JP2019532455A - 電気化学的エネルギー変換及び貯蔵のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年8月17日出願の米国特許仮出願第62/376,233号の一部継続出願であり、その開示全体を参照により本願に援用し、かかる開示が本明細書の開示と矛盾しない範囲で開示の継続性を提供する。
アノード側、C6H12→C6H6+6H++6e−
カソード側、2H++2e−+1/2O2→H2O
全体反応、C6H12+3/2O2→C6H6+3H2O
液体有機水素キャリア(LOHC)は、従来技術に記載したように、触媒の存在下で水素を可逆的に化学結合できるベンゼン/シクロヘキサンなどの「分子ペア」からなる。水素捕捉の可逆性は、ベンゼンからシクロヘキサンへの可逆的水素化反応で例示されるように、所与の温度において平衡定数(K)によって完全に定量化される。
式中、角括弧の中の項は構成成分の濃度であり、最後の項は水素の分圧である。平衡定数(K)は、ギブス自由エネルギーの変化(ΔG)、エンタルピーの変化(ΔΗ)及びエントロピーの変化(ΔS)と関係し、したがって類似の熱力学関係による温度(T)に関係する。
−RTlnK=ΔG=ΔH−TΔS
本明細書で論じる熱力学特性は、可能な場合には公開されている実験データ(例えば、米国標準技術局(NIST)データベース)から導出される。データが入手できなかった場合、SPARTAN(登録商標)’16(Wave Function Inc.)のTiデータファイルにあるものなどのコンピュータ計算された熱力学を使用した。特記のない限り、報告された平衡の全ての構成成分は、気相にあると仮定する。
C6H12+3/2O2→C6H6+3H2O
これは、本質的に燃焼反応として、熱力学的に常にきわめて有利であり、事実上温度制限がない。例えば、この反応では、150℃でΔG=−617kJ/mol、K=5.8×1076であり、300℃で−653kJ/mol、K=3.9×1059(すべての構成成分は、気相にあると仮定する)である。このΔGは、理想的には、特定の温度で、電気化学的変換デバイスによって電力として回収できる、利用可能なエネルギーである。燃料/使用済み燃料ペアの利用可能なエネルギー密度は、ΔG0(25℃、1atmの標準条件におけるΔG)で定義され、特定の燃料ペアについて、キャリア燃料の単位質量又は単位体積当たりのキロジュール(kJ)として表される。上記のシクロヘキサンの酸化脱水素反応の場合、ΔG0=−588kJ/molであり、エネルギー密度は、シクロヘキサン/ベンゼン分子ペアについて、6.99kJ/g(シクロヘキサン)と推定される。
本発明の第1の実施形態として、かかる電気化学的酸化脱水素モードでの作動は、熱力学的制約がきわめて少なく、可能なLOHC分子ペアの範囲を広げ、より広い選択肢を提供することができる。これは、エチルシクロヘキサン(C6H11C2H5)をLOHC燃料として参照することによって例証される。分子の接触脱水素は、最初にエチルベンゼン(C6H5C2H5(6H/8C原子))、次にスチレン(C6H5C2H3(8H/8C原子))、その次にフェニルアセチレン(C6H5CCH(10H/8C原子))が生成すると予想でき、フェニルアセチレンは、シクロヘキサン/ベンゼンペアの7.17重量%に対して、かつてない9.5重量%当量という水素貯蔵容量を提供する可能性がある。ただし、最初のエチルシクロヘキサンからエチルベンゼンへの変換は、約280℃でK→1及びΔG→0であり、これだけで水素貯蔵の価値があると考えられる。更にH2を失ってスチレン及びフェニルベンゼン及びフェニルアセチレンを生成するために必要な対応する脱水素温度の690℃及び1250℃は、あまりにも高く、分子の骨格分解を招くと思われる。
C6H11C2H5+2.5O2→C6H5CCH+5H2O;ΔG0=−820kJ/mol
となり、このエチルシクロヘキサン/フェニルアセチレン分子ペアでは、エネルギー密度は7.35kJ/g(エチルシクロヘキサン)に相当する。エチルシクロヘキサン/エチルベンゼン系の5.39kJ/g(エチルシクロヘキサン)及びシクロヘキサン/ベンゼン燃料ペアの6.99kJ/g(シクロヘキサン)と比較して、エチルシクロヘキサン/フェニルアセチレン分子ペアは、潜在的に実用的な有機液体水素キャリア(すなわち、約280℃未満でH2を送達できるもの)で最も高い重量エネルギー密度(C:H=1)を示す。
[S]Ha+x/2O2→[S]Ha−2x+xH2O――(1)(反応1)
式中、[S]Haは、その構造内に、この変換を潜在的に起こし得る水素原子を「a」個含む炭化水素分子を表し、ここで2x≦aである。純粋に熱力学的な観点から、反応1は、通常は吸熱的で平衡制約のある[S]Haから[S]Ha−2x及びxH2への脱水素と、水素から水への発熱的燃焼との組み合わせとして考えてもよい。これは、従来技術(例えば、Soloveichikの特許文献7)に示されるように、現実的にH2可逆システムに限定されるのではなく、全体的に有利なギブスの自由エネルギーの変化、すなわち、−ΔG>0のみに限定される。この意味で、重量又は体積による「水素貯蔵容量」又は「等価水素貯蔵容量」(例えば、Liuらの特許文献10に用いられている)は、その使用条件において水素放出に必要なエネルギーも明記しなければ、意味のある貯蔵エネルギーの尺度にならない。換言すると、LOHCにおいて水素容量の公称値が高いことは、その流体が高いエネルギー密度を有することを必ずしも意味するとは限らない。上に例示したように、本発明の有機液体燃料のエネルギー貯蔵密度は、ΔG0/(分子ペア又は燃料ペアの単位質量又は単位体積)によって十分に定義される。
カソードでは、酸素及びプロトンが還元されて水が生成する。
ΔG=−nFE、式中、nはアノードからカソードに移動した電子の数であり、Fはファラデー定数である。
大幅に高いエネルギー貯蔵容量を生じ得る本発明の第2の実施形態は、燃料の電気化学的酸化脱水素及び電気化学的選択的部分酸化の両方を含み、電気化学的選択的部分酸化は、酸素の取り込みを含む。水は、反応の少なくとも一部の副生成物である。この概念の例示として、メチルシクロヘキサン(C6H11CH3)に起こる可能性のある酸化反応を検討する:
1.環水素の電気化学的酸化脱水素によるトルエンの生成
C6H11CH3+1.5O2→C6H5CH3+3H2O;ΔG0(25C)=−591kJ/mol
2.側鎖の電気化学的部分酸化によるベンジルアルコールの生成
C6H5CH3+0.5O2→C6H5CH2OH;ΔG0(25C)=−133kJ/mol
3.側鎖の更なる電気化学的部分酸化によるベンズアルデヒドの生成
4.C6H5CH2OH+0.5O2→C6H5CHO+H2O;ΔG0(25C)=−195kJ/mol
5.側鎖の更に深い部分酸化による安息香酸の生成
C6H5CHO+O2→C6H5COOH;ΔG0(25C)=−233kJ/mol
6.全体
C6H11CH3+3O2→C6H5COOH+4H2O;ΔG0(25C)=−1152kJ/mol、
その結果、シクロヘキサン/安息香酸ペアでは、エネルギー密度は1152/98.19=11.65kJ/g(メチルシクロヘキサン)である。
1.環水素の酸化脱水素によるエチルベンゼンの生成
C6H11CH2CH3+1.5O2→C6H5CH2CH3+3H2O;ΔG0=−594kJ/mol
2.エチルベンゼンの部分酸化によるフェニルメチルカルビノールの生成
C6H5CH2CH3+1/2O2→C6H5CH(OH)CH3;ΔG0=−143kJ/mol
3.フェニルメチルカルビノールの部分酸化によるアセトフェノンの生成
C6H5CH(OH)CH3+1/2O2→C6H5C(O)CH3+H2O;ΔG0=−213kJ/mol
全体
C6H11CH2CH3+2.5O2→C6H5C(O)CH3+4H2O;ΔG0=−952kJ/mol
その結果、エチルベンゼン/アセトフェノン燃料ペアに関して、利用可能なエネルギー密度は、952kJ/mol又は8.48kJ/g又は2441Wh/kg(エチルベンゼン)である。
1.(C6H11)2CH2+3O2→(C6H5)2CH2+6H2O;ΔG0=−1208kJ/mol
2.(C6H5)2+1/2O2→(C6H5)2CHOH;ΔG0−126kJ/mol
3.(C6H5)2CHOH+1/2O2→(C6H5)2CO+H2O;ΔG0−217kJ/mol
全体:(C6H11)2CH2+4O2→(C6H5)2CO+7H2O;ΔG0−1551kJ/mol
その結果、ジシクロヘキシルメタン/アセトフェノン燃料ペアに関して、エネルギー密度は、1551kJ/mol又は8.60kJ/g(ジシクロヘキシルメタン)である。これらの実施例から、シクロヘキサン環上の置換基の部分酸化は、電気化学的デバイスへの入力燃料の潜在的に利用可能なエネルギーを、シクロヘキサン環の酸化脱水素のエネルギーを超えて、大幅に増加できることが明らかである。ジフェニルメタンなどのアルキルベンゼンの選択的電解による側鎖酸化で、対応するケトンを生成することが報告されている:(非特許文献10)。
正味の反応:[S]Ha+yO2→[S]Ha−2yOy+yH2O――(2)
式中、2y≦aである。
正味の反応:[S]Ha+0.5yO2→[S]Ha−y(OH)y――(2’)
類似の半電池反応は、初期燃料がいくらかの酸素を取り込んで、アルデヒドになるなどの場合に関して書かれている場合がある。酸素源として、水はカソードで常に必要になるが、理想的には、デバイスによる正味の消費はなくなる。
正味の反応:2[S]Ha+1/2xO2+yO2→[S]Ha−2x+[S]Ha−2yOy+(x+y)H2O――(3)
式中、2x≦a及び2y≦aである(−OH基含有生成物の生成(2’のような)は、簡素化のため省略する)。
本発明の第3の実施形態は、少なくとも部分的に電気化学的脱水素化された、及び少なくとも部分的に電気化学的選択酸化された、有機液体燃料をリサイクル及び再生する方法に関する。反応は、電気化学的変換デバイスの電極で起こり、その結果、電流、すなわちアノードからカソードへの電子の流れは、電流が逆方向に流れるように外部電位を与えること(電気分解条件)によって、反転することができる。「背景技術」の節で引用したように、Kariyaら、及びLiuらは、PEM燃料電池をイソプロパノールからアセトン及び水への電気化学的酸化脱水素に使用し、その後、電気分解によって反応を部分的に反転させた。電気化学電池の場合、電極は、電子の流れる方向によって「アノード」及び「カソード」と定義され、電子は常にアノード(酸化が起こる)からカソード(還元が起こる)へと流れる。この電気分解プロセスにおいて、アノード区画の水は、電気化学的に酸化されて、プロトン及び副生成物としての酸素を生成する。すなわち、上記の半電池反応1bの逆である。プロトンは、膜を通過してカソード側に行き、カソード側で「使用済み燃料」は電気化学的に再生される(反応1aの逆)。酸素含有燃料の電解再生(反応2aの逆)では、水が副生成物になる。最も一般的な場合、電気化学的脱水素化及び電気化学的部分酸化された「使用済み」燃料で、水の電気分解を含む全体的な変換、及び「使用済み」燃料の電気化学的水素化及び電気化学的還元は反応4(式3の逆)で記述される。
[S]Ha−2x+[S]Ha−2yOy+(x+y)H2O→[S]Ha+1/2xO2+yO2――(4)
このような、同じ電気化学的変換デバイスによる液体燃料のin−situ再生は、例えば、車両の電気的燃料補給に、又はホームユニット若しくはより大規模なソーラー/風力再生可能エネルギー貯蔵システムの一部として、用いることができる。
[S]Ha−2x−2yOy+(x+2y)H2→[S]Ha+yH2O――(5)
上記の例示は、電気化学的エネルギー変換デバイス(ECD)用の燃料は、(a)ペルヒドロ化芳香族分子/芳香族分子ペア、及び好ましくは、(b)潜在的により高いエネルギー密度のための、環結合した還元/酸化された官能基ペアを、様々な濃度の導入又は初期含有酸素で、含むと考えられることを示す。ただし、実際の燃料は、低い水溶解度、極小の蒸気圧及び準大気温度までの広範な操作条件における優れた流動性など、他の数項目の物理的特性に適合する必要がある。
(R1〜R4 ≡R1’〜R4 ’及びX≡X’)
ただし、プロセスが、環置換基及び連結基の電気化学的部分酸化を追加的に含む場合、R1’〜R4 ’及び−X’−(構造2、4及び6)は、シクロヘキサン及びベンゼン部分のメチル、エチル及びメチロール置換基に関する予測熱化学的データと共に上に例示したように、様々な度合で、部分的に酸化された形態であってもよい。限定するものではないが、一般的に、R1〜R4基及び−X−連結に起こり得る部分酸化シーケンスは、
メチル→メチロール(−CH2OH)、→メタナール(−CHO)→カルボン酸(−COOH)
エチル→エチロール(−CH2CH2OH)又は1−メチル−メチロール(−CH2(OH)CH3)→エタナール(−CH2CHO)又は1メチルメタノール(−C(OH)CH3)→カルボン酸−CH2COOH
である。
メチレン(−CH2−)→ケトン(−C(O)−);及びエタン−1,2−ジイル(−CH2CH2−)→ケトン(−C(O)CH2−)又は1,2−ジケトン(−C(O)C(O))−基
構造1の組成物(唯一の環置換基としてR1=CH3、及びX=−CH2−)+3O2→構造2の組成物(唯一の環置換基としてR1’=CH3、及びX’=−CH2−)+6H2O:ΔG0=−1208kJ/mol*。開路電圧(OCV)=1.259V(n=12)、エネルギー密度=6.215kJ/g又は1726Wh/kg(ペルヒドロ化ベンジルトルエン異性体/ベンジルトルエン異性体の混合物の分子ペア)。
*非特許文献18で12H MLHとしてラベリングされたペルヒドロベンジルトルエンのΔ1 0(気体)実験データ、及びSSPDデータベースから得たエントロピー、ΔS(気体)からの予測、EFD2/6−31G*レベルで、SPARTAN(登録商標)2016 Quantum Chem.Package(Wavefunction Inc.)で計算。Muellerらの同じ(気相)エントロピー値の12H−MLHのΔf 0(液体)データを用いて、ΔG0の−1214kJ/molへのごくわずかな変化が得られた。ただし、ここで水(液体)が生成物の場合、ΔG0=−1265kJ/molである。
構造1(R1=メチル(CH3)及びX=メチレン(−CH2−))+4O2→構造2(X’は架橋カルボニル、C(O))+7H2O;ΔG0=−1564kJ/mol;OCV=1.013V(n=16)。エネルギー密度=8.047kJ/g又は2235Wh/kg(ペルヒドロ化ベンジルトルエン異性体/ベンゾイルトルエン異性体の混合物の分子ペア)。
構造1(R1=メチル(CH3)、X=−CH2−)+5.5O2→構造2(X’=C(O)及びR1’=COOH);ΔG0=−2122kJ/mol,OCV=1.0V(n=22)エネルギー密度=10.92kJ/g又は3030Wh/kg
メチル基からカルボン酸基への酸化により、エネルギー密度が更に35%増加する。上記の2つの酸化工程により、当初の燃料のエネルギー貯蔵容量から合計で75%の増加が得られた。付加官能基(R2〜R4)の選択的酸化により、燃料の電気化学的エネルギー貯蔵容量の更なる増強が得られると予想される。
構造1(R1=CH2OH及びX=−CH2−)+5O2→構造2(R1’=COOH及びX’=C(O))+8H2O、ΔG0=−1989kJ、OCV=1.031V、エネルギー密度=9.45kJ/g又は2626Wh/kg
本発明の代表的燃料の上記エネルギー密度データを、以下の分析によって、有用性、実用性の観点からとらえる。実施例1の燃料ペアのエネルギー密度は、ΔG0=6.215kJ/g又は5.42MJ/L、又は1.51kWh/L(Muellerの参考文献からのペルヒドロ化ベンジルトルエン異性体混合物の密度)。最終的な目標は、DOEの2020年システム体積水素貯蔵目標の1.3kWh/Lに好ましくは匹敵することである(非特許文献19)。あるいは、上記はガソリン又はディーゼルの既知のエネルギー密度に匹敵し得るが、これらの炭化水素の燃料−車両効率(fuel to wheels efficiency)、及び本発明の再生可能燃料の使用効率を、モデルの一般的車両に関して仮定する必要があるだろう。
装置及び実験手順
膜/電極接合体(MEA)−(図2)を、Scribnerテストスタンド及び燃料電池テクノロジーハードウェアを用いて試験した。この試験に使用したMEA2はそれぞれ、25cm2の活性面積を有した。アノード12及びカソード14は、いずれも、疎水性気体拡散層上にコーティングされた1.56mg−Pt/cm2を含有した。複合材膜10は、ポリベンゾイミダゾール(PBI)/20%12−ケイタングステン酸(HSiW)/リン酸(PA)で構成された。MEAを、1.5トン、100℃で3分間ホットプレスした後、組み立て及び試験を実施した。この初期実験では、メチルシクロヘキサン又はペルヒドロジベンジルトルエン−異性体の混合物として(上記Muellerらの参照文献における化合物18H−MSH)を燃料16として使用し、酸素18を酸化剤として使用した。130℃に予熱した燃料は、130℃に維持したバブル加湿器を通したN2流に導入された後、電池のアノード区画に入り、アノード区画からの流出液は大気圧で排出した。酸素流は、0.2L/分、80℃でバブル加湿器に通された後、電池のカソード室に入った。この条件で、メチルシクロヘキサン(沸点101℃)は大部分が気相にあると予想され、ペルヒドロジベンジルトルエン(沸点390℃)は主に液体状態にあると考えられる。MEAを活性化するため、燃料電池を、電流密度0.2A/cm2で、H2を供給しながら、予想OCVに達するまで約3時間作動した。活性化プロセスの後、分極曲線(電池電圧対電流密度)を、160℃、スキャン速度5mV/sで記録した。
N2(気体)の流れは、130℃に維持したバブル加湿器に0.05L/分で通され、次いで、130℃で気化したメチルシクロヘキサンと混合された後、燃料電池2のアノード区画に入った。最も高い性能は、流体を定形のサーペンタイン流路を介して電池のアノードに入れること、及びリン酸含量に最適化されたDanish Power Systemの高温Pt/炭素電極を使用することによって実現された。作動温度は、アノード、電池及びカソードでそれぞれ130℃、160℃及び80℃であった。電池の性能を、1回約6時間の3回の実験の平均として報告し、図3に分極曲線として示す。これは、電池電圧対電流密度及び電池電圧対パワー密度(電圧×活性電池表面積当たりの電流)のプロットである。全ての燃料電池で、電圧は、ゼロに近い電流で最大(開放電圧、OCV)となり、その後負荷の増大と共に徐々に低下する。
N2(気体)の流れは、130℃に維持したバブル加湿器に0.05L/分で通され、次いで、130℃に予熱した0.18mL/分の液体ペルヒドロジベンジルトルエン(異性体の混合物として)の流れと合わせて、この混合物が燃料電池のアノード12区画に供給された。この温度で、ペルヒドロジベンジルトルエン(標準沸点390℃)は、大部分が液相にあると予想される。流体を、サーペンタイン流路を介して電池のアノードに入れた。リン酸に最適化されたDanish Power Systemの高温Pt/炭素電極を使用した。作動温度は、アノード、電池及びカソードでそれぞれ130℃、160℃及び80℃である。1回約6時間の3回の実験の平均としての電池の性能を、図4に示す分極曲線として報告する。
ペルヒドロジベンジルトルエン(異性体の混合物として)を用いるごく最近のFCを、供給液体を平行流路を用いてアノード区画に入れたことを除き、上記実施例6と同じ条件下で運転した。更に、電池内ペルヒドロジベンジルトルエン貯蔵容量を増やすために、カーボンフェルト層を使用した。結果を、分極曲線(電圧対電流密度のみ)として図5に与える。電池電圧対電流密度のプロットは、白丸(○)としてデータポイントと共に示す。図5に示すように、その前の実験−実施例6で得られたペルヒドロジベンジルトルエン電池電圧対電流のデータを、同じ「電流密度」の軸上に黒丸としてプロットしている。このデータを、図4(図5の左に見えるプロットとして再度図示)のデータと比較すると、性能が約1桁改善されていることが明らかである(例えば、0.2Vにおける電流密度は100mA/cm2対8mA/cm2)。
ECDは、燃料電池又はフロー電池であってもよい。いずれの電気化学的デバイスにも共通なのは、イオン伝導性電解質によって分離されたアノード及びカソード電極である。燃料電池では、アノード及びカソードは、ごく接近しているが固体の電解質によって分離された状態で向き合っている。フロー電池では、液相電解質は、電池のカソード区画とアノード区画との間を再循環する。
電気化学的エネルギー変換システムを、図2に概略的に示す。電気化学的デバイス2は、膜/電極接合体(MEA)をその中心的特徴として有する燃料電池として示されている。左側に表示されているのは貯蔵タンク24で、フレッシュな燃料16と使用済み燃料液体26の両方が、可撓性ダイアフラム又はブラダー28で分離されて入っている。更に、電気化学的部分酸化が酸素を導入するときに、必要に応じて試薬として使用できる水をアノード区画12に供給するためのリザーバ30がある(式3参照)。図示のとおり、電池2は、負荷32の下で燃料を消費し、発電を行っている。燃料再生モードで作動したとき、電池2は逆方向に作動し、負荷の代わりに電気が入力される。
Claims (19)
- 電気化学的エネルギー変換システムであって、
電気化学的エネルギー変換デバイスであって、水素再生可能な又は電気化学的に再生可能な液体燃料及び酸化剤の供給源と流体連通し、前記燃料の少なくとも一部を受け取り、触媒、脱水素化及び電気化学的に酸化して発電するための電気化学的エネルギー変換デバイスと、
少なくとも部分的に酸化脱水素化された燃料及び水を含む液体、を含み、前記液体燃料は、メチレン、エタン−1,2−ジイル、プロパン−1,3−ジイル、プロパン−1,2−ジイル、オキシド又は直接的な炭素−炭素結合を介して様々に連結されている、位置異性体の混合物を提供する可能性を有する、少なくとも2種のアルキル置換シクロヘキサン分子を含む組成物である、
電気化学的エネルギー変換システム。 - 前記水素再生可能な液体燃料は、実質的に芳香環水素化されたベンジルトルエンの異なる異性体の混合体及び実質的に環水素化されたジベンジルトルエンの異なる異性体の混合体から選択される2種以上の化合物を含む液体混合物である、請求項1に記載の電気化学的エネルギー変換システム。
- 前記電気化学的に少なくとも部分的に酸化脱水素化された燃料は、ベンジルトルエンの異なる異性体の混合体及びジベンジルトルエンの異なる異性体の混合体から選択される2種以上の化合物の混合物を含む、請求項1に記載の電気化学的エネルギー変換システム。
- 前記燃料の電気化学的部分酸化は、シクロアルカン上又は芳香族分子上のアルキル環置換基の、アルコール、アルデヒド、ケトン又はカルボン酸基への変換を含む、請求項1に記載の電気化学的エネルギー変換システム。
- 前記電気化学的エネルギー変換デバイスは、プロトン電解質膜(PEM)燃料電池であって、アノード、カソード及びプロトン伝導膜を含む、請求項1に記載の電気化学的エネルギー変換システム。
- 前記電気化学的エネルギー変換システムは、前記液体燃料の電気化学的酸化を促進するために前記電気化学的エネルギー変換デバイス内に配置された触媒を更に含む、請求項5に記載の電気化学的エネルギー変換システム。
- 前記触媒は、
パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、ニッケル及びこれらの組み合わせ
からなる群から選択される、請求項6に記載の電気化学的エネルギー変換システム。 - 前記触媒は、炭素支持体にテザーされた金属配位化合物を含み、前記金属は、
パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、及びニッケル
からなる群から選択されてもよい、請求項6に記載の電気化学的エネルギー変換システム。 - 前記プロトン伝導膜は、
スルホン化ポリマー、ホスホン化ポリマー、及び無機−有機複合材料
からなる群から選択される、請求項5に記載の電気化学的エネルギー変換システム。 - 前記プロトン伝導膜は、
ポリ(2,5−ベンゾイミダゾール)(PBI)及びポリ(2,5−ベンゾイミダゾール)とリン酸との組み合わせ又は長鎖ペルフルオロアルキルスルホン酸との組み合わせ
からなる群から選択される、請求項5に記載の電気化学的エネルギー変換システム。 - メソ細孔性炭素にテザーされた白金金属錯体触媒が前記デバイスの前記アノードに用いられている、請求項6に記載の電気化学的エネルギー変換システム。
- 化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための直接燃料電池装置であって、前記装置は、
a.水素化液体燃料であって、アルキル化された実質的に水素化された芳香環のランダム異性体混合物を含む、燃料と、
b.膜及び前記膜に隣接して配置された電極を備える膜/電極接合体(MEA)であって、前記電極は、それぞれ触媒を含むカソード及びアノードを含む、MEAを含み、
前記燃料は前記MEAの前記アノードと流体連通し、前記カソードは酸素と連通し、かつ前記装置は約80℃〜約400℃の温度で作動する、直接燃料電池装置。 - 前記アルキル化された実質的に水素化された芳香環のランダム異性体混合物は、
メチルシクロヘキサン及びトルエン、エチルシクロヘキサン、ペルヒドロベンジルトルエンの異性体の混合物、ペルヒドロジベンジルトルエンの異性体の混合物、並びにペルヒドロ化キシレン及びキシレンの異性体の混合物
からなる群から選択される、1種以上の化合物を含む、請求項12に記載の直接燃料電池装置。 - 前記アノード用前記触媒及び前記カソード用前記触媒は、
パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、ニッケル及びこれらの組み合わせ
からなる群から独立に選択される、請求項12に記載の直接燃料電池装置。 - 前記アノード用前記触媒及び前記カソード用前記触媒は、炭素支持体にテザーされた金属配位化合物を含み、前記金属配位化合物は、
パラジウム、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、及びニッケル
からなる群から独立に選択される、請求項12に記載の直接燃料電池装置。 - 前記膜は、
ヘテロポリ酸で官能化されたポリマー、スルホン化ポリマー、ホスホン化ポリマー、プロトン伝導性セラミック、ポリベンジルイミダゾール(PBI)並びにポリベンジルイミダゾールとリン酸の組み合わせ、及びポリベンジルイミダゾールと長鎖ペルフルオロスルホン酸の組み合わせ
からなる群から選択される材料を含む、請求項14に記載の直接燃料電池装置。 - 約100〜約250℃の温度で作動する、請求項14に記載の直接燃料電池装置。
- 化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する方法であって、前記方法は、
水素化液体燃料を提供する工程であって、前記燃料は、アルキル化された実質的に水素化された芳香環のランダム異性体混合物を含む、工程と、
膜/電極接合体(MEA)を提供する工程であって、前記電極接合体は、それぞれ触媒を含むカソード及びアノードを含む、工程と、
前記燃料と前記MEAとを接触させ、それによって、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する工程、
を含み、前記燃料は、前記MEAの前記アノードと流体連通し、前記カソードは酸素と連通し、かつ前記装置は約80℃〜約400℃の温度で作動する、方法。 - 前記アルキル化された実質的に水素化された芳香環のランダム異性体混合物は、
メチルシクロヘキサン及びトルエン、エチルシクロヘキサン、ペルヒドロベンジルトルエンの異性体の混合物、ペルヒドロジベンジルトルエンの異性体の混合物、並びにペルヒドロ化キシレン及びキシレンの異性体の混合物
からなる群から選択される、1種以上の化合物を含む、請求項18に記載の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する方法。
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