JP6568325B2 - 水電解槽 - Google Patents
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Description
(a)ある量のアノード触媒を含むアノードと、
(b)ある量のカソード触媒を含むカソードであって、少なくとも1つのカソード反応物流チャネル(cathode reactant flow channel)を介して当該カソードに導入されたカソード反応物を有するカソードと、
(c)アノードとカソードとの間に挟まれたポリマー電解質膜と、
(d)アノードとカソードとの間に電圧を印加する電気エネルギー源と、
を含む。
アノード触媒及びカソード触媒は卑金属触媒を含む。ポリマー電解質膜は、スチレン、ビニルベンジル−Rs及びビニルベンジル−Rxのポリマーを含み、ここで、Rsは正電荷を帯びた環状アミン基であり、Rxは、Cl、OH、及びOH又はClと単純なアミン又は環状アミン以外の化学種との反応生成物からなる群から選ばれた少なくとも1つの要素であり、ビニルベンジル−Rx基の総質量は膜の総質量の0.3%を超える。
「ポリマー電解質膜」という用語は、一般的に複数の共有結合した負電荷を帯びた基を有するポリマーを含むカチオン交換膜と、一般的に複数の共有結合した正電荷を帯びた基を有するポリマーを含むアニオン交換膜の両方を指す。典型的なカチオン交換膜としては、デラウェア州ウィルミントン(Wilmington)のE. I. Du Pont de Nemours and Company(DuPont)から商品名NAFIONで入手可能なペルフルオロスルホン酸ポリマーなどのプロトン伝導膜が挙げられる。
の配位子が包含される。
の配位子が包含される。
P+(R12R13R14R15)
(式中、R12〜R15は、水素、ハライド、線状アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリール、及びそれらのポリマー、例えば本明細書に記載のビニルベンジルコポリマーからそれぞれ独立に選択される。)
の配位子が包含される。
N(R16R17R18)
(式中、R16〜R18は、水素、線状アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール及びヘテロアルキルアリールからそれぞれ独立に選択されるが、ポリマーは選択されない。)
の化学種を指す。
図1は、典型的にはグラファイト又はグラファイト複合材料で形成されたリジッドな流動場プレート34及び36の間に挟まれた膜電極アセンブリ32を含む燃料電池ハードウェアアセンブリ30を示す。膜電極アセンブリ32は、2つの電極、すなわちアノード44とカソード46の間に挟まれたポリマー電解質(イオン交換)膜42からなる。アノード44及びカソード46は、典型的には、例えば炭素繊維紙などの多孔質導電性シート材料から形成され、平坦な主表面を有する。電極44及び46は、電気化学的に活性になるように、膜42との界面でそれらの主表面上に配置された触媒材料の薄層を有する。
この実施例の目的は、2V以下の印加電圧及び80℃以下の温度で1A/cm2のセル単位面積当たりの電流を得ることができる卑金属触媒を有するアルカリ電解槽を実証することである。
(a)ある量のアノード触媒を含むアノードであって、少なくとも1つのアノード反応物流チャネルを介して当該アノードに導入されたアノード反応物を有するアノードと、
(b)ある量のカソード触媒を含むカソードであって、少なくとも1つのカソード反応物流チャネルを介して当該カソードに導入されたカソード反応物を有するカソードと、
(c)アノードとカソードとの間に挟まれたポリマー電解質膜と、
(d)アノードとカソードとの間に電圧を印加する電気エネルギー源と、
を含み、アノード触媒及びカソード触媒が貴金属を含まず、ポリマー電解質膜がスチレン、ビニル−ベンジル−クロリド(VBC)及びビニルベンジル−Rsのポリマーを含み、Rsは正電荷を帯びた環状アミンである。
(a)ある量のアノード触媒を含むアノードと、
(b)ある量のカソード触媒を含むカソードであって、少なくとも1つのカソード反応物流チャネルを介して当該カソードに導入されたカソード反応物を有するカソードと、
(c)アノードとカソードとの間に挟まれたポリマー電解質膜と、
(d)アノードとカソードとの間に電圧を印加する電気エネルギー源と、
を有し、膜が、スチレン、ビニルベンジル−Rs及びビニルベンジル−Rxのターポリマーを含み、ここで、Rsが正電荷を帯びた環状アミン基であり、Rxが、Cl、OH、及びOH又はClと単純なアミン又は環状アミン以外の化学種との反応生成物からなる群から選ばれる、アルカリ水電解槽が、以前に報告されたアルカリ電解槽より優れた電解槽性能を提供できることを示している。
本発明に関連する発明の実施態様の一部を以下に示す。
[態様1]
水電解槽であって、
(a)ある量のアノード触媒を含むアノードと、
(b)ある量のカソード触媒を含むカソードであって、少なくとも1つのカソード反応物流チャネルを介して当該カソードに導入されたカソード反応物を有するカソードと、
(c)前記アノードと前記カソードとの間に挟まれたポリマー電解質膜であって、スチレン、ビニルベンジル−R s 及びビニルベンジル−R x のターポリマーを含み、ここで、R x は、Cl、OH、及びOH又はClと単純なアミン又は環状アミン以外の化学種との反応生成物からなる群から選ばれた少なくとも1つの要素であり、ビニルベンジル−R x 基の総質量は前記ポリマー電解質膜の総質量の少なくとも0.3%である、ポリマー電解質膜と、
(d)アノードとカソードとの間に電圧を印加する電気エネルギー源と、
を含み、
前記ポリマー電解質膜は、スチレン及びビニルベンジル−R s を含むポリマーを含み、ここで、R s は正電荷を帯びた環状アミン基である、
水電解槽。
[態様2]
前記ポリマー電解質膜中の前記ビニルベンジル−R s 基の総質量が、前記膜の総質量の15%〜90%である、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様3]
前記ポリマー膜が10〜300マイクロメートルの厚さを有する、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様4]
前記ポリマー電解質膜中の前記ビニルベンジル−R x 基の総質量が、前記膜の総質量の0.3%〜25%である、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様5]
前記ポリマー電解質膜中の前記ビニルベンジル−R x 基の総質量が、前記膜の総質量の1%〜15%である、上記態様4に記載の水電解槽。
[態様6]
前記正電荷を帯びた環状アミン基がイミダゾリウム又はピリジニウムである、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様7]
前記正電荷を帯びた環状アミン基がアルキルピリジニウムである、上記態様6に記載の水電解槽。
[態様8]
前記正電荷を帯びた環状アミン基がテトラメチルイミダゾリウムである、上記態様6に記載の水電解槽。
[態様9]
前記アノード触媒が卑金属触媒を含む、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様10]
前記カソード触媒が卑金属触媒を含む、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様11]
前記アノード触媒が、1又は2種以上の卑金属触媒から実質的になる、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様12]
前記カソード触媒が、1又は2種以上の卑金属触媒から実質的になる、上記態様1に記載の水電解槽。
[態様13]
前記カソード触媒が水を含む、上記態様1に記載の水電解槽。
Claims (13)
- 水電解槽であって、
(a)ある量のアノード触媒を含むアノードと、
(b)ある量のカソード触媒を含むカソードであって、少なくとも1つのカソード反応物流チャネルを介して当該カソードに導入されたカソード反応物を有するカソードと、
(c)前記アノードと前記カソードとの間に挟まれたポリマー電解質膜と、
(d)前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電気エネルギー源と、
を含み、
前記ポリマー電解質膜は、スチレン、ビニルベンジル−Rs(Rsは正電荷を帯びた環状アミン基である)及びビニルベンジル−Rx(Rxは、Cl、OH、及びOH又はClとアミン以外の反応物との反応生成物からなる群から選ばれた少なくとも1つの要素である)のターポリマーを含み、前記ビニルベンジル−Rx基の総質量は前記ターポリマーの総質量の少なくとも1%である、
水電解槽。 - 前記ポリマー電解質膜中の前記ビニルベンジル−Rs基の総質量が、前記ターポリマーの総質量の15%〜90%である、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記ポリマー膜が10〜300マイクロメートルの厚さを有する、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記ポリマー電解質膜中の前記ビニルベンジル−Rx基の総質量が、前記ターポリマーの総質量の1%〜25%である、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記ポリマー電解質膜中の前記ビニルベンジル−Rx基の総質量が、前記ターポリマーの総質量の1%〜15%である、請求項4に記載の水電解槽。
- 前記正電荷を帯びた環状アミン基がイミダゾリウム又はピリジニウムである、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記正電荷を帯びた環状アミン基がアルキルピリジニウムである、請求項6に記載の水電解槽。
- 前記正電荷を帯びた環状アミン基がテトラメチルイミダゾリウムである、請求項6に記載の水電解槽。
- 前記アノード触媒が金属触媒を含み、前記金属がRu、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt及びAu以外のものである、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記カソード触媒が金属触媒を含み、前記金属がRu、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt及びAu以外のものである、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記アノード触媒が、1又は2種以上の金属触媒からなり、前記金属がRu、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt及びAu以外のものである、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記カソード触媒が、1又は2種以上の金属触媒からなり、前記金属がRu、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt及びAu以外のものである、請求項1に記載の水電解槽。
- 前記カソード反応物が水を含む、請求項1に記載の水電解槽。
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