構造は、アンモニア生成物における水素源として、蒸気(H2O)を使用することができる。これにより、水素(H2)を生じさせるための個別の電気分解段階を必要とすることなく、または水素(H2)を購入および貯蔵する必要なく、アンモニア(NH3)を電気化学的に合成することができ、システム設計がはるかに単純になる。 While hydrogen (H 2 ) was common in conventional methods and apparatus for synthesizing ammonia, the structure of the electrochemical cell of the present invention uses steam (H 2 O) as a hydrogen source in the ammonia product. Can be used. Thus, hydrogen (H 2) without requiring a separate electrolysis step for producing, or hydrogen (H 2) without having to purchase and store, ammonia (NH 3) electrochemically synthesized Can make the system design much simpler.
本発明固有の特徴は、第一の容積1内に用意される固体触媒4である。
A unique feature of the present invention is the
本発明の実施形態において、固体触媒は、3次元格子構造の形態で用意される。本発明の別の実施形態において、固体触媒は、ウール構造の形態で用意される。その他の構造、例えば触媒材料製の、または触媒材料で被覆された球体またはその他の形状を使用することができる。 In an embodiment of the present invention, the solid catalyst is prepared in the form of a three-dimensional lattice structure. In another embodiment of the invention, the solid catalyst is provided in the form of a wool structure. Other structures can be used, such as spheres or other shapes made of or coated with catalyst material.
これらの実施形態全てにおいて、触媒は、比較的開放された構造上に用意される:3次元格子、ウール構造、球体またはその他の形状など。触媒に関して、選択される材料次第で、この構造を触媒から製造することができる。 In all of these embodiments, the catalyst is provided on a relatively open structure: a three-dimensional lattice, a wool structure, a sphere, or other shape. With respect to the catalyst, this structure can be produced from the catalyst, depending on the material selected.
比較的開放された構造により、流体が、触媒のすぐ近くで、触媒構造を比較的自由に通ることが保証される。この構造、例えば3次元格子、ウール、球体、その他の形状などにより、(a)入口構造22を通して注入される蒸気が触媒4と相互作用する良好な機会を有するように、(b)窒化物伝導体20を通るイオンの移動が触媒の存在により著しく妨害されないように、かつ(c)窒化物伝導体中および触媒表面で生成されるアンモニア(NH3)が収集用の設備6に上昇することができるように、触媒を効果的に窒化物溶液中に懸濁させることができる。
The relatively open structure ensures that the fluid passes relatively freely through the catalyst structure in the immediate vicinity of the catalyst. Due to this structure, such as a three-dimensional lattice, wool, spheres, or other shapes, (b) nitride conduction so that (a) the vapor injected through the
触媒4により、以下の反応が促進される:
この反応に関する反応速度は、触媒を使用することにより向上する。適切な触媒材料は、公知のFe系触媒およびRu系触媒を含む。適切な触媒に関する検討は、参照[7]にある。 The reaction rate for this reaction is improved by using a catalyst. Suitable catalyst materials include known Fe-based catalysts and Ru-based catalysts. A review on suitable catalysts can be found in reference [7].
蒸気および窒素ガスからアンモニアを合成する適用を特に参照して本発明を説明してきたが、他方で、本発明の電気化学セルおよび合成方法は、第一および第二のイオン成分からその他のガス状生成物を生成するために適用することができる。 While the present invention has been described with particular reference to the application of synthesizing ammonia from steam and nitrogen gas, on the other hand, the electrochemical cell and synthesis method of the present invention is capable of producing other gaseous components from the first and second ionic components. It can be applied to produce a product.
一般的に、第一の供給材料5(上記の例では蒸気(H2O))を第一の容積1に導入する手段が設けられており、かつ第二の供給材料26(上記の例では窒素(N2))をカソード24に導入する手段が設けられている。電解質(上記の例では窒化物伝導体の形態)がアノード28とカソード24との間に設けられている。電圧+Vおよび−Vが、それぞれアノードおよびカソードに印加される。カソードでは、第一のイオン成分(上記の例ではN3−)が第二の供給材料から生成される。第一のイオン成分は、アノードと出発電極(ground electrode)との間の電圧勾配の影響のもと、アノードに向かって電解質を横断する。電解質内部で、第一のイオン成分は、第一の供給材料と衝突し、生成物(上記の例ではアンモニア(NH3))およびイオン副生成物(上記の例では酸化物イオン(O2−))を生じさせる反応が起こる。イオン副生成物は、アノードと出発電極との間の電圧勾配の影響のもと、アノードに向かって電解質を横断し続ける。イオン副生成物は、アノードに達すると、その電荷を放出して、副生成物(上記の例では酸素(O2))が発生する。
Generally, means are provided for introducing the first feed material 5 (in the above example steam (H 2 O)) into the first volume 1 and the second feed material 26 (in the above example). Means are provided for introducing nitrogen (N 2 )) into the
生成物および好ましくは発生した副生成物も収集する手段を設けるべきである。また、アノードまたはカソードで生じる副生成物を収集する手段も設けることができる。 Means should also be provided to collect the product and preferably any by-products generated. Means for collecting by-products generated at the anode or cathode can also be provided.
アノードは、ガス状副生成物を収集するために配置されたガス電極として記載されているものの、このような配置は、異なる反応を実施するために構成されている電気化学セルでは不必要であり得る。このような場合、固体カソードを設ければ十分なことがあり、この場合、第三の容積3を省略することができる。 Although the anode is described as a gas electrode arranged to collect gaseous by-products, such an arrangement is unnecessary in electrochemical cells that are configured to perform different reactions. obtain. In such a case, it may be sufficient to provide a solid cathode, in which case the third volume 3 can be omitted.
当業者にとって明らかなように、添付の特許請求の範囲により規定されている本発明の範囲において、さらなる変更および変法が可能である。 It will be apparent to those skilled in the art that further modifications and variations are possible within the scope of the invention as defined by the appended claims.
Claims (14)
−第一の容積内で生成されるガス状生成物を捕捉する設備(6)、および
−触媒表面に発生するガス状生成物が設備(6)により捕捉されるように、設備(6)の下の第一の容積内に固体触媒を有する構造(4)
をさらに有し、
前記触媒は、比較的開放された構造を有しており、そのため流体は、触媒のすぐ近くで、触媒構造を通ることができ、これにより前記触媒が、効果的に第一の容積内に懸濁されることを特徴とする、前記電気化学セル(10)。 In an electrochemical cell (10) having a first volume exposed to each surface of the anode (28) and the cathode (24) and also comprising a vapor inlet (5) for introducing vapor into the first volume. The electrochemical cell is
The facility (6) for capturing the gaseous product produced in the first volume, and the facility (6) so that the gaseous product generated on the catalyst surface is captured by the facility (6). Structure with solid catalyst in lower first volume (4)
Further comprising
The catalyst has a relatively open structure so that fluid can pass through the catalyst structure in the immediate vicinity of the catalyst so that the catalyst is effectively suspended in the first volume. Said electrochemical cell (10), characterized by being turbid.
Fe系触媒;Ru系触媒
のうち少なくとも1つを有する、請求項1記載の電気化学セル。 The solid catalyst is exposed relative to the first volume:
The electrochemical cell according to claim 1, comprising at least one of a Fe-based catalyst and a Ru-based catalyst.
−アノード(28)およびカソード(24)の各表面に対して露出している第一の容積、
−第一の容積内で生成されるガス状生成物を捕捉する設備(6)、および
−触媒表面に発生するガス状生成物が設備(6)により捕捉されるように、設備(6)の下の第一の容積内に固体触媒を有する構造(4)
前記触媒は、比較的開放された構造を有しており、そのため流体は、触媒のすぐ近くで、触媒構造を通ることができ、これにより前記触媒が、効果的に第一の容積内に懸濁される、
−第一の供給材料を第一の容積(1)に導入する手段(5、22)、
−第二の供給材料(26)を第一の容積(1)に導入する手段(2、24)、および
−第一の容積内に設けられた電解質(20)
を有する電気化学セル(10)自体を有する、装置。 An apparatus for producing a gaseous product from first and second feed materials,
A first volume exposed for each surface of the anode (28) and the cathode (24);
The facility (6) for capturing the gaseous product produced in the first volume, and the facility (6) so that the gaseous product generated on the catalyst surface is captured by the facility (6). Structure with solid catalyst in lower first volume (4)
The catalyst has a relatively open structure so that fluid can pass through the catalyst structure in the immediate vicinity of the catalyst so that the catalyst is effectively suspended in the first volume. Clouded,
Means (5, 22) for introducing the first feed into the first volume (1);
-Means (2, 24) for introducing a second feed (26) into the first volume (1); and-an electrolyte (20) provided in the first volume.
A device comprising an electrochemical cell (10) having the following:
−正電圧+Vをアノード(28)に印加する工程、
−負電圧−Vをカソード(24)に印加する工程、
−第一の供給材料を第一の容積(1)に導入する工程、
−第二の供給材料を多孔質カソードに露出している第二の容積(2)に導入し、前記第二の供給材料をカソードで反応させ、第一の容積(1)中の電解質に第一のイオン成分をもたらす工程、
−第一のイオン成分と第一の供給材料との反応によりガス状生成物を生じさせる工程
を含む、前記方法。 A method for producing a gaseous product by using the apparatus of claim 9, comprising:
Applying a positive voltage + V to the anode (28);
Applying a negative voltage -V to the cathode (24);
Introducing the first feed into the first volume (1);
Introducing a second feed material into the second volume (2) exposed at the porous cathode, reacting said second feed material at the cathode, and adding the second feed material to the electrolyte in the first volume (1); Providing an ionic component;
Said method comprising the step of producing a gaseous product by reaction of the first ionic component with the first feedstock;
−第一のイオン成分が窒化物イオン(N3−)であり、
−第二の供給材料が窒素(N2)であり、かつ
−ガス状生成物がアンモニア(NH3)である、
請求項11から13までのいずれか1項記載の方法。 The first feed is steam (H 2 O);
The first ion component is a nitride ion (N 3− ),
The second feedstock is nitrogen (N 2 ) and the gaseous product is ammonia (NH 3 ),
14. A method according to any one of claims 11 to 13.
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