JP2024000171A - 電解装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、水素原料を用いなくてもアンモニアを製造できる電解装置を提供する。【解決手段】電解槽とイオン交換部とガス拡散電極部と光触媒電極部とガス流路を有し、電解槽は、イオン交換部によって第１槽部と第２槽部に区画され、イオン交換部は、第１槽部と第２槽部の間の移動を特定のイオンの移動に制限可能であり、ガス拡散電極部は、多孔質基材の第１主面上の触媒が第１電解液に晒され、多孔質基材の第２主面がガス流路内で窒素ガスに晒されており、光触媒電極部は、第２槽部内で光触媒が第２電解液に晒されており、ガス流路に窒素含有ガスを流通させた状態で、光触媒で光を受光することで、光触媒電極部とガス拡散電極部との間に電圧が発生し、発生した電圧を用いて、触媒上で窒素含有ガス中の窒素ガスを還元してアンモニアを生成し、光触媒上で第２電解液を酸化して過酸化水素を生成する構成とする。【選択図】図１
Description
本発明は、電解装置に関し、特に電解によりアンモニアを生成する電解装置に関する。
近年、燃焼しても二酸化炭素を排出しないことや液体であり貯蔵や運搬が容易であることから、発電燃料としてアンモニアが注目されている。
アンモニアは、工業的には、窒素と水素を高温高圧下で反応させて得るハーバー・ボッシュ法によって製造されている（例えば、特許文献１）。
アンモニアは、工業的には、窒素と水素を高温高圧下で反応させて得るハーバー・ボッシュ法によって製造されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、ハーバー・ボッシュ法によるアンモニアの製造は、水素を原料とするため、あらかじめ水素を製造する必要があり、水素を製造するのに大量のエネルギーが必要となる問題がある。
そこで、本発明は、水素原料を用いなくてもアンモニアを製造できる電解装置を提供することを課題とする。
上記した課題を解決するための本発明の一つの様相は、電解槽と、イオン交換部と、ガス拡散電極部と、光触媒電極部と、窒素ガスを含む窒素含有ガスが流通するガス流路を有し、前記電解槽は、前記イオン交換部によって、第１槽部と第２槽部に区画されており、前記イオン交換部は、前記第１槽部と前記第２槽部との間の移動を特定のイオンの移動に制限可能であり、前記ガス拡散電極部は、多孔質基材の第１主面上に触媒が担持され、前記第１槽部内で前記触媒が第１電解液に晒され、前記多孔質基材の第２主面が前記ガス流路内で窒素ガスに晒されており、前記光触媒電極部は、光触媒を有し、前記第２槽部内で前記光触媒が第２電解液に晒されており、前記ガス流路に前記窒素含有ガスを流通させた状態で、前記光触媒で光を受光することで、前記光触媒電極部と前記ガス拡散電極部との間に電圧が発生し、前記発生した電圧を用いて、前記触媒上で前記窒素含有ガス中の窒素ガスを還元してアンモニアを生成し、前記光触媒上で前記第２電解液を酸化して過酸化水素を生成する、電解装置である。
本様相によれば、窒素ガスを含有する窒素含有ガスと水を電解して、アンモニアを製造できるので、水素原料を使用せずともアンモニアを製造できる。
本様相によれば、光触媒電極部によって発生した電圧を使用するので、より環境にやさしい。
本様相によれば、アンモニアの製造に伴って過酸化水素を生成できるので、生成した過酸化水素を殺菌等に使用できる。
本様相によれば、光触媒電極部によって発生した電圧を使用するので、より環境にやさしい。
本様相によれば、アンモニアの製造に伴って過酸化水素を生成できるので、生成した過酸化水素を殺菌等に使用できる。
好ましい様相は、前記第１電解液は、水又は酸性の水溶液である。
本様相によれば、ガス拡散電極部の触媒上で生成されたアンモニアが第１電解液に溶解するので、アンモニアを回収しやすい。
好ましい様相は、前記第２電解液は、水又はアルカリ性の水溶液である。
本様相によれば、光触媒電極部の光触媒上で生成された過酸化水素が第２電解液に溶解するので、過酸化水素を回収しやすい。
好ましい様相は、前記ガス流路への前記窒素含有ガスの供給量を調節するガス調整部を有し、前記ガス拡散電極部上で未反応の窒素含有ガスを前記ガス調整部に回収する回収流路を備えることである。
本様相によれば、未反応の窒素含有ガスを再度ガス流路での反応に使用できるので、アンモニアの収率を向上できる。
本発明の一つの様相は、電解槽と、イオン交換部と、ガス拡散電極部と、対向電極部と、窒素ガスを含む窒素含有ガスが流通するガス流路と、前記ガス拡散電極部と前記対向電極部の間に電圧を印加する電源装置を有し、前記電解槽は、前記イオン交換部によって、第１槽部と第２槽部に区画されており、前記イオン交換部は、前記第１槽部と前記第２槽部との間の移動を特定のイオンの移動に制限可能であり、前記ガス拡散電極部は、多孔質基材の第１主面上に触媒が担持され、前記第１槽部内で前記触媒が第１電解液に晒され、前記多孔質基材の第２主面が前記ガス流路内で窒素ガスに晒されており、前記対向電極部は、第２触媒を有し、前記第２槽部内で前記第２触媒が第２電解液に晒されており、前記ガス流路に前記窒素含有ガスを流通させた状態で、前記ガス拡散電極部と前記対向電極部の間に電圧を印加することで、前記触媒上で前記窒素含有ガス中の窒素ガスを還元してアンモニアを生成し、前記第２触媒上で前記第２電解液を酸化して過酸化水素を生成する、電解装置である。
本様相によれば、窒素ガスを含有する窒素含有ガスと水を電解して、アンモニアを製造できるので、水素原料を使用せずともアンモニアを製造できる。
本様相によれば、アンモニアの製造に伴って過酸化水素を生成できるので、生成した過酸化水素を殺菌等に使用できる。
本様相によれば、アンモニアの製造に伴って過酸化水素を生成できるので、生成した過酸化水素を殺菌等に使用できる。
本発明によれば、水素原料を用いなくてもアンモニアを製造できる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明の第１実施形態の電解装置１は、主に、窒素ガスと水からアンモニアと過酸化水素を製造するものである。
電解装置１は、図１のように、電解槽２と、ガス供給部３と、ガス調整部６と、第１電解液供給部７と、第２電解液供給部８と、第１貯留部１０と、第２貯留部１１と、電源装置１２と、第１供給側配管部１３と、第２供給側配管部１５と、回収側配管部１６を備えている。
電解装置１は、図１のように、電解槽２と、ガス供給部３と、ガス調整部６と、第１電解液供給部７と、第２電解液供給部８と、第１貯留部１０と、第２貯留部１１と、電源装置１２と、第１供給側配管部１３と、第２供給側配管部１５と、回収側配管部１６を備えている。
（電解槽２）
電解槽２は、図１のように、槽本体部２０と、ガス拡散電極部２１と、光触媒電極部２２（対向電極部）と、イオン交換部２３と、ガス導入部２５と、ガス排出部２６と、ガス流路２７と、第１電解液導入部３５と、第１電解液排出部３６と、第２電解液導入部３７と、第２電解液排出部３８を備えている。
電解槽２は、図１のように、槽本体部２０と、ガス拡散電極部２１と、光触媒電極部２２（対向電極部）と、イオン交換部２３と、ガス導入部２５と、ガス排出部２６と、ガス流路２７と、第１電解液導入部３５と、第１電解液排出部３６と、第２電解液導入部３７と、第２電解液排出部３８を備えている。
槽本体部２０は、イオン交換部２３によって区画されており、第１槽部４０と、第２槽部４１を備えている。
第１槽部４０は、ガス拡散電極部２１と、イオン交換部２３の間の部位であり、第１電解液４５が充填される部位である。
第２槽部４１は、光触媒電極部２２と、イオン交換部２３の間の部位であり、第２電解液４６が充填される部位である。
第１槽部４０は、ガス拡散電極部２１と、イオン交換部２３の間の部位であり、第１電解液４５が充填される部位である。
第２槽部４１は、光触媒電極部２２と、イオン交換部２３の間の部位であり、第２電解液４６が充填される部位である。
ガス拡散電極部２１は、ガス流路２７を通過する窒素ガスを還元し、アンモニアを生成するカソード電極部である。
ガス拡散電極部２１は、多孔質基材５０と触媒５１で構成され、多孔質基材５０の第１主面５２上に触媒５１が担持されたものである。
ガス拡散電極部２１は、多孔質基材５０と触媒５１で構成され、多孔質基材５０の第１主面５２上に触媒５１が担持されたものである。
多孔質基材５０は、導電性を有し、複数の空隙を有した導電基板であり、厚み方向に気体を通過可能で液体を通過不能にする基板である。
多孔質基材５０は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維などが使用できる。
多孔質基材５０は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維などが使用できる。
触媒５１は、窒素ガスを酸化し、窒素酸化物ガス（ＮＯｘ）を形成するアノード触媒である。
触媒５１としては、窒素ガスを酸化し、窒素酸化物ガスを形成するものであれば特に限定されないが、例えば、Chem. Sci., 2021, 12, 6442-6448にて提案されているＩｒＯ２、ＰｔＯ２、ＰｄＯ２、及びＴｉＯ２から選ばれる少なくとも１種の触媒が使用できると考えられ、特に、Ｔｉ２（１１０）とＩｒＯ２（１１０）の混合触媒が好ましく使用できると考えられる。
ここでいう「窒素酸化物ガス（ＮＯｘ）」とは、窒素と酸素が化合した物質の総称であり、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、三酸化二窒素（Ｎ２Ｏ３）などを含む。
触媒５１としては、窒素ガスを酸化し、窒素酸化物ガスを形成するものであれば特に限定されないが、例えば、Chem. Sci., 2021, 12, 6442-6448にて提案されているＩｒＯ２、ＰｔＯ２、ＰｄＯ２、及びＴｉＯ２から選ばれる少なくとも１種の触媒が使用できると考えられ、特に、Ｔｉ２（１１０）とＩｒＯ２（１１０）の混合触媒が好ましく使用できると考えられる。
ここでいう「窒素酸化物ガス（ＮＯｘ）」とは、窒素と酸素が化合した物質の総称であり、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、三酸化二窒素（Ｎ２Ｏ３）などを含む。
光触媒電極部２２は、第２電解液４６を酸化し、過酸化水素を生成するアノード電極部である。
光触媒電極部２２は、透明導電基材６０と光触媒６１（第２触媒）で構成され、透明導電基材６０の第１主面６２上に光触媒６１が担持されたものである。
光触媒電極部２２は、透明導電基材６０と光触媒６１（第２触媒）で構成され、透明導電基材６０の第１主面６２上に光触媒６１が担持されたものである。
透明導電基材６０は、導電性と透光性を有した透明導電基板である。
透明導電基材６０は、導電性と透光性を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば、ガラス基板上に透明導電性酸化物層が積層された透明導電性酸化物基板などが使用できる。
透明導電基材６０は、導電性と透光性を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば、ガラス基板上に透明導電性酸化物層が積層された透明導電性酸化物基板などが使用できる。
光触媒６１は、光を受光することで表面の第２電解液４６を酸化する酸化触媒である。
光触媒６１は、光触媒活性を有するものであれば、特に限定されるものではない。光触媒６１としては、例えば、三酸化タングステン（ＷＯ３）触媒、バナジン酸ビスマス（ＢｉＶＯ４）触媒、酸化スズ（ＳｎＯ２）触媒、酸化チタン（ＴｉＯ２）触媒、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）触媒などが使用できる。
光触媒６１は、光触媒活性を有するものであれば、特に限定されるものではない。光触媒６１としては、例えば、三酸化タングステン（ＷＯ３）触媒、バナジン酸ビスマス（ＢｉＶＯ４）触媒、酸化スズ（ＳｎＯ２）触媒、酸化チタン（ＴｉＯ２）触媒、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）触媒などが使用できる。
イオン交換部２３は、第１槽部４０と第２槽部４１に仕切るセパレータである。
イオン交換部２３は、厚み方向において、特定のイオンのみを移動可能とし、残りのイオンや電子の移動を規制する膜である。
本実施形態のイオン交換部２３は、陽イオン交換膜であり、陰イオンや電子の移動を制限又は不能にし、陽イオンだけを移動可能としている。
また、イオン交換部２３は、厚み方向のガスの流通を遮断する遮断膜でもある。
イオン交換部２３は、イオン交換が可能であり、水素や酸素がクロスオーバーしなければ材質は特に限定されない。
イオン交換部２３としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等のパーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマーの膜などの高分子膜が使用できる。
イオン交換部２３は、厚み方向において、特定のイオンのみを移動可能とし、残りのイオンや電子の移動を規制する膜である。
本実施形態のイオン交換部２３は、陽イオン交換膜であり、陰イオンや電子の移動を制限又は不能にし、陽イオンだけを移動可能としている。
また、イオン交換部２３は、厚み方向のガスの流通を遮断する遮断膜でもある。
イオン交換部２３は、イオン交換が可能であり、水素や酸素がクロスオーバーしなければ材質は特に限定されない。
イオン交換部２３としては、例えば、ナフィオン（登録商標）等のパーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマーの膜などの高分子膜が使用できる。
ガス導入部２５は、ガス供給部３から供給される窒素ガスを含む窒素含有ガスをガス流路２７の内部に導入する部位である。
ガス排出部２６は、ガス流路２７内の窒素含有ガスをガス流路２７の外部に排出する部位である。
ガス流路２７は、ガス導入部２５とガス排出部２６間をつなぐ流路であり、窒素含有ガスを通過させることが可能となっている。
ガス流路２７は、流れ方向の中間部において、ガス拡散電極部２１が内壁の一部を構成している。
ガス流路２７は、流れ方向の中間部において、ガス拡散電極部２１が内壁の一部を構成している。
第１電解液導入部３５は、第１電解液供給部７から供給される第１電解液４５を第１槽部４０の内部に導入する部位である。
第１電解液排出部３６は、第１槽部４０の内部から第１貯留部１０に第１電解液４５を排出する部位である。
第１電解液４５は、プロトンを含む液体であり、プロトンを含むものであれば、特に限定されないが、例えば、水や酸性溶液であることが好ましい。
第２電解液導入部３７は、第２電解液供給部８から供給される第２電解液４６を第２槽部４１の内部に導入する部位である。
第２電解液排出部３８は、第２槽部４１の内部から第２貯留部１１に第２電解液４６を排出する部位である。
第２電解液４６は、水酸化物イオンを含む液体であり、水酸化物イオンを含むものであれば、特に限定されないが、例えば、水又はアルカリ性水溶液などが使用できる。
（ガス供給部３）
ガス供給部３は、窒素ガスを含む窒素含有ガスをガス調整部６に供給する部位である。
ガス供給部３は、ガス調整部６への窒素含有ガスの供給量を調整可能となっている。
ガス供給部３は、窒素ガスを含む窒素含有ガスをガス調整部６に供給する部位である。
ガス供給部３は、ガス調整部６への窒素含有ガスの供給量を調整可能となっている。
（ガス調整部６）
ガス調整部６は、ガス流路２７への窒素含有ガスの供給量を調節する部位である。
ガス調整部６は、ガス供給部３から供給される窒素含有ガスと、ガス流路２７から回収した窒素含有ガスを混合し、所定の流量でガス導入部２５に供給可能となっている。
ガス調整部６は、ガス流路２７への窒素含有ガスの供給量を調節する部位である。
ガス調整部６は、ガス供給部３から供給される窒素含有ガスと、ガス流路２７から回収した窒素含有ガスを混合し、所定の流量でガス導入部２５に供給可能となっている。
（第１電解液供給部７）
第１電解液供給部７は、第１電解液４５を第１電解液導入部３５から第１槽部４０内に供給する部位である。
第１電解液供給部７は、第１槽部４０への第１電解液４５の供給量を調整可能となっている。
第１電解液供給部７は、第１電解液４５を第１電解液導入部３５から第１槽部４０内に供給する部位である。
第１電解液供給部７は、第１槽部４０への第１電解液４５の供給量を調整可能となっている。
（第２電解液供給部８）
第２電解液供給部８は、第２電解液４６を第２電解液導入部３７から第２槽部４１内に供給する部位である。
第２電解液供給部８は、第２槽部４１への第２電解液４６の供給量を調整可能となっている。
第２電解液供給部８は、第２電解液４６を第２電解液導入部３７から第２槽部４１内に供給する部位である。
第２電解液供給部８は、第２槽部４１への第２電解液４６の供給量を調整可能となっている。
（第１貯留部１０）
第１貯留部１０は、第１槽部４０内で生成されたアンモニアを含む第１電解液４５を貯留する貯留タンクである。
第１貯留部１０は、第１電解液４５からアンモニアを抽出する抽出機構を有することが好ましい。
第１貯留部１０は、第１槽部４０内で生成されたアンモニアを含む第１電解液４５を貯留する貯留タンクである。
第１貯留部１０は、第１電解液４５からアンモニアを抽出する抽出機構を有することが好ましい。
（第２貯留部１１）
第２貯留部１１は、第２槽部４１内で生成された過酸化水素を含む第２電解液４６を貯留する貯留タンクである。
第２貯留部１１は、第２電解液４６から過酸化水素を抽出する抽出機構を有することが好ましい。
第２貯留部１１は、第２槽部４１内で生成された過酸化水素を含む第２電解液４６を貯留する貯留タンクである。
第２貯留部１１は、第２電解液４６から過酸化水素を抽出する抽出機構を有することが好ましい。
（電源装置１２）
電源装置１２は、電解槽２に電力を供給する電力供給装置であり、ガス拡散電極部２１と光触媒電極部２２の間に電圧を印加する電圧印加装置である。
電源装置１２は、ガス拡散電極部２１と光触媒電極部２２の間に電圧を印加できるものであれば特に限定されるものではない。電源装置１２は、商用電源装置であってもよいし、太陽電池等の再生可能エネルギーを用いた発電装置であってもよいし、二次電池等の蓄電装置であってもよい。
電源装置１２は、電解槽２に電力を供給する電力供給装置であり、ガス拡散電極部２１と光触媒電極部２２の間に電圧を印加する電圧印加装置である。
電源装置１２は、ガス拡散電極部２１と光触媒電極部２２の間に電圧を印加できるものであれば特に限定されるものではない。電源装置１２は、商用電源装置であってもよいし、太陽電池等の再生可能エネルギーを用いた発電装置であってもよいし、二次電池等の蓄電装置であってもよい。
（第１供給側配管部１３）
第１供給側配管部１３は、図１のように、ガス供給部３とガス調整部６を接続する配管部であり、ガス供給部３からガス調整部６に窒素含有ガスを供給する供給流路を構成するものである。
第１供給側配管部１３は、図１のように、ガス供給部３とガス調整部６を接続する配管部であり、ガス供給部３からガス調整部６に窒素含有ガスを供給する供給流路を構成するものである。
（第２供給側配管部１５）
第２供給側配管部１５は、ガス調整部６とガス導入部２５を接続する配管部であり、ガス調整部６からガス流路２７に窒素含有ガスを供給する供給流路を構成するものである。
第２供給側配管部１５は、ガス調整部６とガス導入部２５を接続する配管部であり、ガス調整部６からガス流路２７に窒素含有ガスを供給する供給流路を構成するものである。
（回収側配管部１６）
回収側配管部１６は、ガス排出部２６とガス調整部６を接続する配管部である。
回収側配管部１６は、ガス流路２７から未反応の窒素含有ガスを回収する回収流路を構成するものであって、かつ未反応の窒素含有ガスをガス調整部６に供給する供給流路を構成するものでもある。
回収側配管部１６の中途には、ガス排出部２６側からガス調整部６側に向かうガスの流通を可能とし、ガス調整部６側からガス排出部２６側に向かうガスの流通を不能とする逆止部７０を備えている。
回収側配管部１６は、ガス排出部２６とガス調整部６を接続する配管部である。
回収側配管部１６は、ガス流路２７から未反応の窒素含有ガスを回収する回収流路を構成するものであって、かつ未反応の窒素含有ガスをガス調整部６に供給する供給流路を構成するものでもある。
回収側配管部１６の中途には、ガス排出部２６側からガス調整部６側に向かうガスの流通を可能とし、ガス調整部６側からガス排出部２６側に向かうガスの流通を不能とする逆止部７０を備えている。
続いて、電解装置１の各部位の位置関係について説明する。
電解装置１は、図１のように、第１槽部４０内にガス拡散電極部２１が配されており、第２槽部４１内に光触媒電極部２２が配されている。
ガス拡散電極部２１の触媒５１側の面は、光触媒電極部２２の光触媒６１側の面とイオン交換部２３を挟んで対向している。
ガス拡散電極部２１は、多孔質基材５０の第１主面５２が第１槽部４０に露出しており、多孔質基材５０の第２主面５３がガス流路２７に露出している。
光触媒電極部２２は、透明導電基材６０の第１主面６２が第２槽部４１に露出しており、透明導電基材６０の第２主面が受光面となっている。
ガス拡散電極部２１の触媒５１側の面は、光触媒電極部２２の光触媒６１側の面とイオン交換部２３を挟んで対向している。
ガス拡散電極部２１は、多孔質基材５０の第１主面５２が第１槽部４０に露出しており、多孔質基材５０の第２主面５３がガス流路２７に露出している。
光触媒電極部２２は、透明導電基材６０の第１主面６２が第２槽部４１に露出しており、透明導電基材６０の第２主面が受光面となっている。
ガス供給部３は、第１供給側配管部１３を介してガス調整部６に接続されており、ガス調整部６は、第２供給側配管部１５を介してガス導入部２５に接続されている。
すなわち、電解装置１は、ガス供給部３からガス調整部６を経由してガス導入部２５に窒素含有ガスを供給する供給流路が形成されている。
ガス排出部２６は、回収側配管部１６を介してガス調整部６に接続されている。
すなわち、電解装置１は、ガス排出部２６からガス調整部６を経由してガス導入部２５に窒素含有ガスを供給する回収流路が形成されている。
すなわち、電解装置１は、ガス供給部３からガス調整部６を経由してガス導入部２５に窒素含有ガスを供給する供給流路が形成されている。
ガス排出部２６は、回収側配管部１６を介してガス調整部６に接続されている。
すなわち、電解装置１は、ガス排出部２６からガス調整部６を経由してガス導入部２５に窒素含有ガスを供給する回収流路が形成されている。
続いて、本実施形態の電解装置１を用いて過酸化水素とアンモニアを生成する際の動作について説明する。
まず、電解液供給部７，８から槽部４０，４１に電解液４５，４６を供給し、槽部４０，４１内の大部分に電解液４５，４６を充填する。
このとき、第１電解液４５が第１槽部４０に充填され、ガス拡散電極部２１が第１槽部４０内で第１電解液４５に浸され、触媒５１が第１電解液４５に晒されている。
同様に、第２電解液４６が第２槽部４１に充填され、光触媒電極部２２が第２槽部４１内で第２電解液４６に浸され、光触媒６１が第２電解液４６に晒されている。
第１電解液４５の液位は、ガス拡散電極部２１の触媒５１の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
第２電解液４６の液位は、光触媒電極部２２の光触媒６１の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
同様に、第２電解液４６が第２槽部４１に充填され、光触媒電極部２２が第２槽部４１内で第２電解液４６に浸され、光触媒６１が第２電解液４６に晒されている。
第１電解液４５の液位は、ガス拡散電極部２１の触媒５１の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
第２電解液４６の液位は、光触媒電極部２２の光触媒６１の８０％以上が浸る液位であることが好ましく、９０％以上が浸る液位であることがより好ましい。
また、別途工程にて、ガス供給部３からガス調整部６を介してガス流路２７に窒素含有ガスを供給する。
このとき、ガス拡散電極部２１の多孔質基材５０は、第２主面５３がガス流路２７を流通する窒素含有ガスに晒されている。
そして、ガス流路２７に窒素含有ガスを流通させた状態で、光触媒電極部２２で光を受光し、さらに電源装置１２によってガス拡散電極部２１と光触媒電極部２２の間に電圧を印加する。
このとき、光触媒電極部２２の光触媒６１上では、下記反応式（１）の電気化学反応が生じ、第２電解液４６内の水が酸化され、過酸化水素が生成される。また、ガス拡散電極部２１の触媒５１上では、下記反応式（２）の電気化学反応が生じ、ガス流路２７内の窒素ガスが還元され、アンモニアが生成される。その結果、全体としては、下記反応式（３）のような窒素ガスと水が反応してアンモニアと過酸化水素が生成される反応となる。
また、このとき、ガス拡散電極部２１で生成されたアンモニアは、第１電解液４５に溶解し、未反応の窒素含有ガスは、ガス流路２７の下流側に流れ、ガス排出部２６から外部に排出され、回収側配管部１６からガス調整部６で回収される。一方、光触媒電極部２２で生成された過酸化水素は、第２電解液４６に溶解する。
そして、アンモニアが溶解した第１電解液４５は、第１電解液排出部３６から第１貯留部１０に排出されて第１貯留部１０に貯留され、過酸化水素が溶解した第２電解液４６は、第２電解液排出部３８から第２貯留部１１に排出されて第２貯留部１１に貯留される。
その後、必要に応じて第１電解液４５からアンモニアを分離し、第２電解液４６から過酸化水素を分離することで純度の高いアンモニアと純度が高い過酸化水素を得ることができる。
その後、必要に応じて第１電解液４５からアンモニアを分離し、第２電解液４６から過酸化水素を分離することで純度の高いアンモニアと純度が高い過酸化水素を得ることができる。
第１実施形態の電解装置１によれば、ガス流路２７に窒素含有ガスを流通させた状態で、光触媒６１で光を受光することで、ガス拡散電極部２１と光触媒電極部２２との間に電圧が発生し、発生した電圧と電源装置１２で印加する電圧を用いて、触媒５１上で窒素含有ガス中の窒素ガスを還元してアンモニアを生成し、光触媒６１上で第２電解液４６を酸化して過酸化水素を生成する。そのため、水素原料を使用せずともアンモニアを製造できる。
第１実施形態の電解装置１によれば、光触媒電極部２２によって発生した電圧を使用するので、電源装置１２から供給する電力量を低減でき、環境にやさしい。
第１実施形態の電解装置１によれば、アンモニアの製造に伴って過酸化水素を生成できるので、生成した過酸化水素を殺菌等に使用できる。
第１実施形態の電解装置１によれば、光触媒電極部２２によって発生した電圧を使用するので、電源装置１２から供給する電力量を低減でき、環境にやさしい。
第１実施形態の電解装置１によれば、アンモニアの製造に伴って過酸化水素を生成できるので、生成した過酸化水素を殺菌等に使用できる。
第１実施形態の電解装置１によれば、第１電解液４５が水又は酸性の水溶液であるため、ガス拡散電極部２１の触媒上で生成されたアンモニアが第１電解液４５に溶解し、アンモニアを回収しやすい。
第１実施形態の電解装置１によれば、第２電解液４６が水又はアルカリ性の水溶液であるため、光触媒電極部２２の光触媒６１上で生成された過酸化水素が第２電解液４６に溶解し、過酸化水素を回収しやすい。
第１実施形態の電解装置１によれば、ガス流路２７への窒素含有ガスの供給量を調節するガス調整部６を有し、ガス拡散電極部２１上で未反応の窒素含有ガスをガス調整部６に回収する回収側配管部１６を備える。そのため、未反応の窒素含有ガスを再度ガス流路２７での反応に使用でき、アンモニアの収率を向上できる。
上記した実施形態では、未反応の窒素含有ガスをガス流路２７から回収側配管部１６を介してガス調整部６に供給していたが、本発明はこれに限定されるものではない。ガス流路２７のガス排出部２６から回収側配管部１６を介してガス流路２７のガス導入部２５に未反応の窒素含有ガスを直接供給してもよい。
上記した実施形態では、ガス調整部６で未反応の窒素含有ガスを回収したが、本発明はこれに限定されるものではない。ガス調整部６で未反応の窒素含有ガスを回収しなくてもよい。
上記した実施形態は、本発明の技術的範囲に含まれる限り、各実施形態間で各構成部材を自由に置換や付加できる。
１ 電解装置
２ 電解槽
６ ガス調整部
１２ 電源装置
１６ 回収側配管部（回収流路）
２１ ガス拡散電極部
２２ 光触媒電極部（対向電極部）
２３ イオン交換部
２７ ガス流路
４０ 第１槽部
４１ 第２槽部
４５ 第１電解液
４６ 第２電解液
５０ 多孔質基材
５１ 触媒
５２ 第１主面
５３ 第２主面
６１ 光触媒（第２触媒）
２ 電解槽
６ ガス調整部
１２ 電源装置
１６ 回収側配管部（回収流路）
２１ ガス拡散電極部
２２ 光触媒電極部（対向電極部）
２３ イオン交換部
２７ ガス流路
４０ 第１槽部
４１ 第２槽部
４５ 第１電解液
４６ 第２電解液
５０ 多孔質基材
５１ 触媒
５２ 第１主面
５３ 第２主面
６１ 光触媒（第２触媒）
Claims (5)
- 電解槽と、イオン交換部と、ガス拡散電極部と、光触媒電極部と、窒素ガスを含む窒素含有ガスが流通するガス流路を有し、
前記電解槽は、前記イオン交換部によって、第１槽部と第２槽部に区画されており、
前記イオン交換部は、前記第１槽部と前記第２槽部との間の移動を特定のイオンの移動に制限可能であり、
前記ガス拡散電極部は、多孔質基材の第１主面上に触媒が担持され、前記第１槽部内で前記触媒が第１電解液に晒され、前記多孔質基材の第２主面が前記ガス流路内で窒素ガスに晒されており、
前記光触媒電極部は、光触媒を有し、前記第２槽部内で前記光触媒が第２電解液に晒されており、
前記ガス流路に前記窒素含有ガスを流通させた状態で、前記光触媒で光を受光することで、前記光触媒電極部と前記ガス拡散電極部との間に電圧が発生し、前記発生した電圧を用いて、前記触媒上で前記窒素含有ガス中の窒素ガスを還元してアンモニアを生成し、前記光触媒上で前記第２電解液を酸化して過酸化水素を生成する、電解装置。 - 前記第１電解液は、水又は酸性の水溶液である、請求項１に記載の電解装置。
- 前記第２電解液は、水又はアルカリ性の水溶液である、請求項１又は２に記載の電解装置。
- 前記ガス流路への前記窒素含有ガスの供給量を調節するガス調整部を有し、
前記ガス拡散電極部上で未反応の窒素含有ガスを前記ガス調整部に回収する回収流路を備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の電解装置。 - 電解槽と、イオン交換部と、ガス拡散電極部と、対向電極部と、窒素ガスを含む窒素含有ガスが流通するガス流路と、前記ガス拡散電極部と前記対向電極部の間に電圧を印加する電源装置を有し、
前記電解槽は、前記イオン交換部によって、第１槽部と第２槽部に区画されており、
前記イオン交換部は、前記第１槽部と前記第２槽部との間の移動を特定のイオンの移動に制限可能であり、
前記ガス拡散電極部は、多孔質基材の第１主面上に触媒が担持され、前記第１槽部内で前記触媒が第１電解液に晒され、前記多孔質基材の第２主面が前記ガス流路内で窒素ガスに晒されており、
前記対向電極部は、第２触媒を有し、前記第２槽部内で前記第２触媒が第２電解液に晒されており、
前記ガス流路に前記窒素含有ガスを流通させた状態で、前記ガス拡散電極部と前記対向電極部の間に電圧を印加することで、前記触媒上で前記窒素含有ガス中の窒素ガスを還元してアンモニアを生成し、前記第２触媒上で前記第２電解液を酸化して過酸化水素を生成する、電解装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022098780A JP2024000171A (ja) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 電解装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022098780A JP2024000171A (ja) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 電解装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024000171A true JP2024000171A (ja) | 2024-01-05 |
Family
ID=89384528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022098780A Pending JP2024000171A (ja) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | 電解装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2024000171A (ja) |
-
2022
- 2022-06-20 JP JP2022098780A patent/JP2024000171A/ja active Pending
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