JP6343602B2 - 電気化学還元装置および、芳香族化合物の水素化体の製造方法 - Google Patents
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図1は、実施の形態に係る電気化学還元装置10の概略構成を示す模式図である。図2は、実施の形態に係る電気化学還元装置10が有する電極ユニットの概略構成を示す図である。図1に示すように、電気化学還元装置10は、主な構成として、電極ユニット100、電力制御部20、有機物貯蔵槽30、濃度取得部34、水貯蔵槽40、気水分離部50および制御部60を備える。図2に示すように、電極ユニット100は、電解質膜110、還元電極120、酸素発生用電極130、液体拡散層140a、140b、およびセパレータ150a、150bを有する。以下、電解質膜110、還元電極120、酸素発生用電極130、液体拡散層140a,140b、およびセパレータ150a,150bを組み合わせたものを「セル」と称する。
<酸素発生用電極での電極反応>
3H2O→1.5O2+6H++6e−:E0=1.23V
<還元電極での電極反応>
トルエン+6H++6e−→メチルシクロヘキサン:E0=0.153V(vs RHE)
すなわち、酸素発生用電極での電極反応と、還元電極での電極反応とが並行して進行し、酸素発生用電極での電極反応によって、水の電気分解により生じたプロトンが電解質膜110を介して還元電極に供給され、還元電極での電極反応において、芳香族化合物の核水素化に利用される。
VCA=VCA_actual+Rohmic×J(電流密度)
オーム抵抗としては、例えば電解質膜のプロトン移動抵抗、電極触媒層の電子移動抵抗、その他電気回路上の接触抵抗等が挙げられる。
ここで、Rohmicは、交流インピーダンス法や固定周波数での交流抵抗測定を用いて、等価回路上の実抵抗成分として求めることができるが、一旦電解槽の構成や用いる材料系が決まれば、ほぼ定常値とみなして以下の制御に用いる方法も好ましく取り得る。
|電位VCA(実測値)−電位VCA(目標値)|≦公差・・・(1)
VHER−Vallow≦VCA(実測値)≦VTRR・・・(2)
上式中、公差は、例えば、1mVである。
電位VCA(実測値)−電位VCA(目標値)>公差
の場合には、制御部60は、電圧Vaを1mVだけ上げるように電力制御部20に指示を送る。なお、電圧Vaを上げた結果、|電位VCA(実測値)−電位VCA(目標値)|≦公差を満たす場合であっても、VCA(実測値)<VHER−Vallowとなる場合は、式(2)を満たさないため、次の処理では、制御部60は電圧Vaを1mV下げさせる。
の場合には、制御部60は、電圧Vaを1mVだけ下げるように電力制御部20に指示を送る。なお、電圧Vaを下げた結果、|電位VCA(実測値)−電位VCA(目標値)|≦公差を満たす場合であっても、VCA(実測値)>VTRRとなる場合は、式(2)を満たさないため、次の処理では、制御部60は電圧Vaを1mV上げさせる。このようにして、制御部60は、最終的に式(1)および式(2)を満たすまで電圧Vaを調節する。
図4は、実施の形態2に係る電気化学還元装置の概略構成を示す模式図である。図4に示すように、電気化学還元装置10は、それぞれ独立した電極ユニット100A、100B、および100Cを有する。本実施の形態では、電極ユニット100の数Nは3であるがNは2以上であればよい。なお、個々の電極ユニット100の構成は実施の形態1と同様であり、適宜説明を省略する。図4では、電極ユニット100が簡略化されて図示されており、図2に示された液体拡散層140a、140b、およびセパレータ150a、150bが省略されている。
Claims (14)
- イオン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に設けられ、芳香族化合物を核水素化するための還元触媒を含む還元電極と、前記電解質膜の他方の側に設けられた酸素発生用電極と、を含んで構成される電極ユニットと、
前記還元電極と前記酸素発生用電極との間に電圧Vaを印加する電力制御部と、
前記還元電極に供給される芳香族化合物の濃度を取得する濃度取得部と、
可逆水素電極における電位をVHER、前記芳香族化合物の標準酸化還元電位をVTRR、前記還元電極の電位をVCA、電位VCAの下限許容電位の決定に用いられる下限電位設定用電位差をVallowと表したとき、
VHER−Vallow≦VCA≦VTRR
なる関係を満たすように前記電力制御部を制御する制御部と、
前記下限電位設定用電位差Vallowを前記濃度取得部によって取得された前記芳香族化合物の濃度に応じて調整することによって、電位VCAの下限を決定する下限電位設定部と、
を備えることを特徴とする電気化学還元装置。 - 前記下限電位設定部は、前記芳香族化合物の濃度が低下したときに、前記下限電位設定用電位差Vallowの絶対値を増加させる請求項1に記載の電気化学還元装置。
- 前記電解質膜に接し、かつ、前記還元電極および前記酸素発生用電極と電気的に隔離して配置され、参照電極電位VRefに保持される参照電極と、
前記参照電極と前記還元電極との電位差ΔVCAを検出する電圧検出部と、
を更に備え、
前記制御部は、電位差ΔVCAおよび参照電極電位VRefに基づいて、前記還元電極の電位VCAを取得することを特徴とする、請求項1または2に記載の電気化学還元装置。 - 前記制御部は、電圧Vaを変化させて、前記還元電極の電位VCAが所定の範囲の電位になるよう制御することを特徴とする、請求項3に記載の電気化学還元装置。
- 前記制御部は、水の電気分解における酸素発生平衡電位をVOERと表したとき、
Va≧(VOER−VCA)
を満たすように前記電力制御部を制御する請求項4に記載の電気化学還元装置。 - 前記参照電極は、前記電解質膜において前記還元電極が設けられる側に配置されることを特徴とする、請求項3乃至5のいずれか1項に記載の電気化学還元装置。
- イオン伝導性を有する電解質膜と、前記電解質膜の一方の側に設けられ、芳香族化合物を核水素化するための還元触媒を含む還元電極と、前記電解質膜の他方の側に設けられた酸素発生用電極と、を含んで構成される複数の電極ユニットと、
各電極ユニットの酸素発生用電極と還元電極との間に電圧Va(i)(iは個々の電極ユニットを区別するための記号、以下同様)を印加する電力制御部と、
前記芳香族化合物を各電極ユニットの還元電極に順番に通過させる原料供給手段と、
各電極ユニットの還元電極に供給される芳香族化合物の濃度M(i)を取得する濃度取得部と、
可逆水素電極における電位をVHER、前記芳香族化合物の標準酸化還元電位をVTRR、前記還元電極の電位をVCA、電位VCAの下限許容電位の決定に用いられる下限電位設定用電位差をVallow(i)と表したとき、
VHER−Vallow(i)≦VCA≦VTRR
なる関係を満たすように前記電力制御部を制御する制御部と、
前記下限電位設定用電位差Vallow(i)を前記濃度取得部によって取得された前記芳香族化合物の濃度に応じて調整することによって、電位VCAの下限を決定する下限電位設定部と、
濃度M(i)が各電極ユニット毎に設定された濃度下限値に達するまで、各電極ユニットで前記芳香族化合物の水素化を進行させ、濃度M(i)が各電極ユニット毎に設定された濃度下限値に達したときに、下流側の電極ユニットに前記芳香族化合物を移動させて各水素化を進行させることを特徴とする電気化学還元装置。 - 前記下限電位設定部は、前記芳香族化合物の濃度が低下したときに、前記下限電位設定用電位差Vallow(i)の絶対値を増加させる請求項7に記載の電気化学還元装置。
- 前記複数の電極ユニットに含まれる各電解層の電解質膜に接し、かつ、前記還元電極および前記酸素発生用電極と電気的に隔離して配置される複数の参照電極と、
前記参照電極と前記還元電極との電位差ΔVCA(i)を検出する電圧検出部と、
を更に備え、
前記制御部は、電位差ΔVCA(i)および参照電極電位VRef(i)に基づいて、前記還元電極の電位VCA(i)を取得することを特徴とする、請求項7または8に記載の電気化学還元装置。 - 前記制御部は、電圧Va(i)を変化させて、各電極ユニットの前記還元電極の電位VCA(i)が所定の範囲の電位になるよう制御することを特徴とする、請求項9に記載の電気化学還元装置。
- 前記制御部は、水の電気分解における酸素発生平衡電位をVOERと表したとき、
Va(i)≧(VOER−VCA)
を満たすように前記電力制御部を制御する請求項10に記載の電気化学還元装置。 - 前記参照電極は、前記電解質膜において前記還元電極が設けられる側に配置されることを特徴とする、請求項9乃至11のいずれか1項に記載の電気化学還元装置。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の電気化学還元装置を用い、
前記電極ユニットの前記還元電極側に芳香族化合物を導入し、前記酸素発生用電極側に水または加湿したガスを流通させ、前記還元電極側に導入された芳香族化合物を核水素化することを特徴とする芳香族化合物の水素化体の製造方法。 - 前記還元電極側へ導入する芳香族化合物を、反応温度において液体の状態で前記還元電極側へ導入する、請求項13に記載の芳香族化合物の水素化体の製造方法。
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