JP6998797B2 - 有機ハイドライド製造装置、有機ハイドライドの製造方法およびエネルギー輸送方法 - Google Patents
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Description
電解質膜110は、プロトン伝導性を有する材料(アイオノマー)で形成される。電解質膜110は、プロトンを選択的に伝導する。プロトン伝導性を有する材料としては、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロスルホン酸ポリマーが挙げられる。電解質膜110の面積抵抗、即ち幾何面積当たりのイオン移動抵抗は、特に限定されないが、例えば2000mΩ・cm2以下である。
還元極120は、電解質膜110の一方の側に設けられる。本実施の形態では、還元極120は電解質膜110の一方の主表面に接するように設けられている。還元極120は、還元極触媒層122と、還元極触媒層122を収容する還元極室124とを備える。また、還元極120は、スペーサ126、マイクロポーラス層128、拡散層130、流路部132、還元極室入口134および還元極室出口136を備える。なお、マイクロポーラス層128および拡散層130は、適宜省略することができる。
酸化極150は、電解質膜110の一方の側とは反対側、すなわち還元極120とは反対側に設けられる。本実施の形態では、酸化極150は電解質膜110の他方の主表面に接するように設けられる。酸化極150は、酸化極触媒層152と、酸化極触媒層152を収容する酸化極室154とを備える。また、酸化極150は、スペーサ156、支持用弾性体158、酸化極室入口160および酸化極室出口162を備える。
<酸化極での電極反応>
2H2O→O2+4H++4e-
<還元極での電極反応>
PYR+4H++4e-→PPR
<全反応>
PYR+2H2O→PPR+O2
本実施の形態に係る有機ハイドライドの製造方法では、プロトン伝導性を有する電解質膜110の一方の側に設けられた還元極120にピラジン類が供給される。また、電解質膜110の他方の側に設けられた酸化極150にアノード液が供給される。そして、酸化極150においてアノード液中の水が酸化されてプロトンが生成される。生成されたプロトンは、電解質膜110を通って還元極120に移動する。還元極120では、電気化学還元反応によってプロトンでピラジン類が水素化され、これにより有機ハイドライドとしてのピペラジン類が生成される。
本実施の形態に係るエネルギー輸送方法は、電気化学還元反応によってピラジン類を水素化して有機ハイドライドとしてのピペラジン類を生成し、ピペラジン類を生成した場所から他の場所に輸送し、輸送した先で、ピペラジン類を触媒反応によって脱水素化して水素を取り出すことを含む。ピペラジン類は、従来公知の方法で脱水素化することができる。これにより、大規模な再生可能エネルギー生成システムを世界の適地に設置し、得られた再生可能エネルギーを用いてピペラジン類を生成し、ピペラジン類を国内に輸送して水素を取り出すエネルギー供給システムを構築することができる。
一般的な厚さ(50μm)の電解質膜を用いて各種の基質に電解還元を施し、その際の電流密度を測定した。
まず、PtRu/C触媒TEC61E54E(Pt23質量%、Ru27質量%、田中貴金属工業株式会社製)の粉末に、5%ナフィオン(登録商標)分散液(デュポン社製)を添加し、適宜溶媒を用いて還元極触媒層用の触媒インクを調製した。触媒インクのナフィオン/カーボン比は0.8とした。また、電解質膜として、ナフィオン(登録商標)NRE212CS(厚さ50μm、デュポン社製)を用意した。得られた触媒インクを電解質膜の一方の主表面にスプレー塗布した。触媒インクは、PtとRuの合計質量が電極面積あたり0.5mg/cm2となるように塗布した。その後、塗膜を80℃で乾燥させて触媒インク中の溶媒成分を除去し、電解質膜の一方の主表面に還元極触媒層を形成した。
還元極側に2,5-ジメチルピラジンを流通させた点を除いて、実施例1-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側にピロールを流通させた点を除いて、実施例1-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側に1,2-ジフェニルエタンイミンを流通させた点を除いて、実施例1-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側にトルエンを流通させた点を除いて、実施例1-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
酸化極側にプロトン伝導性物質としての硫酸水溶液を流通させ、また膜厚の薄い(25μm)電解質膜を用いて各種の基質に電解還元を施し、その際の電流密度を測定した。
電解質膜として、ナフィオン(登録商標)NRE211CS(厚さ25μm、デュポン社製)を用いた点を除いて、実施例1-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側に2,5-ジメチルピラジンを流通させた点を除いて、実施例2-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側にピロールを流通させた点を除いて、実施例2-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側に1,2-ジフェニルエタンイミンを流通させた点を除いて、実施例2-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側にトルエンを流通させた点を除いて、実施例2-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側に、基質に加えてプロトン伝導性物質としての硫酸水溶液を流通させて各種の基質に電解還元を施し、その際の電流密度を測定した。
還元極側に、ピラジンと硫酸との混合液を流通させた点を除いて、実施例1-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。硫酸混合液において、ピラジンのNと硫酸由来のH+とのモル比を1:1(H+のモル数/Nのモル数=1)とした。結果を図3に示す。
還元極側に2,5-ジメチルピラジンと硫酸水溶液との混合物を流通させた点を除いて、実施例3-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側にピロールと硫酸との混合液を流通させた点を除いて、実施例3-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側に1,2-ジフェニルエタンイミンと硫酸との混合液を流通させた点を除いて、実施例3-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
還元極側にトルエンと硫酸との混合液を流通させた点を除いて、実施例3-1と同様に電解セルの作製、定電位電解、および電流密度の測定を実施した。結果を図3に示す。
種々の反応温度で2,5-ジメチルピラジンの電解還元を実施し、その際の電流密度を測定した。具体的には、まず実施例1-1と同じ電解セルを用意した。そして、電解セルの還元極側に2,5-ジメチルピラジン(100質量%)を流通させ、酸化極側に1M硫酸水溶液を流通させた。2,5-ジメチルピラジンおよび1M硫酸水溶液の流量は、それぞれ20cc/分とした。そして、反応温度を50℃、80℃および90℃のそれぞれに設定し、酸化極を参照電極として、リニアスイープボルタンメトリー測定により還元極の各電位に対する電流密度を測定した。リニアスイープボルタンメトリー測定における走査速度は、1mV/秒とした。結果を図4に示す。
2,5-ジメチルピラジンにプロトン伝導性物質としての硫酸を添加した場合の電流密度を測定した。具体的には、まず実施例1-1と同じ電解セルを用意した。そして、電解セルの還元極側に、2,5-ジメチルピラジン9.2質量%と1M硫酸水溶液90.8質量%との混合液を流通させ、酸化極側に1M硫酸水溶液を流通させた。混合液における2,5-ジメチルピラジンのNと1M硫酸水溶液由来のH+とのモル比は1:1である。混合液および1M硫酸水溶液の流量は、それぞれ20cc/分とした。そして、温度を50℃に設定し、酸化極を参照電極として、リニアスイープボルタンメトリー測定により還元極の各電位に対する電流密度を測定した。リニアスイープボルタンメトリー測定における走査速度は、1mV/秒とした。結果を図5に示す。
硫酸添加量を変化させた際の電流密度の変化を測定した。具体的には、まず実施例1-1と同じ電解セルを用意した。そして、電解セルの還元極側に、ピラジンと1M硫酸水溶液とを様々な比率で混合した混合液、および2,5-ジメチルピラジンと1M硫酸水溶液とを様々な比率で混合した混合液を流通させ、酸化極側に1M硫酸水溶液を流通させた。混合液および1M硫酸水溶液の流量は、それぞれ20cc/分とした。そして、温度50℃、電位-0.35V vs.RHEで定電位電解を実施し、電流密度を測定した。結果を図6に示す。
2,5-ジメチルピラジンの電解還元によって得られる生成物の同定および定量を実施した。具体的には、まず実施例1-1と同じ電解セルを用意した。そして、電解セルの還元極側に、2,5-ジメチルピラジン9.2質量%と1M硫酸水溶液90.8質量%との混合液(NとH+とのモル比1:1)を流通させ、酸化極側に1M硫酸水溶液を流通させた。混合液および1M硫酸水溶液の流量は、それぞれ20cc/分とした。そして、温度50℃、電位-0.2V vs.RHEでの定電位電解を120分間実施し、電流密度を測定した。結果を図7(A)に示す。
Claims (8)
- プロト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、プロトンでピラジン類を水素化する還元極と、
前記電解質膜の前記一方の側とは反対側に設けられ、水を酸化してプロトンを生成する酸化極と、を備え、
ピラジン類を電気化学還元反応により水素化して有機ハイドライドとしてのピペラジン類を生成し、
前記還元極にプロトン伝導性物質を供給する供給部をさらに備えることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。 - 前記ピラジン類は、ピラジンおよび2,5-ジメチルピラジン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に記載の有機ハイドライド製造装置。
- 前記供給部は、前記ピラジン類とともに前記プロトン伝導性物質を前記還元極に供給する請求項1または2に記載の有機ハイドライド製造装置。
- 前記供給部は、前記水とともに前記プロトン伝導性物質を前記酸化極に供給し、
前記プロトン伝導性物質は、前記電解質膜を通過して前記還元極に至る請求項1または2に記載の有機ハイドライド製造装置。 - 前記プロトン伝導性物質は、硫酸、硝酸、塩酸、フッ酸、ギ酸および酢酸からなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1乃至4のいずれか1項に記載の有機ハイドライド製造装置。
- 前記プロトン伝導性物質の供給量は、プロトン換算で前記ピラジン類の窒素のモル数に対して10モル%以上100モル%以下である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の有機ハイドライド製造装置。
- プロトン伝導性を有する電解質膜の一方の側に設けられた還元極にピラジン類を供給し、
前記電解質膜の他方の側に設けられた酸化極に水を供給し、
前記酸化極において前記水を酸化してプロトンを生成し、
電気化学還元反応によって前記プロトンで前記ピラジン類を水素化して有機ハイドライドとしてのピペラジン類を生成し、
前記還元極にプロトン伝導性物質を供給することを含むことを特徴とする有機ハイドライドの製造方法。 - 請求項7に記載の有機ハイドライドの製造方法によってピラジン類を水素化して有機ハイドライドとしてのピペラジン類を生成し、
前記ピペラジン類を輸送し、
前記ピペラジン類を触媒反応によって脱水素化して水素を取り出すことを含むことを特徴とするエネルギー輸送方法。
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