JP2019512596A - 液体環境中の気相反応物用の電気化学セル - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体環境中の気相反応物からの化学物質の生成のための改善された特性を有する電気化学セルに関する。この電気化学セルは、膜電極アセンブリ構造を有し、かつアノード、イオン交換膜およびカソードを含む。膜電極アセンブリは、生成される化学物質の抽出および処理を促進するために液体溶液に直接接触しており、かつ気体反応物は、液体を通って、膜電極アセンブリに送達される。
電気化学的方法は、小型反応器を使用して、現場で、即座に化学物質を合成するための実行可能な戦略である。例えば、それらは、今日、水処理および殺虫剤用途において使用される塩素ベースの化合物(例えば、次亜塩素酸ナトリウム)の合成のため、またはCO2からのCOの合成のために利用されている。
本発明は、上記の従来の技術の観点で作成され、かつその目的は、膜電極アセンブリ構造における化学物質の電気化学的製造を促進することである。本発明を使用して、膜電極アセンブリから生成物の抽出を強化することが可能である。本発明は、気体反応物の改善された利用も可能にする。
本発明は、膜電極アセンブリ構造における新規電気化学セル設計および反応物の改善された輸送方法に関する。膜電極アセンブリは、図1に示されるように、膜のいずれかの側面に対して押しつけられる、カソードおよびアノードからなる。ポイント番号1は、膜電極アセンブリである。ポイント番号2は、アノード気体拡散層または集電体を示し、ポイント番号3は、アノード触媒層を示す。これらは一緒に、電池のアノードを形成する。ポイント番号4は、イオン交換膜、好ましくは、カチオン交換ペルフッ素化膜である。ポイント番号5は、カソード触媒層であり、ポイント番号6は、カソード気体拡散層または集電体である。これらは一緒に、電池のカソードを形成する。特に、本発明は、反応物の改善された質量輸送のための方法および電気化学セル中の生成物に関する。本発明は、電極において発生した生成物の容易な抽出を可能にする方法にも関する。本発明は、さらに、気体反応物の最適化された使用にも関する。
実施例1
過酸化水素の電気化学的合成
過酸化水素の電気化学的合成は、使用点付近での化学物質の分散発生のために有望である。これは、大規模な化学プラントでのみ効率的に実行可能である、大規模プロセスの工業的過酸化水素合成、アントラキノンプロセスのための現法の限界を克服するであろう。生産プラントから、過酸化水素は、30〜70%の溶液まで濃縮され(危険物としてラベル付けされて)、使用点まで輸送され、そこで、それは典型的に処理可能な濃度まで希釈する必要がある。これらはppmから数%の範囲である可能性もある。そのような輸送および希釈プロセスは、最終使用者に大規模な輸送計画および複雑性をもたらし、有効かつ環境上好ましい化学物質としての過酸化水素の魅力的な特性にもかかわらず、塩素またはホルムアルデヒドなどのそれらのプロセスのための他の選択肢に目が向けられる。現場で過酸化水素を発生させる方法は、輸送計画の負担を排除することによって、化学物質の使用を単純化し、必要とされる低濃度および高純度での過酸化水素の直接的適用を促進するであろう。過酸化水素の濃度が危険レベルを超えないであろうため、これによって、プロセスの安全性も改善されるであろう。このように合成された過酸化水素は、正確に濃度を制御しながら、水または他の液状の溶存酸素レベルを強化するために使用することも可能であろう。
アノード:2H2O→O2+4H++4e−
カソード:2O2+4H++4e−→2H2O2
2H2O2→2H2O+O2
H2O2+2H++2e−→2H2O
Claims (16)
- 少なくとも1つのイオン交換膜(4)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのカソード(5、6)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのアノード(2、3)と、前記カソード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(6)と、前記アノード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(2)とを含む膜電極アセンブリ構造において、1つ以上の電気化学セル(1)を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも1つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、気体分散器(15)が、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面の1cm以内に配置される、装置またはデバイス。
- 前記気体が、触媒層(3、5)まで前記気体拡散層(2、6)中に方向づけられる、請求項1に記載の気体分散器(15)を有する装置。
- 前記化合物が、前記セルの前記カソード側面における酸素還元によって製造される過酸化水素である、請求項1または2に記載の装置またはデバイス。
- 酸素源が、空気、空気から抽出された酸素または酸素供給源である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
- 前記液体が水溶液である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
- 前記液体が流動する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
- 前記カソードが気体拡散電極である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
- 前記カソード触媒が、銀、炭素、金、Pt−Au、Pd−Au、Pt−Hg、Pd−Hg、Ag−Hg、Cu−Hg、Co含有材料、グラフェンまたは他の炭素ベース構造、遷移金属または遷移後金属でドープされたグラフェン、遷移金属もしくは遷移後金属を含有するポルフィリン、またはそのいずれかの組合せを含む群から選択される、請求項7に記載の気体拡散電極を有する装置。
- 前記アノード触媒が、イリジウム、ルテニウム、白金、金またはその混合物を含む群から選択され、かつ触媒がコーティングされた膜として適用される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
- 少なくとも1つのイオン交換膜(4)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのカソード(5、6)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのアノード(2、3)と、前記カソード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(6)と、前記アノード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(2)とを含む膜電極アセンブリ構造において、1つ以上の電気化学セル(1)を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも1つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、前記膜が、カソード反応またはアノード反応または両方のために適切な触媒材料によってコーティングされて、触媒がコーティングされた膜を形成し、かつ前記カソード反応が、過酸化水素への酸素還元である、装置またはデバイス。
- 前記カソード触媒が、銀、炭素、金、Pt−Au、Pd−Au、Pt−Hg、Pd−Hg、Ag−Hg、Cu−Hg、Co含有材料、グラフェンまたは他の炭素ベース構造、遷移金属もしくは遷移後金属でドープされたグラフェン、遷移金属または遷移後金属を含有するポルフィリン、またはそのいずれかの組合せを含む群から選択される、請求項10に記載の触媒がコーティングされた膜を有する装置。
- 少なくとも1つのイオン交換膜(4)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのカソード(5、6)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのアノード(2、3)と、前記カソード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(6)と、前記アノード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(2)とを含む膜電極アセンブリ構造において、1つ以上の電気化学セル(1)を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも1つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、それによって、前記電気化学セルに供給される気体は酸素を含有し、かつ酸素は、前記電気化学セルに供給され、並列または連続して連結され得る同一または他のセル中でのその利用のために再循環される、装置またはデバイス。
- 少なくとも1つのイオン交換膜(4)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのカソード(5、6)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのアノード(2、3)と、前記カソード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(6)と、前記アノード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(2)とを含む膜電極アセンブリ構造において、1つ以上の電気化学セル(1)を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも1つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、かつ前記電気化学的に合成された過酸化水素は、水線(19)または適切な貯留槽(20)中に局所的に導入される、装置またはデバイス。
- 空気および表面殺菌を提供するために、前記合成された過酸化水素を蒸発させる、請求項13に記載の装置またはデバイス。
- ヒドロキシル基の形成を促進するために、前記合成された過酸化水素を紫外線光またはオゾンと組み合わせる、請求項13に記載の装置またはデバイス。
- 少なくとも1つのイオン交換膜(4)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのカソード(5、6)と、適切な触媒を有する少なくとも1つのアノード(2、3)と、前記カソード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(6)と、前記アノード側面上の少なくとも1つの気体拡散層または集電体(2)とを含む膜電極アセンブリ構造において、1つ以上の電気化学セル(1)を使用して、電気化学的手段によって化合物を製造する方法であって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬される方法において、気体分散器(15)が、前記電極の近位に位置し、かつ直接、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面へと前記液体を通して前記反応物気体を供給することを特徴とする方法。
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