JP2700052B2 - 水素化物の製造方法 - Google Patents
水素化物の製造方法Info
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
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Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、水素を輸送、貯蔵する
のに有用な水素化物を、電気化学的に製造する方法に関
する。
のに有用な水素化物を、電気化学的に製造する方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】水素は現在、石油精製工程での副生や天
然ガスの水蒸気改質反応などによって製造されている。
しかし、石油、石炭、天然ガスなどの炭素資源は有限で
あり、将来枯渇することが考えられることから、自然エ
ネルギー、とりわけ水資源を利用した水素製造方法が注
目されている。開発可能な水資源のうち未開発のものは
世界中で８５％近くも残されているが、その水力を利用
して発電を行い、発生した電力で水を電気分解して水素
を製造すれば、水素製造の際に炭素資源に依存する必要
はなくなるうえ、水素自体、燃焼しても水に戻るだけな
ので、環境を汚染しないクリーンなエネルギーとしての
利用が期待できる。しかし、水素は室温で気体であり、
燃焼性や爆発性が高く、そのままでは長距離の輸送や長
期間の貯蔵が困難である。したがって、輸送や貯蔵に際
しては、アンモニア、メタノール、イソプロパノール、
シクロヘキサンのような水素化物として、安全な形に変
換することが必要となるが、これらの水素化物の製造は
従来の方法では高温高圧の反応装置を用いて行われ、多
大なエネルギーを必要とするため、その変換効率につい
て問題があった。
然ガスの水蒸気改質反応などによって製造されている。
しかし、石油、石炭、天然ガスなどの炭素資源は有限で
あり、将来枯渇することが考えられることから、自然エ
ネルギー、とりわけ水資源を利用した水素製造方法が注
目されている。開発可能な水資源のうち未開発のものは
世界中で８５％近くも残されているが、その水力を利用
して発電を行い、発生した電力で水を電気分解して水素
を製造すれば、水素製造の際に炭素資源に依存する必要
はなくなるうえ、水素自体、燃焼しても水に戻るだけな
ので、環境を汚染しないクリーンなエネルギーとしての
利用が期待できる。しかし、水素は室温で気体であり、
燃焼性や爆発性が高く、そのままでは長距離の輸送や長
期間の貯蔵が困難である。したがって、輸送や貯蔵に際
しては、アンモニア、メタノール、イソプロパノール、
シクロヘキサンのような水素化物として、安全な形に変
換することが必要となるが、これらの水素化物の製造は
従来の方法では高温高圧の反応装置を用いて行われ、多
大なエネルギーを必要とするため、その変換効率につい
て問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このようなことから、
水の電気分解による水素の生成と同時に、輸送や貯蔵に
適した水素化物に効率良く変換する方法の開発が望まれ
ていた。
水の電気分解による水素の生成と同時に、輸送や貯蔵に
適した水素化物に効率良く変換する方法の開発が望まれ
ていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】発明者らは、上記の課題
に鑑み鋭意研究した結果、水素イオンを選択的に透過す
る電解質膜の両側に高い水素化活性を有する金属電極を
取り付けて、この電極に直流電流を印加し、膜の一方の
側で水の電気分解を行って、生成した水素イオンを膜の
反対側へ透過させ、反対側の活性電極面上で水素化の反
応を行わせると、水素の輸送、貯蔵に有用な水素化物が
電気化学的に効率よく得られることを見出した。
に鑑み鋭意研究した結果、水素イオンを選択的に透過す
る電解質膜の両側に高い水素化活性を有する金属電極を
取り付けて、この電極に直流電流を印加し、膜の一方の
側で水の電気分解を行って、生成した水素イオンを膜の
反対側へ透過させ、反対側の活性電極面上で水素化の反
応を行わせると、水素の輸送、貯蔵に有用な水素化物が
電気化学的に効率よく得られることを見出した。
【０００５】すなわち本発明は、 （１）水素イオン透過性電解質膜の両面にスパッタリン
グ法とそれに続く電気メッキ法によって取り付けられた
２種の金属の複合電極の正電極側に水または水蒸気、負
電極側に窒素、一酸化炭素、アセトンまたはベンゼンか
ら選ばれる被水素化物を流し、又は満たして、該電極間
に直流電流を印加し、正電極側で水の電気分解を行っ
て、生成した水素イオンを電解質膜の反対側へ透過さ
せ、負電極側で被水素化物の水素化反応を行わせること
を特徴とする水素化物の製造方法、 （２）水素イオン透過性電解質膜が固体高分子電解質膜
である（１）項記載の水素化物の製造方法、及び （３）金属電極が白金−ロジウム複合電極である（１）
又は（２）項記載の水素化物の製造方法を提供するもの
である。
グ法とそれに続く電気メッキ法によって取り付けられた
２種の金属の複合電極の正電極側に水または水蒸気、負
電極側に窒素、一酸化炭素、アセトンまたはベンゼンか
ら選ばれる被水素化物を流し、又は満たして、該電極間
に直流電流を印加し、正電極側で水の電気分解を行っ
て、生成した水素イオンを電解質膜の反対側へ透過さ
せ、負電極側で被水素化物の水素化反応を行わせること
を特徴とする水素化物の製造方法、 （２）水素イオン透過性電解質膜が固体高分子電解質膜
である（１）項記載の水素化物の製造方法、及び （３）金属電極が白金−ロジウム複合電極である（１）
又は（２）項記載の水素化物の製造方法を提供するもの
である。
【０００６】次に、本発明の水素化物の製造方法の一実
施態様を図面に従って説明する。図１は、本発明の方法
を用いた装置の一例の断面図である。反応容器９は、金
属電極２を両面に取り付けた水素イオン透過性電解質膜
１によって、水素化反応室７と水電解室８に分割されて
いる。電極２はそれぞれ導線１０によって、直流電源１
１の正極、負極に接続されている。水素化反応室７には
ライン３より被水素化物を、水電解室８にはライン４よ
り水または水蒸気を導入する。水電解室８で水の電気分
解により生じた水素イオンは、イオン透過膜１を透過し
て、水素化反応室７側の電極上で被水素化物と反応す
る。生じた水素化物はライン５から抜き出される。ま
た、水電解室８で生じた酸素はライン６より抜き出され
る。さらに、ライン５を被水素化物の導入に、ライン３
を水素化物の抜き出しに変更して使用することで反応効
率を向上させることもできる。
施態様を図面に従って説明する。図１は、本発明の方法
を用いた装置の一例の断面図である。反応容器９は、金
属電極２を両面に取り付けた水素イオン透過性電解質膜
１によって、水素化反応室７と水電解室８に分割されて
いる。電極２はそれぞれ導線１０によって、直流電源１
１の正極、負極に接続されている。水素化反応室７には
ライン３より被水素化物を、水電解室８にはライン４よ
り水または水蒸気を導入する。水電解室８で水の電気分
解により生じた水素イオンは、イオン透過膜１を透過し
て、水素化反応室７側の電極上で被水素化物と反応す
る。生じた水素化物はライン５から抜き出される。ま
た、水電解室８で生じた酸素はライン６より抜き出され
る。さらに、ライン５を被水素化物の導入に、ライン３
を水素化物の抜き出しに変更して使用することで反応効
率を向上させることもできる。
【０００７】本発明においては、水素化反応室７と水電
解室８との隔壁が水素イオン透過性電解質膜１で構成さ
れていることから、水電解室８から透過してくる全ての
水素は、水素化反応室７側の金属電極２の表面で水素化
反応に活性なイオン種となっている。したがって、水素
化反応室７側の金属電極２の表面では、きわめて効率良
く、電気化学的に水素化反応が行われることになる。
解室８との隔壁が水素イオン透過性電解質膜１で構成さ
れていることから、水電解室８から透過してくる全ての
水素は、水素化反応室７側の金属電極２の表面で水素化
反応に活性なイオン種となっている。したがって、水素
化反応室７側の金属電極２の表面では、きわめて効率良
く、電気化学的に水素化反応が行われることになる。
【０００８】本発明に用いる水素イオン透過性電解質膜
の材料としては、高分子固体電解質膜、例えばポリエチ
レンスルホン酸やテトラフルオロエチレン−ペルフルオ
ロスルホン酸共重合体などを用いることができ、好まし
くはテトラフルオロエチレン−ペルフルオロスルホン酸
共重合体である。膜厚は５０〜５００μｍ、好ましくは
７５〜２００μｍとする。
の材料としては、高分子固体電解質膜、例えばポリエチ
レンスルホン酸やテトラフルオロエチレン−ペルフルオ
ロスルホン酸共重合体などを用いることができ、好まし
くはテトラフルオロエチレン−ペルフルオロスルホン酸
共重合体である。膜厚は５０〜５００μｍ、好ましくは
７５〜２００μｍとする。
【０００９】金属電極については、正極と負極の電極は
同じでも異なってもよく、材料としては、パラジウム、
白金、ニッケル、ロジウム等の金属、及びその合金を用
いることができ、このうちの２種の金属の複合電極とす
る。正極は好ましくは白金とロジウムの複合電極であ
る。負極は、水素イオン透過性電解質膜の上に第一層
（内層）として白金を積層し、その上に第二層（外層）
としてロジウムを積層した複合電極が好ましい。電極の
厚さは０．１〜１００μｍ、好ましくは１〜５０μｍと
する。この金属電極を水素イオン透過性電解質膜上に密
着するように取り付ける。取り付けの方法は密着性の上
から、それ自体公知のスパッタリング法、電気メッキ法
で行い、第１層の取り付けをスパッタリング法で行い、
その上に第２層を電気メッキ法で取り付ける。
同じでも異なってもよく、材料としては、パラジウム、
白金、ニッケル、ロジウム等の金属、及びその合金を用
いることができ、このうちの２種の金属の複合電極とす
る。正極は好ましくは白金とロジウムの複合電極であ
る。負極は、水素イオン透過性電解質膜の上に第一層
（内層）として白金を積層し、その上に第二層（外層）
としてロジウムを積層した複合電極が好ましい。電極の
厚さは０．１〜１００μｍ、好ましくは１〜５０μｍと
する。この金属電極を水素イオン透過性電解質膜上に密
着するように取り付ける。取り付けの方法は密着性の上
から、それ自体公知のスパッタリング法、電気メッキ法
で行い、第１層の取り付けをスパッタリング法で行い、
その上に第２層を電気メッキ法で取り付ける。
【００１０】本発明方法において用いる被水素化物は、
水素の輸送、貯蔵に利用するという点から、その水素化
反応が可逆的に生ずるものを用い、具体的には、窒素、
一酸化炭素、アセトン、ベンゼンから選ばれる。
水素の輸送、貯蔵に利用するという点から、その水素化
反応が可逆的に生ずるものを用い、具体的には、窒素、
一酸化炭素、アセトン、ベンゼンから選ばれる。
【００１１】金属電極への印加電圧は１．５〜２．４
Ｖ、好ましくは１．７〜２．１Ｖとする。電圧が高けれ
ば水素化物の生成速度は速くなるが、高すぎると透過し
た水素イオンの水素化反応への利用率が減少する。水電
解室に、この電圧と水電解室の容量に見合った流速で水
または水蒸気を供給し、通常の方法で水の電気分解を行
う。水素化反応室には、ここで発生する水素イオンの量
や反応速度に対して適正な流速で被水素化物を供給し、
水素化物を製造する。好ましくは、水素化物と水または
水蒸気とを対向供給する。
Ｖ、好ましくは１．７〜２．１Ｖとする。電圧が高けれ
ば水素化物の生成速度は速くなるが、高すぎると透過し
た水素イオンの水素化反応への利用率が減少する。水電
解室に、この電圧と水電解室の容量に見合った流速で水
または水蒸気を供給し、通常の方法で水の電気分解を行
う。水素化反応室には、ここで発生する水素イオンの量
や反応速度に対して適正な流速で被水素化物を供給し、
水素化物を製造する。好ましくは、水素化物と水または
水蒸気とを対向供給する。
【００１２】
【実施例】次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明する。 実施例１ 水素イオン透過性電解質膜としてテトラフルオロエチレ
ン−ペルフルオロスルホン酸共重合体フィルム（膜厚２
００μｍ）、金属電極として正極、負極ともに白金−ロ
ジウム複合電極（水素イオン透過性電解質膜の上に白金
を５０Ｗ高周波スパッタリングで厚さ０．１μｍ蒸着
し、その上にロジウムを電気メッキで厚さ５μｍ電着）
を用いた図１に示したと同様の水素化物製造装置を使用
して、１気圧、５０℃で水電解と水素化の反応を行っ
た。水電解室（容量５０ｍｌ）には１２ｖｏｌ％の水蒸
気を１９ｍｌ／分の流量で、水素化反応室（容量５０ｍ
ｌ）には１４ｖｏｌ％ベンゼンを５ｍｌ／分の流量で供
給し、電極に１．８Ｖの電圧を印加したところ、水電解
によって０．２５ｍｌ／分の水素が発生し、その３．７
ｖｏｌ％が水素化反応に消費されて３×１０-3ｍｌ／分
のシクロヘキサンが生成した。水素化反応室でシクロヘ
キサン以外の生成物は検出されなかった。
に説明する。 実施例１ 水素イオン透過性電解質膜としてテトラフルオロエチレ
ン−ペルフルオロスルホン酸共重合体フィルム（膜厚２
００μｍ）、金属電極として正極、負極ともに白金−ロ
ジウム複合電極（水素イオン透過性電解質膜の上に白金
を５０Ｗ高周波スパッタリングで厚さ０．１μｍ蒸着
し、その上にロジウムを電気メッキで厚さ５μｍ電着）
を用いた図１に示したと同様の水素化物製造装置を使用
して、１気圧、５０℃で水電解と水素化の反応を行っ
た。水電解室（容量５０ｍｌ）には１２ｖｏｌ％の水蒸
気を１９ｍｌ／分の流量で、水素化反応室（容量５０ｍ
ｌ）には１４ｖｏｌ％ベンゼンを５ｍｌ／分の流量で供
給し、電極に１．８Ｖの電圧を印加したところ、水電解
によって０．２５ｍｌ／分の水素が発生し、その３．７
ｖｏｌ％が水素化反応に消費されて３×１０-3ｍｌ／分
のシクロヘキサンが生成した。水素化反応室でシクロヘ
キサン以外の生成物は検出されなかった。
【００１３】実施例２ 電極に２．２Ｖの電圧を印加した以外は実施例１と全く
同様にして反応を行ったところ、シクロヘキサンの生成
速度は実施例１の１．８倍になった。
同様にして反応を行ったところ、シクロヘキサンの生成
速度は実施例１の１．８倍になった。
【００１４】実施例３ 水素化反応室に窒素を５ｍｌ／分の流量で供給した以外
は実施例１と全く同様にして反応を行ったところ、１×
１０-4ｍｌ／分のアンモニアが生成した。水素化反応室
でアンモニア以外の生成物は検出されなかった。
は実施例１と全く同様にして反応を行ったところ、１×
１０-4ｍｌ／分のアンモニアが生成した。水素化反応室
でアンモニア以外の生成物は検出されなかった。
【００１５】実施例４ 水素化反応室に一酸化炭素を５ｍｌ／分の流量で供給し
た以外は実施例１と全く同様にして反応を行ったとこ
ろ、４×１０-4ｍｌ／分のメタノールが生成した。水素
化反応室でメタノール以外の生成物は検出されなかっ
た。
た以外は実施例１と全く同様にして反応を行ったとこ
ろ、４×１０-4ｍｌ／分のメタノールが生成した。水素
化反応室でメタノール以外の生成物は検出されなかっ
た。
【００１６】実施例５ 水素化反応室に２０ｖｏｌ％のアセトンを５ｍｌ／分の
流量で供給した以外は実施例１と全く同様にして反応を
行ったところ、６×１０-4ｍｌ／分のイソプロパノール
が生成した。水素化反応室でイソプロパノール以外の生
成物は検出されなかった。
流量で供給した以外は実施例１と全く同様にして反応を
行ったところ、６×１０-4ｍｌ／分のイソプロパノール
が生成した。水素化反応室でイソプロパノール以外の生
成物は検出されなかった。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、水の電気分解によって
水素を発生させるのと同じ反応装置内で、水素の発生と
同時に効率良く、水素の輸送、貯蔵に適した水素化物に
変換することができる。本発明では、水素イオン透過性
電解質膜を介して水の電解反応から水素化反応に受け渡
される水素が反応に活性なイオン種であると同時に、電
極自体が触媒活性を有するため、水素化反応が非常に効
率良く行われる。また、水の電気分解では電力が消費さ
れるのに対し、水素化反応では電力の発生を伴うため、
全体としての電力が本来の水の電気分解に必要な電力よ
りも低減されるという効果を奏する。
水素を発生させるのと同じ反応装置内で、水素の発生と
同時に効率良く、水素の輸送、貯蔵に適した水素化物に
変換することができる。本発明では、水素イオン透過性
電解質膜を介して水の電解反応から水素化反応に受け渡
される水素が反応に活性なイオン種であると同時に、電
極自体が触媒活性を有するため、水素化反応が非常に効
率良く行われる。また、水の電気分解では電力が消費さ
れるのに対し、水素化反応では電力の発生を伴うため、
全体としての電力が本来の水の電気分解に必要な電力よ
りも低減されるという効果を奏する。
【図１】本発明方法を用いた装置の一例の断面図であ
る。
る。
１ 水素イオン透過性電解質膜 ２ 金属電極 ３ 被水素化物導入ライン ４ 水あるいは水蒸気導入ライン ５ 水素化物放出ライン ６ 酸素放出ライン ７ 水素化反応室 ８ 水電解室 ９ 反応容器 １０ 導線 １１ 直流電源
Claims (3)
- 【請求項１】 水素イオン透過性電解質膜の両面にスパ
ッタリング法とそれに続く電気メッキ法によって取り付
けられた２種の金属の複合電極の正電極側に水または水
蒸気、負電極側に窒素、一酸化炭素、アセトンまたはベ
ンゼンから選ばれる被水素化物を流し、又は満たして、
該電極間に直流電流を印加し、正電極側で水の電気分解
を行って、生成した水素イオンを電解質膜の反対側へ透
過させ、負電極側で被水素化物の水素化反応を行わせる
ことを特徴とする水素化物の製造方法。 - 【請求項２】 水素イオン透過性電解質膜が固体高分子
電解質膜である請求項１記載の水素化物の製造方法。 - 【請求項３】 金属電極が白金−ロジウム複合電極であ
る請求項１又は２記載の水素化物の製造方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP7047693A JP2700052B2 (ja) | 1995-03-08 | 1995-03-08 | 水素化物の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7047693A JP2700052B2 (ja) | 1995-03-08 | 1995-03-08 | 水素化物の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08246177A JPH08246177A (ja) | 1996-09-24 |
| JP2700052B2 true JP2700052B2 (ja) | 1998-01-19 |
Family
ID=12782371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7047693A Expired - Lifetime JP2700052B2 (ja) | 1995-03-08 | 1995-03-08 | 水素化物の製造方法 |
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-
1995
- 1995-03-08 JP JP7047693A patent/JP2700052B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08246177A (ja) | 1996-09-24 |
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