JP5127385B2 - Ammonia electrosynthesis system - Google Patents

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

本発明は、アンモニア電解合成装置に関する。   The present invention relates to an ammonia electrosynthesis apparatus.

従来、アンモニアはハーバーボッシュ法により工業レベルで広く製造されている。当該ハーバーボッシュ法は、水素ガスと窒素ガスからアンモニアを合成する方法であり、Fe、FeO、Fe等にAl及びKOを含む鉄系の三元系触媒の存在下、水素ガスと窒素ガスとを反応させることによってアンモニアを製造する。 Conventionally, ammonia has been widely produced at the industrial level by the Harbor Bosch process. The Harbor Bosch method is a method of synthesizing ammonia from hydrogen gas and nitrogen gas, and in the presence of an iron-based ternary catalyst containing Al 2 O 3 and K 2 O in Fe, FeO, Fe 3 O 4 and the like. Then, ammonia is produced by reacting hydrogen gas and nitrogen gas.

しかしながら、当該ハーバーボッシュ法は高温・高圧での合成であるため、エネルギー消費や設備規模が巨大である。しかも炭化水素の水蒸気改質によって水素ガスを得る際に多量のCOを排出するという問題がある。 However, since the Harbor Bosch method is a synthesis at a high temperature and a high pressure, energy consumption and equipment scale are enormous. Moreover, there is a problem that a large amount of CO 2 is discharged when hydrogen gas is obtained by steam reforming of hydrocarbons.

上記問題を改善する方法として、水素ガスを用いない方法の開発が挙げられる。例えば、非特許文献1には、常圧下で水と窒素とからアンモニアを電解合成する方法が記載されている。この方法は、陰極から窒化物イオン(N3−)を発生させ、水(水蒸気)と反応させることによりアンモニアを電解合成する。具体的には、電解浴として溶融塩を用いる。陰極では、窒素ガスを還元してN3−を電解浴に供給する。電解浴には水蒸気が供給されており、N3−と反応してアンモニアを生成させる。陽極では、電解合成により副生する酸化物イオン(O2−)や水蒸気の平衡反応により生じる水酸化物イオン(OH)が酸化されて酸素ガスが発生する。なお、各反応は次のように例示される。 As a method for improving the above problem, development of a method that does not use hydrogen gas can be mentioned. For example, Non-Patent Document 1 describes a method for electrolytic synthesis of ammonia from water and nitrogen under normal pressure. In this method, nitride ions (N 3− ) are generated from the cathode and reacted with water (water vapor) to electrosynthesize ammonia. Specifically, a molten salt is used as the electrolytic bath. At the cathode, nitrogen gas is reduced and N 3− is supplied to the electrolytic bath. The electrolytic bath is supplied with water vapor and reacts with N 3− to produce ammonia. At the anode, oxide ions (O 2− ) by-produced by electrolytic synthesis and hydroxide ions (OH ) generated by the equilibrium reaction of water vapor are oxidized to generate oxygen gas. Each reaction is exemplified as follows.

陽極反応:3O2− → 3/2O+6e
溶融塩中:3HO+2N3−→2NH+3O2−
陰極反応:N+6e → 2N3−
全反応 :N+3HO → 2NH+3/2O
伊藤靖彦、溶融塩および高温化学、Vol.46、No.2、(2003年8月)「常圧アンモニア電解合成−アンモニアエコノミーの基盤技術−」
Anodic reaction: 3O 2− → 3 / 2O 2 + 6e
In molten salt: 3H 2 O + 2N 3 − → 2NH 3 + 3O 2−
Cathodic reaction: N 2 + 6e → 2N 3−
Total reaction: N 2 + 3H 2 O → 2NH 3 + 3 / 2O 2
Ito, Y., Molten salt and high temperature chemistry, Vol. 46, no. 2. (August 2003) "Normal pressure ammonia electrosynthesis-Fundamental technology of ammonia economy-"

非特許文献1に記載されたアンモニア電解合成法は、ハーバーボッシュ法と比べて温和且つ消費エネルギーが低減された条件で水と窒素からアンモニアを電解合成できる。また、水素ガスを用いないため、多量のCOを排出する問題がない。 The ammonia electrosynthesis method described in Non-Patent Document 1 can electrolyze ammonia from water and nitrogen under conditions that are milder and consume less energy than the Harbor Bosch method. Further, since no hydrogen gas is used, there is no problem of discharging a large amount of CO 2 .

しかしながら、非特許文献1に具体的に開示されている電解合成装置はアンモニア合成効率が不十分であり、更なる改善の余地がある。よって、本発明は、水と窒素からアンモニアを電解合成する装置であって、アンモニア合成効率が改善されたアンモニア電解合成装置を提供することを目的とする。   However, the electrolytic synthesis apparatus specifically disclosed in Non-Patent Document 1 has insufficient ammonia synthesis efficiency, and there is room for further improvement. Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus for electrosynthesis of ammonia from water and nitrogen, and an ammonia electrosynthesis apparatus with improved ammonia synthesis efficiency.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、電解浴に供給する水蒸気の種類と電解浴を撹拌する手段とを工夫することにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has found that the above object can be achieved by devising the type of water vapor supplied to the electrolytic bath and the means for stirring the electrolytic bath. It came to be completed.

即ち、本発明は下記のアンモニア電解合成装置に関する。
1. 水と窒素とからアンモニアを電解合成する装置であって、前記装置は、
(1)電解浴である溶融塩に微細化された水蒸気と窒素ガスとを供給することによって前記アンモニアを合成する装置であり、
(2)前記水蒸気の反応によって生じるO2− 及び/又はOH を酸化して酸素ガスを発生させる陽極と、
(3)窒素ガスを還元してN3−を発生させる陰極と、
(4)前記微細化された水蒸気を供給する手段と、
)前記溶融塩にガスリフトを生じさせるスを供給し、前記溶融塩上昇流を生じさせることによ、前記溶融塩を、前記陽極、前記陰極及び前記水蒸気を供給する手段の供給口を一部に有するループ内で循環させるように前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段とを有し、
(6)電解槽の底部又は底部近傍において、前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段の供給口を備える、
ことを特徴とするアンモニア電解合成装置。
2. 水と窒素とからアンモニアを電解合成する装置であって、前記装置は、
(1)電解浴である溶融塩に微細化された水蒸気と窒素ガスとを供給することによって前記アンモニアを合成する装置であり、
(2)前記溶融塩を有する電解槽A及び電解槽Bであって、前記槽間を水素透過性金属膜により隔てられている電解槽A及び電解槽Bと、
(3)前記水蒸気の反応によって生じるO 2− 及び/又はOH を酸化して酸素ガスを発生させる、前記電解槽A中に備えられた陽極と、
(4)窒素ガスを還元してN 3− を発生させる、前記電解槽B中に備えられた陰極と、
(5)前記微細化された水蒸気を供給する手段と、
(6)前記電解槽A中の溶融塩にガスリフトを生じさせるガスを供給し、前記溶融塩に上昇流を生じさせることにより、前記電解槽A中の溶融塩を、前記陽極、前記水素透過性金属膜及び前記水蒸気を供給する手段の供給口を一部に有するループ内で循環させるように前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段とを有し、
(7)電解槽Aの底部又は底部近傍において、前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段の供給口を備える、
ことを特徴とするアンモニア電解合成装置。
. 前記溶融塩は、アルカリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物からなる群から選択される少なくとも1種である、上記項1に記載のアンモニア電解合成装置。
4. 前記電解槽A中の溶融塩は、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、及び溶融水酸化物からなる群から選択される少なくとも1種であって、
前記電解槽B中の溶融塩は、アルカリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物からなる群から選択される少なくとも1種である、
上記項2に記載のアンモニア電解合成装置。
5. 前記水蒸気を供給する手段が、気泡径100nm〜1mmの前記微細化された水蒸気を供給する、上記項1〜4のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。
6. 前記水蒸気を供給する手段が、前記溶融塩1cm 当たりに前記気泡が10個〜1000万個含まれるように前記微細化された水蒸気を供給する、上記項1〜4のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。
7. 前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段が、不活性ガスを含む前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する、上記項1〜6のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。
. 前記電解合成により得られるアンモニア含有ガスから不純物を除去するトラップ手段を更に有する、上記項1〜のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。
That is, the present invention relates to the following ammonia electrosynthesis apparatus.
1. An apparatus for electrosynthesis of ammonia from water and nitrogen, the apparatus comprising:
(1) An apparatus for synthesizing the ammonia by supplying refined water vapor and nitrogen gas to a molten salt that is an electrolytic bath,
(2) an anode that generates oxygen gas by oxidizing O 2− and / or OH generated by the reaction of the water vapor;
(3) a cathode that reduces nitrogen gas to generate N 3− ;
(4) means for supplying the refined water vapor;
(5) the supply gas to produce a gas lift in the molten salt, Ri by the causing the pre-Symbol upward flow in the molten salt, the molten salt, the anode, the means for supplying the cathode and the steam the gas causes the gas lift to circulate in a loop with a supply port to a portion to have a means for supplying,
(6) In the bottom of the electrolytic cell or in the vicinity of the bottom, a supply port of a means for supplying the gas that causes the gas lift is provided.
An ammonia electrosynthesis apparatus characterized by that.
2. An apparatus for electrosynthesis of ammonia from water and nitrogen, the apparatus comprising:
(1) An apparatus for synthesizing the ammonia by supplying refined water vapor and nitrogen gas to a molten salt that is an electrolytic bath,
(2) An electrolytic cell A and an electrolytic cell B having the molten salt, wherein the electrolytic cell A and the electrolytic cell B are separated from each other by a hydrogen permeable metal film,
(3) an anode provided in the electrolytic cell A that generates oxygen gas by oxidizing O 2− and / or OH generated by the reaction of the water vapor ;
(4) a cathode provided in the electrolytic cell B that reduces nitrogen gas to generate N 3− ;
(5) means for supplying the refined water vapor;
(6) A gas that causes a gas lift to the molten salt in the electrolytic cell A is supplied, and an upward flow is generated in the molten salt, whereby the molten salt in the electrolytic cell A is converted into the anode and the hydrogen permeability. Means for supplying a gas for generating the gas lift so as to be circulated in a loop having a supply port of a means for supplying the metal film and the water vapor in part.
(7) At the bottom of the electrolytic cell A or in the vicinity of the bottom, a supply port for supplying gas for generating the gas lift is provided.
An ammonia electrosynthesis apparatus characterized by that.
3 . The ammonia electrolytic synthesis apparatus according to Item 1, wherein the molten salt is at least one selected from the group consisting of alkali metal halides and alkaline earth metal halides.
4). The molten salt in the electrolytic cell A is at least one selected from the group consisting of an alkali metal halide, an alkaline earth metal halide, and a molten hydroxide,
The molten salt in the electrolytic cell B is at least one selected from the group consisting of alkali metal halides and alkaline earth metal halides,
Item 3. The ammonia electrosynthesis apparatus according to Item 2.
5. Item 5. The ammonia electrolytic synthesis apparatus according to any one of Items 1 to 4, wherein the means for supplying water vapor supplies the refined water vapor having a bubble diameter of 100 nm to 1 mm.
6). Item 5. The ammonia according to any one of Items 1 to 4 , wherein the means for supplying water vapor supplies the fine water vapor so that 10 to 10 million bubbles are contained per 1 cm 3 of the molten salt. Electrosynthesis device.
7). Item 7. The ammonia electrolytic synthesis apparatus according to any one of Items 1 to 6, wherein the means for supplying the gas for generating the gas lift supplies the gas for generating the gas lift including an inert gas.
8 . Item 8. The ammonia electrolytic synthesis apparatus according to any one of Items 1 to 7 , further comprising trap means for removing impurities from the ammonia-containing gas obtained by the electrolytic synthesis.

本発明のアンモニア電解合成装置は、微細化された水蒸気を溶融塩に供給する。また、溶融塩にガス成分を供給し、ガス成分を含む溶融塩の上昇流によって溶融塩を撹拌する。これにより、N3−と水蒸気とを効率的に接触させるとともに、O2−を効率的に酸化除去することができるため、アンモニア合成効率が向上する。 The ammonia electrosynthesis apparatus of the present invention supplies the refined water vapor to the molten salt. Further, the gas component is supplied to the molten salt, and the molten salt is stirred by the upward flow of the molten salt containing the gas component. Thereby, N 3− and water vapor are efficiently brought into contact with each other, and O 2− can be efficiently oxidized and removed, so that ammonia synthesis efficiency is improved.

本発明のアンモニア電解合成装置は、電解合成によって得られるアンモニア含有ガスに含まれる不純物を除去するトラップ手段(例えば、溶融塩蒸気、未反応水蒸気、不活性ガス等の不純物を除去するトラップ手段)を設けることにより、より高純度なアンモニアを得ることができる。   The ammonia electrosynthesis apparatus of the present invention includes a trap means for removing impurities contained in the ammonia-containing gas obtained by electrolytic synthesis (for example, a trap means for removing impurities such as molten salt vapor, unreacted water vapor, inert gas). By providing, higher purity ammonia can be obtained.

本発明のアンモニア電解合成装置(本発明装置)は、水と窒素とからアンモニアを電解合成する装置であって、前記装置は、
(1)電解浴である溶融塩に微細化された水蒸気とN3−とを供給することによって前記アンモニアを合成する装置であり、
(2)前記溶融塩にガス成分を供給し、前記ガス成分を含む前記溶融塩の上昇流によって前記溶融塩を撹拌する手段と、
(3)前記水蒸気の反応によって生じるO2−を酸化して酸素ガスを発生させる陽極と、
(4)窒素ガスを還元してN3−を発生させる陰極とを、
有することを特徴とする。
The ammonia electrosynthesis apparatus (invention apparatus) of the present invention is an apparatus for electrosynthesis of ammonia from water and nitrogen, and the apparatus comprises:
(1) An apparatus for synthesizing the ammonia by supplying refined water vapor and N 3- to a molten salt that is an electrolytic bath,
(2) means for supplying a gas component to the molten salt and stirring the molten salt by an upward flow of the molten salt containing the gas component;
(3) an anode that oxidizes O 2− generated by the reaction of the water vapor to generate oxygen gas;
(4) a cathode that reduces nitrogen gas to generate N 3− ,
It is characterized by having.

本発明の電解合成装置を用いたアンモニア電解合成の概要を以下に示す。即ち、陰極で窒素ガスを還元して電解浴(溶融塩)にN3−を供給する。溶融塩に水蒸気を供給し、水蒸気とN3−を反応させてアンモニアとO2−を生成させる。陽極では、O2−を酸化して酸素ガスを発生させる。つまり、原理的には水と窒素からアンモニアと酸素を合成する。 An outline of ammonia electrolytic synthesis using the electrolytic synthesis apparatus of the present invention is shown below. That is, nitrogen gas is reduced at the cathode and N 3 − is supplied to the electrolytic bath (molten salt). Water vapor is supplied to the molten salt, and water vapor and N 3− are reacted to generate ammonia and O 2− . At the anode, O 2− is oxidized to generate oxygen gas. That is, in principle, ammonia and oxygen are synthesized from water and nitrogen.

本発明装置は、特に水蒸気として微細化された水蒸気を用いる。そのため、アンモニア合成反応に関与する水蒸気の表面積を多く確保することができる。また、本発明装置は、溶融塩にガス成分を供給し、上昇流によって溶融塩を撹拌するため、溶融塩へのN3−の供給及び溶融塩からのO2−の除去が促進されてアンモニア合成効率が向上する。 In particular, the apparatus of the present invention uses water vapor refined as water vapor. Therefore, a large surface area of water vapor involved in the ammonia synthesis reaction can be secured. Further, since the apparatus of the present invention supplies the gas component to the molten salt and stirs the molten salt by the upward flow, the supply of N 3− to the molten salt and the removal of O 2− from the molten salt are promoted to reduce the ammonia. Synthesis efficiency is improved.

以下、本発明装置の各構成について説明する。   Hereafter, each structure of this invention apparatus is demonstrated.

(電解浴)
電解浴としては、溶融塩を用いる。
(Electrolytic bath)
A molten salt is used as the electrolytic bath.

溶融塩としては、N3−が安定に存在できるものであれば良く、例えば、アルカリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物の少なくとも1種が挙げられる。 The molten salt is not particularly limited as long as N 3− can stably exist, and examples thereof include at least one of an alkali metal halide and an alkaline earth metal halide.

アルカリ金属ハロゲン化物としては、例えば、LiF、NaF、KF、RbF、CsF、LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、LiI、NaI、KI、RbI、CsI等が挙げられる。   Examples of the alkali metal halide include LiF, NaF, KF, RbF, CsF, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl, LiBr, NaBr, KBr, RbBr, CsBr, LiI, NaI, KI, RbI, CsI, and the like. Can be mentioned.

アルカリ土類金属ハロゲン化物としては、例えば、MgF、CaF、SrF、BaF、MgCl、CaCl、SrCl、BaCl、MgBr、CaBr、SrBr、BaBr、MgI、CaI、SrI、BaI等が挙げられる。 Examples of the alkaline earth metal halides, e.g., MgF 2, CaF 2, SrF 2, BaF 2, MgCl 2, CaCl 2, SrCl 2, BaCl 2, MgBr 2, CaBr 2, SrBr 2, BaBr 2, MgI 2, CaI 2, SrI 2, BaI 2, and the like.

これらの化合物は単独又は二種以上を組み合わせて使用できる。化合物の組み合わせや混合比は限定的ではなく、溶融塩の所望の作動温度等に応じて適宜設定する。   These compounds can be used individually or in combination of 2 or more types. The combination and mixing ratio of the compounds are not limited, and are appropriately set according to the desired operating temperature of the molten salt.

溶融塩の温度は限定的ではないが、高温領域ではアンモニアが窒素ガスと水素ガスとに分解し易いため、アンモニアの分解を抑制する点で200〜450℃が好ましく、250〜400℃がより好ましい。   Although the temperature of the molten salt is not limited, 200 to 450 ° C. is preferable and 250 to 400 ° C. is more preferable in that ammonia is easily decomposed into nitrogen gas and hydrogen gas in a high temperature range, so that decomposition of ammonia is suppressed. .

本発明では、溶融塩として下記(1)〜(4)の少なくとも1種が好ましい。
(1)LiCl−KCl
〔組成比:LiCl:KCl=35〜100mol%:65〜0mol%が好ましく、55〜65mol%:45〜35mol%がより好ましい。〕
(2)LiCl−KCl−CsCl
〔組成比:LiCl:KCl:CsCl=57.5:13.3:29.2mol%の共融組成が好ましい。但し、組成比はそれぞれ20%程度変化したものでもよい。〕
(3)LiBr−KBr
〔組成比:LiBr:KBr=35〜100mol%:65〜0mol%が好ましく、60〜70mol%:40〜30mol%がより好ましい。〕
(4)LiBr−KBr−CsBr
〔組成比:LiBr:KBr:CsBr=56.1:18.9:25.0mol%の共融組成が好ましい。但し、組成比はそれぞれ20%程度変化したものでもよい。〕
その他、溶融塩として下記(5)〜(19)の少なくとも1種も使用できる。
(5)LiCl−CsCl
〔組成比:35〜65mol%:65〜35mol%が好ましい。共融点:306℃〕
(6)LiCl−NaCl−KCl
〔組成比:45〜60mol%:5〜15mol%:30〜40mol%が好ましい。共融点:346℃〕
(7)LiCl−NaCl−KCl−RbCl
〔組成比:45〜55mol%:5〜15mol%:15〜25mol%:20〜30mol%が好ましい。共融点:297℃〕
(8)LiCl−NaCl−KCl−LiF
〔組成比:45〜55mol%:5〜15mol%:30〜40mol%:1〜10mol%が好ましい。共融点:332℃〕
(9)LiCl−KBr
〔組成比:55〜65mol%:45〜35mol%が好ましい。共融点:360℃〕
(10)LiCl−NaCl−KBr
〔組成比:50〜65mol%:5〜15mol%:30〜40mol%が好ましい。共融点:340℃〕
(11)LiCl−KCl−LiBr−KBr
〔組成比:5〜20mol%:5〜40mol%:30〜50mol%:20〜35mol%が好ましい。共融点:310℃〕
(12)LiBr−KCl
〔組成比:55〜65mol%:45〜35mol%が好ましい。共融点:327℃〕
(13)LiBr−NaBr−KCl
〔組成比:50〜60mol%:5〜15mol%:30〜40mol%が好ましい。共融点:320℃〕
(14)LiBr−CsBr
〔組成比:45〜70mol%:55〜30mol%が好ましい。共融点:230℃〕
(15)LiBr−RbBr
〔組成比:50〜65mol%:50〜35mol%が好ましい。共融点259℃〕
(16)LiBr−NaBr−KBr
〔組成比:50〜65mol%:5〜15mol%:30〜40mol%が好ましい。共融点324℃〕
(17)LiBr−KBr−RbBr
〔組成比:50〜60mol%:5〜15mol%:30〜40mol%が好ましい。共融点268℃〕
(18)LiI−KI
〔組成比:60〜70mol%:40〜30mol%が好ましい。共融点260℃〕
(19)CsCl−CsF−CsI
〔組成比:30〜40mol%:30〜40mol%:30〜40mol%が好ましい。共融点:365℃〕
(陰極)
陰極としては、窒素ガスを還元してN3−を溶融塩に供給する陰極を用いる。陰極反応は次の通りである。
In the present invention, at least one of the following (1) to (4) is preferable as the molten salt.
(1) LiCl-KCl
[Composition ratio: LiCl: KCl = 35-100 mol%: 65-0 mol% is preferable, and 55-65 mol%: 45-35 mol% is more preferable. ]
(2) LiCl-KCl-CsCl
[Composition ratio: LiCl: KCl: CsCl = 57.5: 13.3: 29.2 mol% is preferred. However, the composition ratio may be changed by about 20%. ]
(3) LiBr-KBr
[Composition ratio: LiBr: KBr = 35-100 mol%: 65-0 mol% is preferable, and 60-70 mol%: 40-30 mol% is more preferable. ]
(4) LiBr-KBr-CsBr
[Composition ratio: LiBr: KBr: CsBr = 56.1: 18.9: 25.0 mol% is preferred. However, the composition ratio may be changed by about 20%. ]
In addition, at least one of the following (5) to (19) can be used as the molten salt.
(5) LiCl-CsCl
[Composition ratio: 35 to 65 mol%: 65 to 35 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 306 ° C)
(6) LiCl-NaCl-KCl
[Composition ratio: 45-60 mol%: 5-15 mol%: 30-40 mol% is preferable. (Eutectic point: 346 ° C)
(7) LiCl-NaCl-KCl-RbCl
[Composition ratio: 45 to 55 mol%: 5 to 15 mol%: 15 to 25 mol%: 20 to 30 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 297 ° C)
(8) LiCl-NaCl-KCl-LiF
[Composition ratio: 45 to 55 mol%: 5 to 15 mol%: 30 to 40 mol%: 1 to 10 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 332 ° C)
(9) LiCl-KBr
[Composition ratio: 55 to 65 mol%: 45 to 35 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 360 ° C)
(10) LiCl-NaCl-KBr
[Composition ratio: 50 to 65 mol%: 5 to 15 mol%: 30 to 40 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 340 ° C)
(11) LiCl-KCl-LiBr-KBr
[Composition ratio: 5 to 20 mol%: 5 to 40 mol%: 30 to 50 mol%: 20 to 35 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 310 ° C)
(12) LiBr-KCl
[Composition ratio: 55 to 65 mol%: 45 to 35 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 327 ° C)
(13) LiBr-NaBr-KCl
[Composition ratio: 50-60 mol%: 5-15 mol%: 30-40 mol% is preferred. (Eutectic melting point: 320 ° C)
(14) LiBr-CsBr
[Composition ratio: 45 to 70 mol%: 55 to 30 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 230 ° C)
(15) LiBr-RbBr
[Composition ratio: 50 to 65 mol%: 50 to 35 mol% is preferable. Eutectic point 259 ° C)
(16) LiBr-NaBr-KBr
[Composition ratio: 50 to 65 mol%: 5 to 15 mol%: 30 to 40 mol% is preferable. Eutectic point 324 ° C)
(17) LiBr-KBr-RbBr
[Composition ratio: 50-60 mol%: 5-15 mol%: 30-40 mol% is preferred. (Eutectic point 268 ° C)
(18) LiI-KI
[Composition ratio: 60 to 70 mol%: 40 to 30 mol% is preferable. (Eutectic point 260 ° C)
(19) CsCl-CsF-CsI
[Composition ratio: 30 to 40 mol%: 30 to 40 mol%: 30 to 40 mol% is preferable. (Eutectic melting point: 365 ° C)
(cathode)
As the cathode, a cathode that reduces nitrogen gas and supplies N 3− to the molten salt is used. The cathodic reaction is as follows.

1/2N+3e → N3−
陰極の材質としては窒素ガスを還元できる金属や合金であれば良い。例えば、ニッケルや鉄を含むものが好ましく、特にニッケルを含むものが好ましい。陰極の形状としては、ラネー触媒やMCFCの電極に用いられるような多孔質、金網状、メッシュ状が好ましく、陰極の表面にPt、Ir、Ru等の触媒を担持しても良い。
1 / 2N 2 + 3e → N 3
The material of the cathode may be any metal or alloy that can reduce nitrogen gas. For example, those containing nickel or iron are preferable, and those containing nickel are particularly preferable. The shape of the cathode is preferably porous, wire mesh, or mesh used for Raney catalysts or MCFC electrodes, and a catalyst such as Pt, Ir, or Ru may be supported on the surface of the cathode.

多孔質ニッケルは溶融塩に対する濡れ性が良いため、単に溶融塩に接触させただけでは多孔質内部が完全に浸って窒素ガスの還元反応が進行し易い固気液三相界面が十分に形成されず、電極表面を効果的に利用できない場合がある。そのため、多孔質ニッケル表面を処理することにより濡れ性を制御する(濡れやすい箇所と濡れにくい箇所を共存させる)工夫や多孔質ニッケルの内部に窒素ガスを吹き込むなどして常に新鮮な固気液三相界面を生成する工夫をすることが好ましい。例えば、多孔性のガス拡散型電極を用いて陰極内に窒素ガスを吹き込んで常に新鮮な固気液三相界面を生成することが好ましい。   Porous nickel has good wettability to molten salt, so that simply by contacting the molten salt, the inside of the porous layer is completely immersed and a solid-gas-liquid three-phase interface that facilitates the reduction reaction of nitrogen gas is sufficiently formed. Therefore, the electrode surface may not be used effectively. Therefore, by treating the surface of the porous nickel to control the wettability (coexisting wet and hard-to-wet areas) and blowing nitrogen gas into the porous nickel, etc. It is preferable to devise to generate a phase interface. For example, it is preferable to always generate a fresh solid-gas-liquid three-phase interface by blowing nitrogen gas into the cathode using a porous gas diffusion electrode.

また、生成したN3−が多孔質電極内部に留まることは、窒素ガスの還元反応を持続させるための障害となるため、多孔質電極を用いる場合には、N3−を速やかに多孔質電極外部に取り除くのが好ましい。例えば、溶融塩を常に多孔質電極中を流動(通過)させる工夫や多孔質電極内に窒素ガスを吹き込んで多孔質内部の溶融塩を常に流動させる(撹拌させる)工夫をすることが好ましい。 Further, since the generated N 3− stays inside the porous electrode is an obstacle to sustaining the reduction reaction of nitrogen gas, when the porous electrode is used, N 3− is quickly removed from the porous electrode. It is preferable to remove outside. For example, it is preferable to devise a technique for constantly flowing (passing) the molten salt through the porous electrode or a technique for constantly flowing (stirring) the molten salt inside the porous gas by blowing nitrogen gas into the porous electrode.

(陽極)
陽極としては、水蒸気の反応により生じるO2−を酸化して酸素ガスを発生させる陽極を用いる。陽極反応は次の通りである。
(anode)
As the anode, an anode that generates oxygen gas by oxidizing O 2− generated by the reaction of water vapor is used. The anodic reaction is as follows.

2− → 1/2O+2e
なお、上記陽極反応は主反応であり、その他、溶融塩中でHOの平衡反応により生じるOHを酸化して酸素ガスを発生させる反応(※1)や、ごく僅かであるが溶融塩中に残留するHOから酸素ガスを発生させる反応(※2)も生じるものと考えられる。
O 2− → 1 / 2O 2 + 2e
The above anodic reaction is a main reaction. In addition, a reaction (* 1) in which OH generated by an equilibrium reaction of H 2 O in molten salt is oxidized to generate oxygen gas, and a very small amount of molten salt. It is considered that a reaction (* 2) for generating oxygen gas from H 2 O remaining therein also occurs.

O+O2− ←→ 2OH、2OH → 1/2O+HO+2e(※1)
O → 1/2O+2H+2e(※2)
陽極としては、不溶性陽極や酸素発生陽極として市販されている電極材料が使用できる。この中でも、ニッケルフェライトなどの導電性セラミックスや導電性ダイヤモンド電極が好ましい。特にNi酸化物とFe酸化物の固溶体からなるニッケルフェライトについては、NiFe3−X(X=0.1〜2.0)であるものが好ましく、X=0.3〜1.5であるものがより好ましい。
H 2 O + O 2− →→ 2OH , 2OH 1/2 O 2 + H 2 O + 2e (* 1)
H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e (* 2)
As the anode, an electrode material commercially available as an insoluble anode or an oxygen generating anode can be used. Among these, conductive ceramics such as nickel ferrite and conductive diamond electrodes are preferable. Especially for nickel ferrite consisting of a solid solution of Ni oxide and Fe oxide, preferably has a Ni X Fe 3-X O 4 (X = 0.1~2.0), X = 0.3~1. More preferably, it is 5.

陽極反応でO2−やOHが十分に除去できない場合には、溶融塩にこれらのアニオンが蓄積してアンモニア生成反応や陰極での窒素ガス還元反応に支障をきたす可能性がある。従って、(1)アンモニア生成反応により生じたO2−を速やかに陽極近傍へと導く工夫、(2)O2−を含む電解浴と陽極が効果的に接触する工夫、及び、(3)発生する酸素ガスが速やかに電解浴外へと排出される工夫をすることが好ましい。 When O 2− and OH cannot be sufficiently removed by the anodic reaction, these anions accumulate in the molten salt, which may hinder the ammonia generation reaction or the nitrogen gas reduction reaction at the cathode. Therefore, (1) a device for promptly leading O 2− generated by the ammonia production reaction to the vicinity of the anode, (2) a device for effectively contacting the anode with the electrolytic bath containing O 2− , and (3) generation. It is preferable to devise a method in which oxygen gas to be discharged is quickly discharged out of the electrolytic bath.

上記(1)については、電解浴の対流を利用してアンモニア生成部(N3−と水蒸気の反応場)からO2−を陽極近傍へと導くのが好ましい。上記(2)については、対流により移動する溶融塩の流速に対する陽極の接触面積を大きくとるために、陽極表面に溶融塩流路や凹凸を付与することや、多孔質状、メッシュ状にした陽極内部を溶融塩が流動する構造とするのが好ましい、上記(3)については、アルゴンやヘリウム等の不活性ガスを吹き込むことで、溶融塩中から酸素ガスを排出することが好ましい。 As for the above (1), it is preferable to guide O 2− from the ammonia generation part (reaction field of N 3− and water vapor) to the vicinity of the anode using the convection of the electrolytic bath. As for the above (2), in order to increase the contact area of the anode with respect to the flow rate of the molten salt moving by convection, the anode surface is provided with a molten salt flow path or irregularities, or a porous or meshed anode. Regarding (3) above, it is preferable that the molten salt flow inside, and it is preferable to discharge oxygen gas from the molten salt by blowing an inert gas such as argon or helium.

(微細化された水蒸気)
本発明装置は、溶融塩に供給する水蒸気として微細化された水蒸気を用いる。
(Miniaturized water vapor)
The apparatus of the present invention uses water vapor that has been refined as water vapor to be supplied to the molten salt.

水蒸気とN3−とのアンモニア生成反応は主に気液反応として進行するため、水蒸気の気泡サイズ(気泡径)が小さい方が、反応は効率的に進行する。 Since the ammonia generation reaction between water vapor and N 3− mainly proceeds as a gas-liquid reaction, the reaction proceeds more efficiently when the bubble size (bubble diameter) of the water vapor is smaller.

水蒸気の気泡径は、溶融塩の温度、N3−濃度、水蒸気の気泡数等に依存する。従って、水蒸気の気泡径は、アンモニア生成部の規模や陰極でのN3−生成速度に応じて決定する。水蒸気の気泡径は厳密ではないが、100nm〜mm程度が好ましく、1μm〜1mm程度がより好ましい。なお、この気泡径は水蒸気を溶融塩に供給時(又は供給直後)の気泡径であり、N3−との反応が進行するにつれて気泡径が減少する。 The bubble diameter of water vapor depends on the temperature of the molten salt, the N 3 -concentration, the number of water vapor bubbles, and the like. Therefore, the bubble diameter of the water vapor is determined according to the scale of the ammonia generation unit and the N 3− generation rate at the cathode. Although the bubble diameter of water vapor is not exact, it is preferably about 100 nm to 1 mm, more preferably about 1 μm to 1 mm. Incidentally, the bubble size is the bubble diameter during supply to the molten salt steam (or immediately after the supply), the bubble diameter as the reaction with N 3- progresses decreases.

また、単位体積当たりに含まれる水蒸気の気泡数も、溶融塩の温度、N3−濃度、水蒸気の気泡径等によって決定すれば良いが、水蒸気供給時(又は供給直後)において、溶融塩1cm当たりに10個〜1000万個含まれるのが好ましく、100個〜500万個含まれるのがより好ましい。 Further, the number of bubbles of water vapor contained per unit volume, the temperature of the molten salt, N 3- concentration, may be determined by the bubble diameter of the steam, during the steam supply (or immediately after the supply), molten salt 1 cm 3 It is preferable that 10 to 10 million pieces are contained per one, and more preferably 100 to 5 million pieces are contained.

気泡径やその分布の測定には、一般的な液体中の気泡径や気泡数の測定法が利用できる。例えば、数μm〜数十μm以上の比較的大きい気泡であれば、気泡供給部近傍にパイレックス(登録商標)ガラス製や石英ガラス製の透明の窓を設け、溶融塩中の気泡又は窓に付着する気泡を顕微鏡などで直接観察しても良いし、アンモニア電解合成反応の障害とならない範囲でコールタカウンタ法(気泡を含む溶融塩の電気抵抗の変化を測定して気泡径分布を求める方法)により気泡径分布を測定しても良い。また、ナノメートルサイズの非常に微細な気泡の場合には、光散乱法(半導体レーザーなどを溶融塩中に照射し、その散乱光から単位時間当たりに通過した気泡の分布を求める方法)を利用して、気泡径分布を測定できる。   For measuring the bubble diameter and its distribution, a general method for measuring the bubble diameter and the number of bubbles in a liquid can be used. For example, for relatively large bubbles of several μm to several tens of μm, a transparent window made of Pyrex (registered trademark) glass or quartz glass is provided in the vicinity of the bubble supply unit, and adheres to the bubbles or windows in the molten salt. The bubbles can be observed directly with a microscope or the like, or the Coulter counter method (a method for determining the bubble size distribution by measuring the change in the electrical resistance of the molten salt containing bubbles) as long as it does not hinder the ammonia electrosynthesis reaction. The bubble diameter distribution may be measured by In the case of very fine bubbles of nanometer size, use the light scattering method (a method of obtaining the distribution of bubbles that passed through the scattered light by irradiating a semiconductor laser or the like into the molten salt per unit time). Thus, the bubble diameter distribution can be measured.

微細化された水蒸気を発生させる方法は特に限定されない。例えば、ミクロンオーダーの気泡の場合には、パイレックス(登録商標)製や高純度アルミナ製の多孔質部材を通過させる方法が挙げられる。サブミクロンオーダー以下の微細な気泡を得るには、超音波印加等で水蒸気気泡を更に微細化させれば良い。   The method for generating fine water vapor is not particularly limited. For example, in the case of micron-order bubbles, a method of passing through a porous member made of Pyrex (registered trademark) or high-purity alumina can be mentioned. In order to obtain fine bubbles of submicron order or less, the water vapor bubbles may be further refined by applying ultrasonic waves or the like.

微細化された水蒸気の温度は限定されないが、溶融塩の温度を低下させないために溶融塩の温度近くまで予備的に加熱しておくのが好ましいが、水蒸気とN3−との反応熱により比較的低温の水蒸気を吹き込んだ場合でも浴温の低下を抑制することはできる。水蒸気は別途ヒーターなどにより加熱しても良く、水蒸気の流路を溶融塩浴中に設置することで溶融塩浴により加熱しても良い。 Temperature of miniaturized steam is not limited, compared with the heat of reaction it is preferred to keep heated preliminarily to a temperature close to the molten salt in order not to lower the temperature of the molten salt, water vapor and N 3- and Even when steam at a low temperature is blown, the decrease in bath temperature can be suppressed. The water vapor may be heated separately by a heater or the like, or may be heated by the molten salt bath by installing a flow path of the water vapor in the molten salt bath.

(溶融塩を撹拌する手段)
本発明装置は、溶融塩にガス成分を供給し、ガス成分を含む溶融塩の上昇流によって溶融塩を撹拌する手段を有する。この手段は、ガス成分を溶融塩に供給し、ガス供給部の溶融塩が周囲の溶融塩よりも見かけの密度が小さくなることにより浮力を生じさせ、ガス供給部の溶融塩に上昇流が生じること(ガスリフト)によって溶融塩を撹拌する。溶融塩を流動させる方法としては、プロペラなどの駆動部を設ける方法もあり、本発明装置は、当該駆動部を併用することもできる。
(Means for stirring molten salt)
The apparatus of the present invention has means for supplying a gas component to the molten salt and stirring the molten salt by an upward flow of the molten salt containing the gas component. This means supplies the gas component to the molten salt, and the molten salt in the gas supply unit has a smaller apparent density than the surrounding molten salt, thereby generating buoyancy, and an upward flow is generated in the molten salt in the gas supply unit. Stir the molten salt by gas lift. As a method of causing the molten salt to flow, there is a method of providing a driving unit such as a propeller, and the device of the present invention can also use the driving unit in combination.

ガス成分の供給口は電解浴の底部又は底部近傍に設けることが好ましい。このように、ガス成分が溶融塩中を上昇する距離を多く確保することにより効率的に撹拌できる。このような電解浴の撹拌は、陰極で生じるN3−をアンモニア生成部に効率的に移動させる点、N3−を水蒸気と接触させる効率を高める点、及び電解合成によって副生されるO2−を陽極に移動させて酸素ガスとして排出する効率を高める点で好ましい。 The gas component supply port is preferably provided at or near the bottom of the electrolytic bath. Thus, efficient stirring can be achieved by securing a large distance for the gas component to rise in the molten salt. Such agitation of the electrolytic bath efficiently moves N 3− generated at the cathode to the ammonia generation part, increases the efficiency of contacting N 3− with water vapor, and O 2 generated as a by-product by electrolytic synthesis. - the preferred because of enhancing the efficiency of exhaust as the oxygen gas is moved in the anode.

ガスリフトに用いるガス成分としては、例えば、前記水蒸気を利用できる。即ち、アンモニア合成に用いる水蒸気をガスリフトに利用して溶融塩を撹拌しても良い。但し、微細な気泡は、一般に液体中での浮上速度が極めて遅いため、未反応の微細な水蒸気の気泡が溶融塩に残存した場合、浴外に容易に脱離されず、対流する浴内を循環し、陰極反応の障害になる可能性が高くなる。また、水蒸気はアンモニア生成反応により消費されて気泡径は徐々に小さくなる場合が多いことや、水蒸気の過剰の供給はアンモニア生成反応の障害になる可能性がある。そこで、溶融塩の流速を大きくするためには、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等の不活性ガスによりガスリフトさせることが好ましい。このような不活性ガスは、水蒸気と混合して又は水蒸気と別途に供給することができる。   As the gas component used for the gas lift, for example, the water vapor can be used. That is, the molten salt may be stirred by using water vapor used for ammonia synthesis for gas lift. However, since fine bubbles generally have a very low ascent rate in the liquid, if unreacted fine water vapor bubbles remain in the molten salt, they are not easily detached from the bath and circulate in the convection bath. However, there is a high possibility that the cathode reaction becomes an obstacle. In addition, water vapor is often consumed by the ammonia production reaction, and the bubble diameter is often gradually reduced. Excess supply of water vapor may interfere with the ammonia production reaction. Therefore, in order to increase the flow rate of the molten salt, it is preferable to perform gas lift with an inert gas such as argon gas, helium gas, nitrogen gas. Such an inert gas can be mixed with water vapor or supplied separately from water vapor.

電解合成により生じたアンモニアは、溶融塩中に溶け込みやすいことから、この点でも、不活性ガスの吹込みにより、アンモニアを積極的に溶融塩中から追い出すことが好ましい。このような不活性ガスの気泡は、前記の水蒸気気泡のように微細な気泡である必要はない。不活性ガスの気泡の気泡径は限定されないが、1μm〜300mmが好ましく、30μm〜100mmがより好ましい。   Since ammonia generated by electrolytic synthesis is easily dissolved in the molten salt, it is preferable that ammonia be actively expelled from the molten salt by blowing an inert gas. Such inert gas bubbles do not need to be fine bubbles like the water vapor bubbles. Although the bubble diameter of the bubble of an inert gas is not limited, 1 micrometer-300 mm are preferable and 30 micrometers-100 mm are more preferable.

不活性ガスを併用する場合の水蒸気と不活性ガスの比は限定的ではない。ガスリフトによる溶融塩の流動速度と、陰極からのN3−供給速度に応じて適宜設定すればよい。ガスリフトによる溶融塩の流動速度は、陽極においてO2−の大部分が酸素ガスとして系外に排出されるのに適した速度が好ましい。また、陰極からアンモニア生成部へのN3−供給速度は、陰極でのN3−生成速度と溶融塩の流動速度に左右されるが、陰極電流値から求められる陰極でのN3−生成速度から、単位時間当たりに必要となるHO供給量が算出できるので、これに基づいて水蒸気流量と不活性ガス流量を設定するのが好ましい。 The ratio of water vapor to inert gas when using inert gas is not limited. And flow rate of the molten salt by gas lift, may be appropriately set according to N 3- feed rate of the cathode. The flow rate of the molten salt by the gas lift is preferably a rate suitable for discharging most of O 2− as oxygen gas out of the system at the anode. Further, N 3- feed rate of from the cathode to the ammonia generator, N 3- production rate at the cathode which is dependent on the flow rate of the N 3- production rate and the molten salt at the cathode is obtained from the cathode current value From this, it is preferable to set the water vapor flow rate and the inert gas flow rate based on the H 2 O supply amount required per unit time.

以下に実施態様1、実施態様2を例示して本発明装置を具体的に説明する。   Embodiment 1 and Embodiment 2 will be exemplified below to specifically describe the device of the present invention.

(実施態様1)
本発明装置の一例(図1)を実施態様1として説明する。
(Embodiment 1)
An example (FIG. 1) of the apparatus of the present invention will be described as Embodiment 1.

実施態様1では、溶融塩はループ内を循環し、その駆動力は不活性ガス供給によるガスリフトである。多孔質陰極で生成したN3−は、ガスリフトで生じた溶融塩の流動により多孔質陰極内部を通過する溶融塩の流れに乗って、ガスリフトによる溶融塩駆動部と同一箇所であるアンモニア生成部に運ばれる。このアンモニア生成部では、微細な水蒸気の気泡が供給されており、浴上部に到達するまでにほぼ全ての水蒸気はN3−と反応してアンモニアを生成する。生成したアンモニアは、未反応の微細な水蒸気の気泡とともに、ガスリフトの駆動力となった不活性ガスにより気相中へと排出され、後述するアンモニア精製工程へと運ばれる。一方、アンモニア生成反応により副成するO2−は、溶融塩の流れに乗って陽極へと運ばれる。この陽極部では、陽極上の凹凸により溶融塩流量に対する陰極面積の割合を増大させており、また溶融塩厚みを数mm程度の薄い液膜とすることで、陽極上で発生する酸素ガスが気相中へと速やかに排出される。陽極部を通過した溶融塩は、引き続き多孔質陰極内部へと送られる。 In Embodiment 1, the molten salt circulates in the loop, and the driving force is a gas lift by supplying an inert gas. N 3− generated by the porous cathode rides on the flow of the molten salt that passes through the porous cathode due to the flow of the molten salt generated by the gas lift, and enters the ammonia generating section that is the same location as the molten salt driving section by the gas lift. Carried. In this ammonia generation part, fine water vapor bubbles are supplied, and almost all of the water vapor reacts with N 3− to generate ammonia before reaching the upper part of the bath. The produced ammonia is discharged together with unreacted fine water vapor bubbles into the gas phase by the inert gas that has become the driving force of the gas lift, and is carried to the ammonia purification step described later. On the other hand, O 2− by-produced by the ammonia generation reaction is carried to the anode along the flow of the molten salt. In this anode part, the ratio of the cathode area to the molten salt flow rate is increased by the unevenness on the anode, and the oxygen gas generated on the anode is gasified by making the molten salt thickness a thin liquid film of about several mm. It is quickly discharged into the phase. The molten salt that has passed through the anode is subsequently sent into the porous cathode.

上記装置を用いて電解を行うことにより、電解浴中では、下記の反応が進行する。   By performing electrolysis using the above apparatus, the following reaction proceeds in the electrolytic bath.

3−+3/2HO → NH+3/2O2−
つまり、アンモニア電解合成の全反応は、次の通りである。
N 3- + 3 / 2H 2 O → NH 3 + 3 / 2O 2-
That is, the overall reaction of ammonia electrosynthesis is as follows.

1/2N+3/2HO → NH+3/4O
上反応式から計算される理論分解電圧は600Kで1.17Vである。例えば、LiCl−KCl系で例示するならば、陽極は2.8V(Li/Li電位に対する表記、以下同様)程度よりも貴な電位領域に、陰極は0.6V程度よりも卑な電位領域に設定すればよい。この場合、極間電圧2.2V以上で合成反応は進行することになり、理論分解電圧よりも1.0V程度大きい値となる。この原因は、HOとN3−からのアンモニア生成反応が溶融塩中で自発的に進行していることが理由であり、このアンモニア生成反応を電気化学的に生じさせることで、電解電圧を理論分解電圧に大幅に近づけることができる。
1 / 2N 2 + 3 / 2H 2 O → NH 3 + 3 / 4O 2
The theoretical decomposition voltage calculated from the above reaction equation is 1.17 V at 600K. For example, in the case of the LiCl-KCl system, the anode is in a potential region that is nobler than about 2.8V (notation for Li + / Li potential, the same applies hereinafter), and the cathode is in a potential region that is less than about 0.6V. Should be set. In this case, the synthesis reaction proceeds at an inter-electrode voltage of 2.2 V or higher, which is about 1.0 V higher than the theoretical decomposition voltage. This is because the ammonia generation reaction from H 2 O and N 3− is spontaneously proceeding in the molten salt, and the electrolysis voltage is generated by electrochemically generating this ammonia generation reaction. Can be made much closer to the theoretical decomposition voltage.

(実施態様2)
本発明装置の一例(図2)を実施態様2として説明する。
(Embodiment 2)
An example (FIG. 2) of the device of the present invention will be described as Embodiment 2.

実施態様2は、電解槽Aと電解槽Bの2つの電解槽を用いて、槽間を水素透過性金属膜により隔てている。   Embodiment 2 uses two electrolytic cells, electrolytic cell A and electrolytic cell B, and the cells are separated by a hydrogen permeable metal film.

図2の装置を用いて電解を行うことにより、電解槽A側では、次の反応が進行する。   By performing electrolysis using the apparatus of FIG. 2, the following reaction proceeds on the electrolytic cell A side.

陽極反応:3O2− → 3/2O+6e
陰極反応:3HO+6e → 3O2− +6H (a)
全反応A :3HO → 3/2O +6H
即ち、水素透過性金属膜の電解槽A側では、水の電気分解により原子状の水素が金属膜へと吸蔵されて、金属膜内を電解槽B側へと拡散する。一方、電解槽B側では、次の反応が進行する。
Anodic reaction: 3O 2− → 3 / 2O 2 + 6e
Cathodic reaction: 3H 2 O + 6e → 3O 2 + 6H (a)
Total reaction A: 3H 2 O → 3 / 2O 2 + 6H
That is, on the electrolytic cell A side of the hydrogen permeable metal film, atomic hydrogen is occluded into the metal film by water electrolysis and diffuses in the metal film to the electrolytic cell B side. On the other hand, the following reaction proceeds on the electrolytic cell B side.

陽極反応:6H+2N3−→2NH+6e
陰極反応:N+6e → 2N3− (b)
全反応B :N+6H → 2NH
即ち、金属膜内を電解槽B側へと拡散してきた水素原子は、電解槽Bの浴中のN3−と電気化学的に反応し、NHを生成する。この場合の、両電解槽で必要となる電解電圧は、約1.2V程度である。このことは、溶融塩中で自発的に進む、
O+N3−→NH+O2−
なる反応を、上記の陰極反応(a)と陽極反応(b)により電気化学的に進行させることで、約1.0V程度の電圧が回収できたことに等しい。この場合の電解槽Aの溶融塩には、前述した溶融塩の他に、溶融水酸化物もしくは溶融水酸化物−HO系のものが利用できる。このような金属水酸化物としてはアルカリ金属の水酸化物が好ましく、特にNaOH、KOHがより好ましい。また、電解槽Aでは、プロトン導電性の固体電解質も利用できる。
Anodic reaction: 6H + 2N 3 − → 2NH 3 + 6e
Cathodic reaction: N 2 + 6e → 2N 3− (b)
Total reaction B: N 2 + 6H → 2NH 3
That is, the hydrogen atoms that have diffused into the electrolytic cell B side in the metal film electrochemically react with N 3− in the bath of the electrolytic cell B to generate NH 3 . In this case, the electrolysis voltage required for both electrolytic cells is about 1.2V. This proceeds spontaneously in the molten salt,
H 2 O + N 3− → NH 3 + O 2−
This is equivalent to the fact that a voltage of about 1.0 V can be recovered by causing the reaction to proceed electrochemically by the above-described cathodic reaction (a) and anodic reaction (b). In this case, as the molten salt of the electrolytic cell A, in addition to the above-described molten salt, a molten hydroxide or a molten hydroxide-H 2 O type can be used. As such a metal hydroxide, an alkali metal hydroxide is preferable, and NaOH and KOH are particularly preferable. In the electrolytic cell A, a proton conductive solid electrolyte can also be used.

(アンモニア精製手段)
電解合成によりアンモニアが得られるが、回収ガスには通常アンモニア以外の不純物も含まれているため、精製により高純度のアンモニアを得ることが好ましい。
(Ammonia purification means)
Ammonia is obtained by electrolytic synthesis, but since the recovered gas usually contains impurities other than ammonia, it is preferable to obtain high-purity ammonia by purification.

回収ガスに含まれる可能性のある不純物は、(イ)溶融塩蒸気、(ロ)未反応水蒸気、(ハ)不活性ガス(陰極で使用する窒素ガスを含む)である。なお、精製により上記(イ)〜(ハ)を除去する際は、(イ)→(ロ)→(ハ)の順で除去するのが好ましい。
(イ)溶融塩蒸気の除去
溶融塩蒸気は、溶融塩の融点以下に達した時点で凝結・固化が始まり、ガス回収ラインに到達した時点では全てが微粒子状に固化した状態にある。従って、常温〜150℃程度に保持した粉塵フィルター等で容易に除去可能である。なお、ガス回収ライン中で結露が生じた場合、生成アンモニアが結露に吸収されてアンモニア収率の低下や配管の劣化を招くおそれがあるため、電解セル〜電解質回収部間は、少なくとも80℃程度以上に保持し、結露を防ぐのが好ましい。
(ロ)未反応水蒸気の除去
未反応水蒸気は、0℃以下(好ましくは−5℃以下)に保持した冷却機を使用して速やかに固化させることが好ましい。これは、溶融塩が凝結した水滴に溶解し、凝固点降下によって固化速度が低下するのを防ぐ為であり、また凝結した水滴に生成アンモニアが吸収されて収率の低下や冷却機の劣化を防ぐ為である。冷却の方法は、気化熱を利用したり、ペルチェ効果を利用するなど、一般的なガス流体の冷却方法が利用できる。例えば、水蒸気を含むアンモニアガスを冷却した構造体に吹き付けて構造体上に氷の膜として回収しても良いし、冷却された不活性ガスを吹き付けることで氷の粒子として回収しても良い。
(ハ)不活性ガス(陰極で使用する窒素ガスを含む)の除去
不活性ガスは、精製手段の最後で除去することが好ましい。アンモニアは、常圧下でも−33℃で液化するため、この特徴を利用し、例えば、−40℃程度以下に晒すことで液体のアンモニアと不活性ガスとを分離できる。精製アンモニアをボンベ等の容器に一時保管することを考慮し、数気圧程度まで加圧すれば、より高温でアンモニアは液化する(8〜9気圧程度であれば常温でも液化する)ため、回収は容易となる。
Impurities that may be contained in the recovered gas are (a) molten salt vapor, (b) unreacted water vapor, and (c) inert gas (including nitrogen gas used at the cathode). In addition, when removing said (A)-(C) by refinement | purification, it is preferable to remove in order of (I)->(B)-> (C).
(A) Removal of molten salt vapor The molten salt vapor begins to condense and solidify when it reaches the melting point of the molten salt or less, and when it reaches the gas recovery line, it is in a state of solidification in the form of fine particles. Therefore, it can be easily removed with a dust filter or the like maintained at room temperature to about 150 ° C. In addition, when dew condensation occurs in the gas recovery line, the generated ammonia is absorbed by the dew condensation, which may cause a decrease in ammonia yield and deterioration of the piping. Therefore, at least about 80 ° C. between the electrolytic cell and the electrolyte recovery unit. It is preferable to hold the above to prevent condensation.
(B) Removal of unreacted water vapor Unreacted water vapor is preferably solidified quickly using a cooler kept at 0 ° C. or lower (preferably −5 ° C. or lower). This is to prevent the molten salt from dissolving in the condensed water droplets and lowering the solidification rate due to the lowering of the freezing point, and also to prevent the generated ammonia from being absorbed into the condensed water droplets to prevent a decrease in yield and deterioration of the cooling machine. Because of that. As a cooling method, it is possible to use a general gas fluid cooling method such as using heat of vaporization or using the Peltier effect. For example, ammonia gas containing water vapor may be sprayed onto a cooled structure and recovered as an ice film on the structure, or may be recovered as ice particles by spraying a cooled inert gas.
(C) Removal of inert gas (including nitrogen gas used at the cathode) The inert gas is preferably removed at the end of the purification means. Since ammonia is liquefied at −33 ° C. even under normal pressure, liquid ammonia and inert gas can be separated by using this feature, for example, by exposing to about −40 ° C. or lower. In consideration of temporarily storing purified ammonia in a container such as a cylinder, if it is pressurized to about several atmospheres, ammonia will be liquefied at a higher temperature (if it is about 8-9 atmospheres, it will be liquefied even at room temperature). It becomes easy.

本発明のアンモニア電解合成装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the ammonia electrosynthesis apparatus of this invention. 本発明のアンモニア電解合成装置の一例を示す模試図である。It is a schematic diagram which shows an example of the ammonia electrosynthesis apparatus of this invention.

Claims (8)

水と窒素とからアンモニアを電解合成する装置であって、前記装置は、
(1)電解浴である溶融塩に微細化された水蒸気と窒素ガスとを供給することによって前記アンモニアを合成する装置であり、
(2)前記水蒸気の反応によって生じるO2− 及び/又はOH を酸化して酸素ガスを発生させる陽極と、
(3)窒素ガスを還元してN3−を発生させる陰極と、
(4)前記微細化された水蒸気を供給する手段と、
)前記溶融塩にガスリフトを生じさせるスを供給し、前記溶融塩上昇流を生じさせることによ、前記溶融塩を、前記陽極、前記陰極及び前記水蒸気を供給する手段の供給口を一部に有するループ内で循環させるように前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段とを有し、
(6)電解槽の底部又は底部近傍において、前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段の供給口を備える、
ことを特徴とするアンモニア電解合成装置。
An apparatus for electrosynthesis of ammonia from water and nitrogen, the apparatus comprising:
(1) An apparatus for synthesizing the ammonia by supplying refined water vapor and nitrogen gas to a molten salt that is an electrolytic bath,
(2) an anode that generates oxygen gas by oxidizing O 2− and / or OH generated by the reaction of the water vapor;
(3) a cathode that reduces nitrogen gas to generate N 3− ;
(4) means for supplying the refined water vapor;
(5) the supply gas to produce a gas lift in the molten salt, Ri by the causing the pre-Symbol upward flow in the molten salt, the molten salt, the anode, the means for supplying the cathode and the steam the gas causes the gas lift to circulate in a loop with a supply port to a portion to have a means for supplying,
(6) In the bottom of the electrolytic cell or in the vicinity of the bottom, a supply port of a means for supplying the gas that causes the gas lift is provided.
An ammonia electrosynthesis apparatus characterized by that.
水と窒素とからアンモニアを電解合成する装置であって、前記装置は、  An apparatus for electrosynthesis of ammonia from water and nitrogen, the apparatus comprising:
(1)電解浴である溶融塩に微細化された水蒸気と窒素ガスとを供給することによって前記アンモニアを合成する装置であり、(1) An apparatus for synthesizing the ammonia by supplying refined water vapor and nitrogen gas to a molten salt that is an electrolytic bath,
(2)前記溶融塩を有する電解槽A及び電解槽Bであって、前記槽間を水素透過性金属膜により隔てられている電解槽A及び電解槽Bと、(2) An electrolytic cell A and an electrolytic cell B having the molten salt, wherein the electrolytic cell A and the electrolytic cell B are separated from each other by a hydrogen permeable metal film,
(3)前記水蒸気の反応によって生じるO(3) O generated by the reaction of the water vapor 2−2- 及び/又はOHAnd / or OH を酸化して酸素ガスを発生させる、前記電解槽A中に備えられた陽極と、An anode provided in the electrolytic cell A for generating oxygen gas by oxidizing
(4)窒素ガスを還元してN(4) Reduce nitrogen gas to N 3−3- を発生させる、前記電解槽B中に備えられた陰極と、A cathode provided in the electrolytic cell B,
(5)前記微細化された水蒸気を供給する手段と、(5) means for supplying the refined water vapor;
(6)前記電解槽A中の溶融塩にガスリフトを生じさせるガスを供給し、前記溶融塩に上昇流を生じさせることにより、前記電解槽A中の溶融塩を、前記陽極、前記水素透過性金属膜及び前記水蒸気を供給する手段の供給口を一部に有するループ内で循環させるように前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段とを有し、(6) A gas that causes a gas lift to the molten salt in the electrolytic cell A is supplied, and an upward flow is generated in the molten salt, whereby the molten salt in the electrolytic cell A is converted into the anode and the hydrogen permeability. Means for supplying a gas for generating the gas lift so as to be circulated in a loop having a supply port of a means for supplying the metal film and the water vapor in part.
(7)電解槽Aの底部又は底部近傍において、前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段の供給口を備える、(7) At the bottom of the electrolytic cell A or in the vicinity of the bottom, a supply port for supplying gas for generating the gas lift is provided.
ことを特徴とするアンモニア電解合成装置。An ammonia electrosynthesis apparatus characterized by that.
前記溶融塩は、アルカリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1に記載のアンモニア電解合成装置。   The ammonia electrolytic synthesis apparatus according to claim 1, wherein the molten salt is at least one selected from the group consisting of an alkali metal halide and an alkaline earth metal halide. 前記電解槽A中の溶融塩は、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、及び溶融水酸化物からなる群から選択される少なくとも1種であって、  The molten salt in the electrolytic cell A is at least one selected from the group consisting of an alkali metal halide, an alkaline earth metal halide, and a molten hydroxide,
前記電解槽B中の溶融塩は、アルカリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物からなる群から選択される少なくとも1種である、  The molten salt in the electrolytic cell B is at least one selected from the group consisting of alkali metal halides and alkaline earth metal halides,
請求項2に記載のアンモニア電解合成装置。The ammonia electrosynthesis apparatus according to claim 2.
前記水蒸気を供給する手段が、気泡径100nm〜1mmの前記微細化された水蒸気を供給する、請求項1〜4のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。  The ammonia electrosynthesis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the means for supplying water vapor supplies the refined water vapor having a bubble diameter of 100 nm to 1 mm. 前記水蒸気を供給する手段が、前記溶融塩1cm  The means for supplying water vapor is 1 cm of the molten salt. 3 当たりに前記気泡が10個〜1000万個含まれるように前記微細化された水蒸気を供給する、請求項1〜4のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。The ammonia electrolytic synthesizer according to any one of claims 1 to 4, wherein the atomized water vapor is supplied so that 10 to 10 million bubbles are included. 前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する手段が、不活性ガスを含む前記ガスリフトを生じさせるガスを供給する、請求項1〜6のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。  The ammonia electrolytic synthesis apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the means for supplying the gas for generating the gas lift supplies the gas for generating the gas lift including an inert gas. 前記電解合成により得られるアンモニア含有ガスから不純物を除去するトラップ手段を更に有する、請求項1〜のいずれかに記載のアンモニア電解合成装置。 The ammonia electrosynthesis apparatus according to any one of claims 1 to 7 , further comprising trap means for removing impurities from the ammonia-containing gas obtained by the electrolytic synthesis.
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