JP7158672B2 - hydrogen generator - Google Patents

hydrogen generator Download PDF

Info

Publication number
JP7158672B2
JP7158672B2 JP2018042845A JP2018042845A JP7158672B2 JP 7158672 B2 JP7158672 B2 JP 7158672B2 JP 2018042845 A JP2018042845 A JP 2018042845A JP 2018042845 A JP2018042845 A JP 2018042845A JP 7158672 B2 JP7158672 B2 JP 7158672B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
anode
cathode
hydrogen
cell
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018042845A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019157172A (en
Inventor
真哉 寺西
久美 澤口
弘男 今村
舞 福井
高士 日比野
征洋 長尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Tokai National Higher Education and Research System NUC
Original Assignee
Denso Corp
Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp, Tokai National Higher Education and Research System NUC filed Critical Denso Corp
Priority to JP2018042845A priority Critical patent/JP7158672B2/en
Publication of JP2019157172A publication Critical patent/JP2019157172A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7158672B2 publication Critical patent/JP7158672B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

特許法第30条第2項適用 中日新聞平成29年9月14日付朝刊第1面、平成29年9月14日 ChemElectroChem 2017,4,3032-3036「http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/celc.201700917/abstract」、平成29年10月17日発行Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies Chunichi Shimbun September 14, 2017 morning edition, page 1, September 14, 2017 ChemElectroChem 2017, 4, 3032-3036 "http://onlinelibrary.wiley.com/ doi/10.1002/celc.201700917/abstract”, issued on October 17, 2017

本発明は、電気分解により水素を発生させる水素生成装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen generator that generates hydrogen by electrolysis.

従来、非特許文献1には、陽極の触媒としてのPOM(ポリオキソメタレート)溶液にセルロースやリグニン等の糖類を供給して光照射し、糖類を酸化させるとともにPOM分子を生成させ、これによって生じたHを用いて陰極側で水素を生成させる水素生成装置が開示されている。 Conventionally, in Non-Patent Document 1, saccharides such as cellulose and lignin are supplied to a POM (polyoxometalate) solution as an anode catalyst, and light is irradiated to oxidize the saccharides and generate POM molecules. A hydrogen generator is disclosed in which the generated H 2 + is used to generate hydrogen on the cathode side.

Energy& Environmental Science 2016,9,p467-472Energy & Environmental Science 2016,9,p467-472

しかしながら、従来の水素生成装置は、水素源として糖類を使用できるものの、POM溶液を用いており、光照射が必要であるため、その分、装置構成が複雑になる。 However, although the conventional hydrogen generator can use saccharides as a hydrogen source, it uses a POM solution and requires light irradiation, which complicates the structure of the device accordingly.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成で電気分解によって水素を生成させることが可能な水素生成装置を提供しようとするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a hydrogen generator capable of generating hydrogen by electrolysis with a relatively simple configuration.

本発明の一態様は、プロトン伝導性を有する電解質(2)と、
上記電解質の一方面に設けられた陽極(3)と、
上記電解質の他方面に設けられた陰極(4)と、
上記陽極および上記陰極間に電圧を印加する電圧印加部(5)と、を有しており、
上記陽極に、水と糖類と酸とを含む液体燃料(但し、電気触媒および助触媒を含むものは除く。)(LF)が供給されるように構成されており、
作動温度が100℃以上250℃以下である、水素生成装置(1)にある。
また、本発明の他の一態様は、プロトン伝導性を有する電解質(2)と、
上記電解質の一方面に設けられた陽極(3)と、
上記電解質の他方面に設けられた陰極(4)と、
上記陽極および上記陰極間に電圧を印加する電圧印加部(5)と、を有しており、
上記陽極に、水と糖類と酸とを含む液体燃料(但し、電気触媒および助触媒を含むものは除く。)(LF)が供給されるように構成されており、
上記陽極および/または上記陰極は、Pt担持カーボン、Pt-Fe合金担持カーボン、MoC、または、カーボンを有しており、
上記カーボンの表面は、カルボニル基、および、カルボキシル基のうち少なくとも1つにより修飾されている、水素生成装置(1)にある。
One aspect of the present invention is an electrolyte (2) having proton conductivity,
an anode (3) provided on one side of the electrolyte;
a cathode (4) provided on the other side of the electrolyte;
a voltage application unit (5) for applying a voltage between the anode and the cathode,
The anode is configured to be supplied with a liquid fuel (LF) containing water, sugars and acids (excluding those containing electrocatalysts and co-catalysts) ,
A hydrogen generator (1) having an operating temperature of 100°C or higher and 250°C or lower.
Another aspect of the present invention is an electrolyte (2) having proton conductivity,
an anode (3) provided on one side of the electrolyte;
a cathode (4) provided on the other side of the electrolyte;
a voltage application unit (5) for applying a voltage between the anode and the cathode,
The anode is configured to be supplied with a liquid fuel (LF) containing water, sugars and acids (excluding those containing electrocatalysts and co-catalysts) ,
The anode and/or the cathode comprise Pt-supported carbon, Pt—Fe alloy-supported carbon, Mo 2 C, or carbon,
The carbon surface is in the hydrogen generator (1) modified with at least one of carbonyl and carboxyl groups.

上記水素生成装置において、陽極に供給される液体燃料中の糖類は、酸によって結合の一部が切断され、水と加水分解する。電圧印加部にて陽極および陰極間に電圧を印加すると、加水分解により生じたHがプロトン伝導性の電解質を介して引き抜かれ、陰極側で水素が発生する。上記水素生成装置によれば、水素源として糖類を使用し、光照射を行わなくても、比較的簡易な構成で電気分解によって水素を生成させることができる。 In the above hydrogen generator, the saccharide in the liquid fuel supplied to the anode is partly cleaved by the acid and hydrolyzed with water. When a voltage is applied between the anode and the cathode in the voltage application section, H 2 + produced by hydrolysis is drawn out through the proton conductive electrolyte, and hydrogen is generated on the cathode side. According to the above-described hydrogen generator, sugars are used as a hydrogen source, and hydrogen can be generated by electrolysis with a relatively simple configuration without light irradiation.

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 It should be noted that the symbols in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate the corresponding relationship with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. not a thing

実施形態1の水素生成装置を模式的に示した説明図である。1 is an explanatory view schematically showing the hydrogen generator of Embodiment 1. FIG. 実施形態2の水素生成装置を模式的に示した説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a hydrogen generator of Embodiment 2; 実験例1の試験1における、セル電圧と電流密度との関係を示したグラフである。4 is a graph showing the relationship between cell voltage and current density in Test 1 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験1における、電流密度と水素生成速度との関係を示したグラフである。4 is a graph showing the relationship between current density and hydrogen production rate in Test 1 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験2における、セル電圧と電流密度との関係を示したグラフである。4 is a graph showing the relationship between cell voltage and current density in Test 2 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験2における、電流密度と水素生成速度との関係を示したグラフである。4 is a graph showing the relationship between current density and hydrogen production rate in Test 2 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験3における、セル電圧と電流密度との関係を示したグラフである。3 is a graph showing the relationship between cell voltage and current density in Test 3 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験3における、時間と水素生成速度との関係を示したグラフである。3 is a graph showing the relationship between time and hydrogen production rate in Test 3 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験4における、硫酸処理またはリン酸処理後のリグニンの状態を示す写真である。4 is a photograph showing the state of lignin after sulfuric acid treatment or phosphoric acid treatment in Test 4 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験4における、リン酸処理前後のリグニンのFT-IRの結果である。FT-IR results of lignin before and after phosphoric acid treatment in Test 4 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験5における、セル電圧と電流密度との関係を示したグラフである。5 is a graph showing the relationship between cell voltage and current density in Test 5 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験5における、セルA、セルDの複素インピーダンスプロットを示した図である。FIG. 10 is a diagram showing complex impedance plots of cells A and D in Test 5 of Experimental Example 1; 実験例1の試験6における、セルA、セルDの時間とセル電圧との関係を示したグラフである。10 is a graph showing the relationship between time and cell voltage for cells A and D in Test 6 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験6における、セルA、セルDの時間と水素感度との関係を示したグラフである。10 is a graph showing the relationship between time and hydrogen sensitivity of Cell A and Cell D in Test 6 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験7における、セル電圧と電流密度との関係を示したグラフである。7 is a graph showing the relationship between cell voltage and current density in Test 7 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験7における、電流密度と水素生成速度との関係を示したグラフである。7 is a graph showing the relationship between current density and hydrogen production rate in Test 7 of Experimental Example 1. FIG. 実験例1の試験8における、セルAの複素インピーダンスプロットを示した図である。FIG. 10 is a diagram showing a complex impedance plot of cell A in Test 8 of Experimental Example 1; 実験例1の試験8における、セルE、セルF、セルGの複素インピーダンスプロットを示した図である。FIG. 10 is a diagram showing complex impedance plots of cell E, cell F, and cell G in Test 8 of Experimental Example 1; 実験例1の試験9における、比表面積の測定結果を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the specific surface area in Test 9 of Experimental Example 1; 実験例1の試験9における、XPSの測定結果を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing XPS measurement results in Test 9 of Experimental Example 1; 実験例1の試験9における、セルE、セルH、セルIの複素インピーダンスプロットを示した図である。FIG. 10 is a diagram showing complex impedance plots of cell E, cell H, and cell I in Test 9 of Experimental Example 1; 実験例2において、水素生成装置に電圧を印加した際の時間と水素生成速度との関係を示したグラフである。10 is a graph showing the relationship between time and hydrogen generation rate when voltage is applied to the hydrogen generator in Experimental Example 2. FIG.

(実施形態1)
実施形態1の水素生成装置について、図1を用いて説明する。図1に例示されるように、本実施形態の水素生成装置1は、電解質2と、陽極3と、陰極4と、電圧印加部5とを有している。つまり、水素生成装置1では、電解質2と陽極3と陰極4とでセル10が構成されている。以下、これを詳説する。
(Embodiment 1)
A hydrogen generator of Embodiment 1 will be described with reference to FIG. As illustrated in FIG. 1 , the hydrogen generator 1 of this embodiment has an electrolyte 2 , an anode 3 , a cathode 4 and a voltage applying section 5 . That is, in the hydrogen generator 1 , the cell 10 is composed of the electrolyte 2 , the anode 3 and the cathode 4 . This will be explained in detail below.

電解質2は、プロトン伝導性を有している。電解質2は、具体的には、プロトン伝導体を含んで構成されることができる。電解質2は、より具体的には、プロトン伝導体より構成されていてもよいし、プロトン伝導体と非プロトン伝導体とによって構成されていてもよい。非プロトン伝導体は、例えば、プロトン伝導体とともに用いて電解質を膜状に形成する役割などを有することができる。プロトン伝導体としては、例えば、SnP、Sn1-XIn、リン酸ドープポリベンズイミダゾール等のプロトン伝導性固体酸などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。非プロトン伝導体としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。 The electrolyte 2 has proton conductivity. Specifically, the electrolyte 2 can be configured to contain a proton conductor. More specifically, the electrolyte 2 may be composed of a proton conductor, or may be composed of a proton conductor and an aproton conductor. The aproton conductor can have a role of forming an electrolyte into a membrane by being used together with the proton conductor, for example. Examples of proton conductors include SnP 2 O 7 , Sn 1-X In X P 2 O 7 , and proton-conducting solid acids such as phosphoric acid-doped polybenzimidazole. These can be used alone or in combination of two or more. Examples of aproton conductors include fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE). These can be used alone or in combination of two or more.

陽極3は、電解質2の一方面に設けられている。陰極4は、電解質2の他方面に設けられている。陽極3および陰極4は、具体的には、電解質2に接合されていてもよいし、電解質2に接触されていてもよい。好ましくは、オーミック抵抗の低減等の観点から、前者であるとよい。 Anode 3 is provided on one side of electrolyte 2 . A cathode 4 is provided on the other side of the electrolyte 2 . Specifically, the anode 3 and the cathode 4 may be joined to the electrolyte 2 or may be in contact with the electrolyte 2 . The former is preferable from the viewpoint of reduction of ohmic resistance.

陽極3および陰極4は、いずれも、Pt担持カーボン、Pt-Fe合金担持カーボン、MoC、または、カーボンを有する構成とすることができる。陽極3が上記構成を有する場合には、電気分解時の陽極3の電極反応抵抗を小さくすることができる。一方、陰極4が上記構成を有する場合には、電気分解時の陰極4の電極反応抵抗を小さくすることができる。陽極3および陰極4の両方が、上記構成を有する場合には、電気分解時の陽極3および陰極4の電極反応抵抗を小さくすることができるため有利である。なお、陽極3、陰極4における上記電極材料の組み合わせは、特に限定されない。陽極3、陰極4における上記電極材料の組み合わせは、同じ電極材料による組み合わせであってもよいし、異なる電極材料による組み合わせであってもよい。 Both the anode 3 and the cathode 4 can be made of Pt-supported carbon, Pt--Fe alloy-supported carbon, Mo 2 C, or carbon. When the anode 3 has the above structure, the electrode reaction resistance of the anode 3 during electrolysis can be reduced. On the other hand, when the cathode 4 has the above structure, the electrode reaction resistance of the cathode 4 during electrolysis can be reduced. When both the anode 3 and the cathode 4 have the above structure, the electrode reaction resistance of the anode 3 and the cathode 4 during electrolysis can be reduced, which is advantageous. The combination of the electrode materials for the anode 3 and the cathode 4 is not particularly limited. The combination of the electrode materials for the anode 3 and the cathode 4 may be a combination of the same electrode material or a combination of different electrode materials.

上記電極材料としてPt-Fe合金担持カーボンを用いた場合には、Pt担持カーボンを用いた場合に比べ、水素生成量を向上させることができる。ここで、上記電極材料において、カーボンが選択される場合、カーボンの表面は、カルボニル基、および、カルボキシル基のうち少なくとも1つにより修飾されている構成とすることができる。この構成によれば、比較的低廉で、電極反応活性が高く、水素生成量の向上を図ることが可能な水素製造装置1が得られる。なお、カーボン表面のカルボニル基、カルボキシル基による修飾は、カーボンの酸化処理、酸化還元処理などによって実施することができる。酸化処理としては、例えば、硝酸処理など、酸化還元処理としては、例えば、硝酸処理後に水素還元する方法などを例示することができる。 When Pt—Fe alloy-supported carbon is used as the electrode material, the amount of hydrogen generated can be improved compared to the case of using Pt-supported carbon. Here, when carbon is selected as the electrode material, the carbon surface may be modified with at least one of a carbonyl group and a carboxyl group. According to this configuration, it is possible to obtain the hydrogen production device 1 that is relatively inexpensive, has high electrode reaction activity, and is capable of improving the amount of hydrogen produced. The modification of the surface of carbon with carbonyl groups and carboxyl groups can be carried out by oxidation treatment, oxidation-reduction treatment, and the like of carbon. Examples of the oxidation treatment include nitric acid treatment, and examples of the oxidation-reduction treatment include a method of hydrogen reduction after nitric acid treatment.

ここで、水素生成装置1は、陽極3に、水と糖類と酸とを含む液体燃料LFが供給されるように構成されている。なお、水素ガスは、陰極4にて生成する。 Here, the hydrogen generator 1 is configured such that the anode 3 is supplied with a liquid fuel LF containing water, sugars, and acid. Hydrogen gas is generated at the cathode 4 .

糖類としては、具体的には、多糖類を好適なものとして挙げることができる。この構成によれば、多糖類の直接電気分解による水素の生成を確実なものとしやすくなる。多糖類としては、具体的には、セルロース類(ヘミセルロースを含む)、リグニンなどを挙げることができる。これらは1種または2種以上併用することができる。この構成によれば、従来水素が取り出し難いとされていたセルロース類、リグニンを直接電気分解して水素を生成させることができる。なお、セルロース類、リグニンとしては、例えば、バイオマス原料に含まれるものを好適に利用することができる。セルロース類、リグニンを含むバイオマス原料としては、例えば、木材、草類、新聞紙・雑誌等の紙類、稲・もみ殻などの農業廃棄物などを例示することができる。 As the saccharides, specifically, polysaccharides can be mentioned as suitable ones. According to this configuration, it becomes easier to ensure the generation of hydrogen by direct electrolysis of the polysaccharide. Specific examples of polysaccharides include celluloses (including hemicellulose), lignin, and the like. These can be used alone or in combination of two or more. According to this configuration, hydrogen can be generated by directly electrolyzing celluloses and lignin, which have conventionally been considered difficult to extract hydrogen. As celluloses and lignin, for example, those contained in biomass raw materials can be suitably used. Examples of biomass raw materials containing celluloses and lignin include wood, grasses, paper such as newspapers and magazines, and agricultural waste such as rice and rice husks.

なお、糖類としてセルロース類を用いた場合、陽極3側では、(式1)によってHが生成する。また、糖類としてリグニンを用いた場合、陽極3側では、以下の(式2)によってHが生成する。このように生じたH(プロトン)を電解質を通じて陰極4側へ引き抜くことで、陰極4にて水素を発生させることができる。
6n10n+25n+1+(7n-1)HO→6nCO+24nH+24ne・・・(式1)
(C313411+51nHO→31nCO+136nH+136ne・・・(式2)
Note that when celluloses are used as sugars, H 2 + is produced on the anode 3 side according to (Equation 1). Further, when lignin is used as the sugar, H + is produced on the anode 3 side according to the following (formula 2). Hydrogen can be generated at the cathode 4 by withdrawing the H + (protons) thus generated to the cathode 4 side through the electrolyte.
C 6n H 10n+2 O 5n+1 + (7n−1)H 2 O→6nCO 2 +24nH + +24ne (Formula 1)
(C 31 H 34 O 11 ) n +51nH 2 O→31nCO 2 +136nH + +136ne - (Formula 2)

酸としては、具体的には、リン酸、酢酸、硫酸などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。過度な強酸では、糖類の構造自体を破壊してしまう場合があり、一方、過度な弱酸では、糖類の結合の一部を切断し難くなる場合がありうる。上記構成によれば、糖類の結合の一部を切断して糖類をほぐしやすいので、水素の生成を確実なものとしやすくなる。これらの酸のうち、イオン伝導性、熱安定性などの観点から、好ましくは、リン酸であるとよい。 Specific examples of acids include phosphoric acid, acetic acid, and sulfuric acid. These can be used alone or in combination of two or more. An excessively strong acid may destroy the saccharide structure itself, while an excessively weak acid may make it difficult to break some of the saccharide bonds. According to the above configuration, it is easy to loosen the saccharides by cutting a part of the bonds of the saccharides, so that it is easy to ensure the generation of hydrogen. Among these acids, phosphoric acid is preferable from the viewpoint of ion conductivity, thermal stability, and the like.

本実施形態において、水素生成装置1は、具体的には、図1に例示されるように、外部から液体燃料LFを供給する液体燃料供給流路31と、液体燃料供給流路31と連通しており、供給された液体燃料LFを陽極3に接触させる液体燃料接触部32と、液体燃料接触部32と連通しており、陽極反応後の液体燃料LFを排出する液体燃料排出流路33と、を有している。また、水素生成装置1は、具体的には、図1に例示されるように、陰極4にて生成した水素を回収するためのキャリアガス(不図示)を供給するガス供給流路41と、ガス供給流路41と連通しており、生成した水素を存在させる水素生成部42と、水素生成部42と連通しており、水素を排出するガス排出流路43と、を有している。なお、キャリアガスとしては、例えば、Arガス、窒素ガス等の不活性ガスなどを用いることができる。 In this embodiment, the hydrogen generator 1 specifically communicates with the liquid fuel supply channel 31 for supplying the liquid fuel LF from the outside and the liquid fuel supply channel 31, as illustrated in FIG. a liquid fuel contact portion 32 that contacts the supplied liquid fuel LF with the anode 3; ,have. 1, the hydrogen generator 1 includes a gas supply channel 41 for supplying a carrier gas (not shown) for recovering the hydrogen produced at the cathode 4, It has a hydrogen generator 42 that communicates with the gas supply channel 41 and causes the generated hydrogen to exist, and a gas discharge channel 43 that communicates with the hydrogen generator 42 and discharges hydrogen. In addition, as carrier gas, inert gas, such as Ar gas and nitrogen gas, etc. can be used, for example.

電圧印加部5は、陽極3および陰極4間に電圧を印加可能とされている。図1では、具体的には、電圧印加部5は、外部電源51と、外部電源51の正極と陽極3との間を電気的に接続する導体線52と、外部電源51の負極と陰極4との間を電気的に接続する導体線53と、を有する例が示されている。 The voltage applying section 5 can apply a voltage between the anode 3 and the cathode 4 . Specifically, in FIG. 1 , the voltage application unit 5 includes an external power source 51 , a conductor line 52 electrically connecting between the positive electrode and the anode 3 of the external power source 51 , and the negative electrode and the cathode 4 of the external power source 51 . An example is shown having a conductor line 53 electrically connecting between and.

水素生成装置1において、糖類がセルロース類である場合、電圧印加部5は、具体的には、-1V以上0V以下の電圧を印加するように構成することができる。電圧が-1V以上であると、プロトン伝導性を有する電解質の劣化を抑制しやすくなる。電圧が0V以下であると、セルロース類を分解しやすくなる。 In the hydrogen generator 1, when the saccharides are celluloses, the voltage application unit 5 can be specifically configured to apply a voltage of −1 V or more and 0 V or less. When the voltage is -1 V or higher, deterioration of the electrolyte having proton conductivity can be easily suppressed. When the voltage is 0 V or less, it becomes easier to decompose celluloses.

水素生成装置1において、糖類がリグニンである場合、電圧印加部5は、具体的には、-1V以上-0.25V以下の電圧を印加するように構成することができる。電圧が-1V以上であると、プロトン伝導性を有する電解質の劣化を抑制しやすくなる。電圧が-0.25V以下であると、リグニンを分解しやすくなる。 In the hydrogen generator 1, when the sugar is lignin, the voltage application unit 5 can be specifically configured to apply a voltage of −1 V or more and −0.25 V or less. When the voltage is -1 V or higher, deterioration of the electrolyte having proton conductivity can be easily suppressed. If the voltage is -0.25 V or less, it becomes easier to decompose lignin.

水素生成装置1の作動温度は、具体的には、100℃以上250℃以下とすることができる。この構成によれば、水素の生成をより確実なものとすることができる。作動温度は、電極反応速度の向上、電解質2の抵抗低減などの観点から、好ましくは、110℃以上、より好ましくは、120℃以上、さらに好ましくは、150℃以上とすることができる。作動温度は、構成部材の耐腐食性などの観点から、好ましくは、240℃以下、より好ましくは、220℃以下、さらに好ましくは、200℃以下とすることができる。 Specifically, the operating temperature of the hydrogen generator 1 can be 100° C. or higher and 250° C. or lower. According to this configuration, it is possible to ensure the generation of hydrogen. The operating temperature is preferably 110° C. or higher, more preferably 120° C. or higher, and even more preferably 150° C. or higher, from the viewpoints of improving the electrode reaction rate, reducing the resistance of the electrolyte 2, and the like. The operating temperature is preferably 240° C. or lower, more preferably 220° C. or lower, and even more preferably 200° C. or lower, from the viewpoint of corrosion resistance of the constituent members.

水素生成装置1において、陽極3に供給される液体燃料LF中の糖類は、酸によって結合の一部が切断され、水と加水分解する。電圧印加部5にて陽極3および陰極4間に電圧を印加すると、加水分解により生じたHがプロトン伝導性の電解質を介して引き抜かれ、陰極4側で水素が発生する。水素生成装置1によれば、水素源として糖類を使用し、光照射を行わなくても、比較的簡易な構成で電気分解によって水素を生成させることができる。 In the hydrogen generator 1, the saccharides in the liquid fuel LF supplied to the anode 3 are partly cleaved by acid and hydrolyzed with water. When a voltage is applied between the anode 3 and the cathode 4 by the voltage application unit 5, H 2 + produced by hydrolysis is drawn out through the proton conductive electrolyte, and hydrogen is generated on the cathode 4 side. According to the hydrogen generator 1, sugars are used as a hydrogen source, and hydrogen can be generated by electrolysis with a relatively simple configuration without light irradiation.

(実施形態2)
実施形態2の水素生成装置1について、図2を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
A hydrogen generator 1 of Embodiment 2 will be described with reference to FIG. It should be noted that, of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the previously described embodiments represent the same components and the like as those in the previously described embodiments, unless otherwise specified.

図2に例示されるように、本実施形態の水素生成装置1は、陽極3、電解質2、陰極4とがこの順に積層されてなるセル10と、陽極3の表面に接する多孔性の陽極側集電体63と、陰極4の表面に接する多孔性の陰極側集電体64と、一対のプレート部材73、74と、液体燃料LFと生成した水素とが混ざらないように両者を分離するセパレータ8と、連続的に液体燃料LFを送り出す液体燃料供給源9と、を有している。 As illustrated in FIG. 2, the hydrogen generator 1 of this embodiment includes a cell 10 in which an anode 3, an electrolyte 2, and a cathode 4 are laminated in this order, and a porous anode side contacting the surface of the anode 3. A current collector 63, a porous cathode-side current collector 64 in contact with the surface of the cathode 4, a pair of plate members 73 and 74, and a separator that separates the liquid fuel LF from the generated hydrogen so that they do not mix. 8 and a liquid fuel supply source 9 that continuously delivers liquid fuel LF.

陽極3側に配置される一方のプレート部材73には、液体燃料供給流路31と、液体燃料接触部32と、液体燃料排出流路33とが形成されている。液体燃料供給流路31には、液体燃料供給源9が接続されている。液体燃料接触部32では、連続的に供給された液体燃料LFを、多孔性の陽極側集電体63の隙間を通じて陽極3に接触させることが可能とされている。 A liquid fuel supply channel 31 , a liquid fuel contact portion 32 , and a liquid fuel discharge channel 33 are formed in one plate member 73 arranged on the anode 3 side. A liquid fuel supply source 9 is connected to the liquid fuel supply channel 31 . In the liquid fuel contact portion 32 , the continuously supplied liquid fuel LF can be brought into contact with the anode 3 through the gaps of the porous anode-side current collector 63 .

一方、陰極4側に配置される他方のプレート部材74には、生成した水素を存在させる管状の水素生成部42が連結されている。陰極4にて生成した水素は、多孔性の陰極側集電体64の隙間を通って水素生成部42内に充満する。ガス供給流路41とガス排出流路43とは、管状に一体形成されており、この管状のガス供給流路41とガス排出流路43との間に、管状の水素生成部42が連結されている。これにより、ガス供給流路41にキャリアガスCが流れると、水素生成室42内の水素は、キャリアガスCとともにガス排出流路43から排出されるようになっている。なお、プレート部材73、74同士は、締結部材740により互いに締結可能とされている。これにより、セル10は、プレート部材73、74の間に挟持される。 On the other hand, the other plate member 74 arranged on the cathode 4 side is connected to the tubular hydrogen generating part 42 in which the generated hydrogen is allowed to exist. Hydrogen generated at the cathode 4 passes through the gaps of the porous cathode-side current collector 64 and fills the hydrogen generation section 42 . The gas supply channel 41 and the gas discharge channel 43 are integrally formed in a tubular shape, and a tubular hydrogen generator 42 is connected between the tubular gas supply channel 41 and the gas discharge channel 43 . ing. As a result, when the carrier gas C flows through the gas supply channel 41 , the hydrogen in the hydrogen generation chamber 42 is discharged from the gas discharge channel 43 together with the carrier gas C. The plate members 73 and 74 can be fastened together by fastening members 740 . The cell 10 is thereby sandwiched between the plate members 73 and 74 .

セパレータ8は、陰極4と同程度の外形の開口部81を有している。開口部81内には、陰極4が配置される。セパレータ8は、例えば、フッ素樹脂シート(テトラフルオロエチレンシート等)などより構成することができる。なお、プレート部材73とセパレータ8との間には、液体燃料LFの漏れを防止するため、ゴムパッキン等のシール部材731が設けられている。 The separator 8 has an opening 81 with the same shape as the cathode 4 . A cathode 4 is arranged in the opening 81 . The separator 8 can be made of, for example, a fluororesin sheet (tetrafluoroethylene sheet or the like). A sealing member 731 such as a rubber packing is provided between the plate member 73 and the separator 8 to prevent leakage of the liquid fuel LF.

電圧印加部(図2では不図示)における外部電源の正極は、陽極側集電体63と電気的に接続されている。電圧印加部における外部電源の負極は、陰極側集電体64と電気的に接続されている。なお、本実施形態では、陽極側集電体63、陰極側集電体64は、例えば、金属製メッシュ部材(ステンレスメッシュ、Auメッシュ、Ptメッシュ等)などより構成することができる。 The positive electrode of the external power supply in the voltage application section (not shown in FIG. 2) is electrically connected to the anode-side current collector 63 . The negative electrode of the external power source in the voltage application section is electrically connected to the cathode side current collector 64 . In this embodiment, the anode-side current collector 63 and the cathode-side current collector 64 can be made of, for example, metal mesh members (stainless steel mesh, Au mesh, Pt mesh, etc.).

本実施形態の水素生成装置1によれば、液体燃料供給源9から陽極3に連続的に液体燃料LFを供給することで、糖類を連続的に直接電気分解し、陰極側にて連続的に水素を生成させることができる。そして、連続的に生成した水素は、水素生成部42から流出し、キャリアガスCとともにガス排出流路43から排出される。その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。 According to the hydrogen generator 1 of this embodiment, by continuously supplying the liquid fuel LF from the liquid fuel supply source 9 to the anode 3, sugars are continuously directly electrolyzed, and continuously Hydrogen can be produced. The continuously produced hydrogen flows out of the hydrogen producing part 42 and is discharged together with the carrier gas C from the gas discharge channel 43 . Other configurations and effects are the same as those of the first embodiment.

(実験例1) (Experimental example 1)

-電解質膜の準備-
電解質膜を以下の方法で作製した。具体的には、Sn0.9In0.1を1.0g、PTFE粉を0.04g量りとった。次いで、これらを混ぜ合わせ、所定の厚みとなるように圧延機で調節した。次いで、直径16mm~20mmの大きさに切り取った。これにより、電解質膜を準備した。
-Preparation of electrolyte membrane-
An electrolyte membrane was produced by the following method. Specifically, 1.0 g of Sn 0.9 In 0.1 P 2 O 7 and 0.04 g of PTFE powder were weighed. Then, they were mixed and adjusted with a rolling mill so as to have a predetermined thickness. Then, it was cut to a size of 16 mm to 20 mm in diameter. An electrolyte membrane was thus prepared.

-陽極の準備-
陽極を以下の方法で作製した。具体的には、所定の陽極材料を直径12mmとなるようにくり抜いた。次いで、くり抜いた陽極材料を85%リン酸水溶液に浸漬した。そしてその状態で、超音波を15分間当て続けた。その後、120℃で1時間乾燥させた。これにより、陽極を形成した。なお、実験例1では、陽極の上に予め所定の液体燃料をのせた。液体燃料の糖類には、セルロース、リグニン、ヒノキ木粉由来のセルロースおよびリグニンの混合物、新聞紙由来のセルロースおよびリグニンの混合物のいずれかの糖類を用いた。また、液体燃料には、上記糖類15mgに対し、85%リン酸水溶液270mgの比率で混ぜ合わせたものを用いた。
-Anode preparation-
An anode was produced by the following method. Specifically, a predetermined anode material was hollowed out so as to have a diameter of 12 mm. The hollowed out anode material was then immersed in an 85% aqueous solution of phosphoric acid. In that state, ultrasonic waves were applied continuously for 15 minutes. After that, it was dried at 120° C. for 1 hour. This formed an anode. In Experimental Example 1, a predetermined liquid fuel was placed on the anode in advance. As sugars for the liquid fuel, any one of cellulose, lignin, a mixture of cellulose and lignin derived from cypress wood flour, and a mixture of cellulose and lignin derived from newspaper was used. The liquid fuel used was obtained by mixing 270 mg of an 85% aqueous solution of phosphoric acid with 15 mg of the saccharide.

-陰極の準備-
陰極を以下の方法で作製した。具体的には、所定の陰極材料を直径8mmとなるようにくり抜いた。次いで、くり抜いた陰極材料を85%リン酸水溶液に浸漬した。そしてその状態で、超音波を15分間当て続けた。その後、120℃で1時間乾燥させた。これにより、陰極を形成した。
-Cathode preparation-
A cathode was produced by the following method. Specifically, a predetermined cathode material was hollowed out so as to have a diameter of 8 mm. The hollowed out cathode material was then immersed in an 85% aqueous solution of phosphoric acid. In that state, ultrasonic waves were applied continuously for 15 minutes. After that, it was dried at 120° C. for 1 hour. This formed a cathode.

-セルの作製方法-
以下のようにして、複数のセルを作製した。
直径16mmのSUS316の表面に、所定の陽極、電解質膜、セパレータ(厚み1.5mm、外径16mm、内径8mmのリング状)、陰極を順に積層し、セルを構成した。なお、セルの周りは、PTFEテープにて覆い、各構成部材を固定した。また、セルを一対のPtメッシュで挟持した。また、陰極には、キャリアガスとしてArガスを100mLmin-1の速度で流し続けることができるようになっている。以下に、実験例1で用いた各セルの具体的な構成を示す。
-Method of making a cell-
A plurality of cells were produced as follows.
A predetermined anode, electrolyte membrane, separator (thickness: 1.5 mm, outer diameter: 16 mm, inner diameter: 8 mm, ring shape) and cathode were sequentially laminated on the surface of SUS316 with a diameter of 16 mm to form a cell. The periphery of the cell was covered with PTFE tape to fix each constituent member. Also, the cell was sandwiched between a pair of Pt meshes. In addition, Ar gas as a carrier gas can be continuously supplied to the cathode at a rate of 100 mLmin −1 . A specific configuration of each cell used in Experimental Example 1 is shown below.

<セルA>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:Pt担持カーボン(以下、Pt/Cということがある。)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
なお、Pt担持量は、2.0mg/cmである。以下、同様である。
以下、セルAを、Pt/C||Pt/Cと表すことがある。なお、||は電解質膜、||の左側は陽極、||の右側は陰極を意味する。
<Cell A>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
Anode: Pt-supporting carbon (hereinafter sometimes referred to as Pt/C)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
The amount of Pt supported is 2.0 mg/cm 2 . The same applies hereinafter.
Hereinafter, the cell A may be expressed as Pt/C||Pt/C. Here, || means an electrolyte membrane, the left side of || means an anode, and the right side of || means a cathode.

<セルB>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:Mo
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
以下、セルBを、MoC||Pt/Cと表すことがある。
<Cell B>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
- Anode: Mo2C
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
Hereinafter, the cell B may be expressed as Mo 2 C||Pt/C.

<セルC>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:Mo
・陰極:Mo
以下、セルCを、MoC||MoCと表すことがある。
<Cell C>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
- Anode: Mo2C
- Cathode: Mo2C
Hereinafter, the cell C may be expressed as Mo 2 C||Mo 2 C.

<セルD>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:Pt-Fe合金担持カーボン(以下、Pt-Fe/Cということがある。)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
なお、Pt-Fe担持量は、2.0mg/cmである。
以下、セルDを、Pt-Fe/C||Pt/Cと表すことがある。
<Cell D>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
Anode: Pt-Fe alloy supported carbon (hereinafter sometimes referred to as Pt-Fe/C)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
The amount of Pt--Fe supported is 2.0 mg/cm 2 .
Hereinafter, the cell D may be expressed as Pt--Fe/C||Pt/C.

<セルE>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:カーボン(ケッチェンブラック)(以下、C,KBということがある。)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
以下、セルEを、C,KB||Pt/Cと表すことがある。
<Cell E>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
・Anode: Carbon (Ketjen Black) (hereinafter sometimes referred to as C, KB)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
Hereinafter, the cell E may be expressed as C, KB||Pt/C.

<セルF>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:カーボン(バルカン)(以下、C,Vということがある。)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
以下、セルFを、C,V||Pt/Cと表すことがある。
<Cell F>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
・Anode: Carbon (Vulcan) (hereinafter sometimes referred to as C or V)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
Hereinafter, the cell F may be expressed as C, V||Pt/C.

<セルG>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:カーボン(アセチレンブラック)(以下、C,ABということがある。)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
以下、セルGを、C,AB||Pt/Cと表すことがある。
<Cell G>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
・Anode: Carbon (acetylene black) (hereinafter sometimes referred to as C, AB)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
Hereinafter, the cell G may be expressed as C, AB||Pt/C.

<セルH>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:カルボニル基、カルボキシル基により表面修飾されたカーボン(酸化処理を施したケッチェンブラック)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
なお、酸化処理を施したケッチェンブラックは、後述の試験9におけるKB1である。
以下、セルHを、C,KB1||Pt/Cと表すことがある。
<Cell H>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
・Anode: carbon surface-modified with carbonyl and carboxyl groups (oxidized ketjen black)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
The oxidized Ketjenblack is KB1 in Test 9 described later.
Hereinafter, cell H may be expressed as C, KB1||Pt/C.

<セルI>
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:カルボニル基、カルボキシル基により表面修飾されたカーボン(酸化還元処理を施したケッチェンブラック)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
なお、酸化還元処理を施したケッチェンブラックは、後述の試験9におけるKB2である。
以下、セルIを、C,KB2||Pt/Cと表すことがある。
<Cell I>
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
・Anode: Carbon surface-modified with carbonyl group and carboxyl group (Ketjen black with redox treatment)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
The ketjen black subjected to the oxidation-reduction treatment is KB2 in Test 9 described later.
Hereinafter, the cell I may be expressed as C, KB2||Pt/C.

-各種測定方法-
各セルを用い、所定の作動温度において、所定の液体燃料を供給したときの電流-電圧曲線、インピーダンス特性、定電流時の電圧変化を評価した。なお、測定には、電気化学的インターフェイス(Solartron社製、「SI1287」)と周波数応答アナライザ(Solartron社製、「SI1260」)を使用した。
-Various measurement methods-
Using each cell, the current-voltage curve, impedance characteristics, and voltage change at constant current were evaluated when a predetermined liquid fuel was supplied at a predetermined operating temperature. For the measurement, an electrochemical interface ("SI1287" manufactured by Solartron) and a frequency response analyzer ("SI1260" manufactured by Solartron) were used.

<電流-電圧曲線の測定>
ポテンショスタットを使用し、20mVsec-1ごと、0~0.5Acm-2の電流密度の範囲でスキャンすることにより、電流-電圧曲線を測定した。なお、電流密度は、陰極の面積で統一した。
<Measurement of current-voltage curve>
Current-voltage curves were measured using a potentiostat by scanning in the range of current densities from 0 to 0.5 Acm −2 every 20 mVsec −1 . In addition, the current density was standardized by the area of the cathode.

<インピーダンス特性>
インピーダンススペクトルは、0.1~10Hzの周波数範囲、バイアス電圧は、0~0.4Vの範囲で記録した。
<Impedance characteristics>
Impedance spectra were recorded in the frequency range of 0.1-10 6 Hz and bias voltage in the range of 0-0.4V.

<定電流試験(バッチ式)>
ガルバノスタティックを使用し、0.05~0.2Acm-2の範囲で一定の電流を流し、最大3.0Vになるまで電圧を計測した。
<Constant current test (batch type)>
Using galvanostatic, a constant current in the range of 0.05 to 0.2 Acm −2 was applied and the voltage was measured up to 3.0V.

<水素生成量の測定>
定電流試験の評価時に陰極から得られる水素量を質量分析計(Pfeiffer Vacuum社製、「ThermoStar」)を用いて計測した。なお、質量分析計で水素量を計測している間、ガルバノスタティックを使用し、0~0.2Acm-2の範囲で一定の電流を流した。
<Measurement of hydrogen production>
The amount of hydrogen obtained from the cathode during evaluation of the constant current test was measured using a mass spectrometer (manufactured by Pfeiffer Vacuum, "ThermoStar"). Note that while measuring the amount of hydrogen with the mass spectrometer, a galvanostatic system was used to pass a constant current in the range of 0 to 0.2 Acm −2 .

以下に具体的な各試験内容と各試験結果を示す。
-試験1-
セルA(Pt/C||Pt/C)を用い、セルロース、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、所定の作動温度で、陽極および陰極間に電圧を印加した。この際、作動温度は、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃とした。また、比較(blank)のため、セルロースを含まず、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、上記と同様に電圧を印加した。そして、陰極での水素生成速度を求めた。
Specific test contents and test results are shown below.
-Test 1-
Using cell A (Pt/C||Pt/C), a liquid fuel composed of cellulose, water, and phosphoric acid was supplied to the anode, and a voltage was applied between the anode and cathode at a given operating temperature. . At this time, the operating temperatures were 100°C, 125°C, 150°C, 175°C and 200°C. For comparison (blank), a liquid fuel containing no cellulose and composed of water and phosphoric acid was supplied to the anode, and a voltage was applied in the same manner as above. Then, the hydrogen generation rate at the cathode was determined.

図3に、糖類としてセルロースを用い、作動温度を変化させた場合のセル電圧と電流密度との関係を示す。図3によれば、負方向に電圧を印加(グラフでは正の値)していくと、いずれの作動温度についても、セルロース、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極に供給した場合に電流が発生することがわかる。 FIG. 3 shows the relationship between cell voltage and current density when cellulose is used as the sugar and the operating temperature is varied. According to FIG. 3, when a voltage is applied in the negative direction (positive value in the graph), a liquid fuel composed of cellulose, water, and phosphoric acid is supplied to the anode at any operating temperature. It can be seen that a current is generated when

次に、その電流が水素生成に使用されているか否かを検討するため、糖類としてセルロースを用い、作動温度を変化させた場合の電流密度と水素生成速度との関係を求めた。その結果を図4に示す。図4によれば、電流密度が増加するに従って、水素生成量は直線的に増加することがわかる。図4では、仮に、全ての電流が水素生成に使われたとした場合の理論生成量を点線で示している。図4によれば、各電流密度における水素生成量が、理論生成量とほぼ一致していることから、糖類の電気分解による水素生成が実現できていることがわかる。 Next, in order to examine whether or not the current is used for hydrogen generation, we used cellulose as the sugar and determined the relationship between the current density and the hydrogen generation rate when the operating temperature was changed. The results are shown in FIG. According to FIG. 4, it can be seen that the amount of hydrogen produced increases linearly as the current density increases. In FIG. 4, the dotted line indicates the theoretical amount of hydrogen produced if all the current is used for hydrogen production. According to FIG. 4, the amount of hydrogen produced at each current density is almost the same as the theoretical amount of production, so it can be seen that hydrogen production by electrolysis of saccharides has been achieved.

-試験2-
セルA(Pt/C||Pt/C)を用い、リグニン、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、所定の作動温度で、陽極および陰極間に電圧を印加した。この際、作動温度は、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃とした。また、比較(blank)のため、リグニンを含まず、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、上記と同様に電圧を印加した。そして、陰極での水素生成速度を求めた。
-Test 2-
Using cell A (Pt/C||Pt/C), a liquid fuel composed of lignin, water, and phosphoric acid was supplied to the anode, and a voltage was applied between the anode and cathode at a given operating temperature. . At this time, the operating temperatures were 100°C, 125°C, 150°C, 175°C and 200°C. For comparison (blank), a liquid fuel containing no lignin but composed of water and phosphoric acid was supplied to the anode, and a voltage was applied in the same manner as above. Then, the hydrogen generation rate at the cathode was determined.

図5に、糖類としてリグニンを用い、作動温度を変化させた場合のセル電圧と電流密度との関係を示す。図5によれば、負方向に電圧を印加(グラフでは正の値)していくと、いずれの作動温度についても、リグニン、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極に供給した場合に電流が発生することがわかる。但し、その電流は、印加電圧が-0.25V以下より発生することがわかる。糖類としてセルロースを用いた場合には、図3に示されるように、電流は、印加電圧が0V以下より発生していたことから、リグニンは、セルロースよりも電気分解し難いことが確認された。 FIG. 5 shows the relationship between cell voltage and current density when lignin is used as the sugar and the operating temperature is varied. According to FIG. 5, when voltage is applied in the negative direction (positive value in the graph), liquid fuel composed of lignin, water, and phosphoric acid is supplied to the anode at any operating temperature. It can be seen that a current is generated when However, it can be seen that the current is generated when the applied voltage is -0.25 V or less. When cellulose was used as the saccharide, as shown in FIG. 3, the current was generated when the applied voltage was 0 V or less, confirming that lignin is more difficult to electrolyze than cellulose.

また、図6に、糖類としてリグニンを用い、電極構成を変化させた場合の電流密度と水素生成速度との関係を示す。なお、ここでは、セルA(Pt/C||Pt/C)以外にも、セルB(MoC||Pt/C)、セルC(MoC||MoC)を用いることで、電極構成を変化させた。図6によれば、Pt/C電極、MoC電極のいずれを用いた場合でも、各電流密度における水素生成量が理論生成量とほぼ一致しており、糖類の電気分解による水素生成が実現できていることがわかる。 Further, FIG. 6 shows the relationship between the current density and the hydrogen production rate when lignin is used as the saccharide and the electrode configuration is changed. Here, in addition to the cell A (Pt/C||Pt/C), by using the cell B (Mo 2 C||Pt/C) and the cell C (Mo 2 C||Mo 2 C) , varied the electrode configuration. According to FIG. 6, the amount of hydrogen generated at each current density almost matches the theoretical amount, regardless of whether the Pt/C electrode or the Mo 2 C electrode is used, and hydrogen generation by electrolysis of sugars is realized. I know it's done.

-試験3-
セルA(Pt/C||Pt/C)を用い、所定の糖類、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、作動温度175℃で、陽極および陰極間に電圧を印加した。この際、糖類には、セルロース、リグニン、または、ヒノキ木粉由来のセルロースおよびリグニンの混合物を用いた。また、比較(blank)のため、糖類を含まず、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、上記と同様に電圧を印加した。
-Test 3-
Using cell A (Pt/C||Pt/C), a liquid fuel composed of predetermined sugars, water, and phosphoric acid was supplied to the anode, and a voltage was applied between the anode and cathode at an operating temperature of 175°C. applied. At this time, cellulose, lignin, or a mixture of cellulose and lignin derived from cypress wood flour was used as the sugar. For comparison (blank), a liquid fuel containing no saccharide but composed of water and phosphoric acid was supplied to the anode, and a voltage was applied in the same manner as described above.

図7に、糖類としてセルロース、リグニン、または、ヒノキ木粉由来のセルロースおよびリグニンの混合物を用いた場合のセル電圧と電流密度との関係を示す。図7によれば、負方向に電圧を印加(グラフでは正の値)していった際のヒノキ木粉使用時の曲線は、セルロース使用時の曲線、リグニン使用時の曲線を合わせたものとよく一致していることがわかる。この結果から、糖類が混合されていても、電気分解による水素生成が実現可能であることが確認された。 FIG. 7 shows the relationship between the cell voltage and the current density when cellulose, lignin, or a mixture of cellulose and lignin derived from hinoki wood flour is used as sugars. According to FIG. 7, the curve when using cypress wood powder when applying voltage in the negative direction (positive value in the graph) is a combination of the curve when using cellulose and the curve when using lignin. It can be seen that they match well. From this result, it was confirmed that hydrogen generation by electrolysis can be realized even when sugars are mixed.

また、セルA(Pt/C||Pt/C)に代えてセルC(MoC||MoC)を用いるとともに、ヒノキ木粉を使用した場合について、作動温度175℃で電流量を変化させながら、一定時間ずつ水素生成量を測定した。なお、電流量は、20mAcm-2、40mAcm-2、60mAcm-2とした。その結果を図8に示す。図8によれば、電流量に応じて、安定的に水素を生成させることができることが確認された。 In addition, when cell C (Mo 2 C||Mo 2 C) was used instead of cell A (Pt/C||Pt/C) and cypress wood flour was used, the amount of current was increased at an operating temperature of 175°C. While changing, the amount of hydrogen produced was measured at fixed time intervals. The amount of current was 20 mAcm -2 , 40 mAcm -2 and 60 mAcm -2 . The results are shown in FIG. According to FIG. 8, it was confirmed that hydrogen could be generated stably according to the amount of current.

-試験4-
室温で、リグニンを硫酸処理(HSO処理)またはリン酸処理(HPO処理)した。図9(a)に、室温で硫酸処理したリグニンの状態を示す。図9(b)に、室温でリン酸処理したリグニンの状態を示す。また、上記硫酸処理後のリグニン、上記リン酸処理後のリグニンを、200℃で30分間保持した。図9(c)に、硫酸処理したリグニンの200℃保持後の状態を示す。図9(d)に、リン酸処理したリグニンの200℃保持後の状態を示す。なお、図9(a)~(d)は、走査型電子顕微鏡による観察結果である。図9によれば、酸としてリン酸を用いた場合には、酸として硫酸を用いた場合に比べ、作動温度が高くても、糖類の構造自体を壊し難く、適度に糖類の結合の一部を切断できることがわかる。
-Test 4-
At room temperature, lignin was sulfated (H 2 SO 4 treated) or phosphoric acid treated (H 3 PO 4 treated). FIG. 9(a) shows the state of lignin treated with sulfuric acid at room temperature. FIG. 9(b) shows the state of lignin treated with phosphoric acid at room temperature. Moreover, the lignin after the sulfuric acid treatment and the lignin after the phosphoric acid treatment were held at 200° C. for 30 minutes. FIG. 9(c) shows the state of lignin treated with sulfuric acid after being kept at 200°C. FIG. 9(d) shows the state of the phosphoric acid-treated lignin after being kept at 200°C. Incidentally, FIGS. 9A to 9D are observation results by a scanning electron microscope. According to FIG. 9, when phosphoric acid is used as the acid, even if the operating temperature is high, the structure of the saccharide itself is less likely to be broken, and a portion of the saccharide bond is moderately reduced compared to the case where sulfuric acid is used as the acid. can be cut off.

また、200℃でのリン酸処理前後のリグニンを平均化するために、それぞれ乳鉢粉砕を行った後、ダイヤモンド板上にサンプルを転写し、ニードルで薄板化した後、FT-IRを測定した。図10に、リン酸処理前後のリグニンのFT-IRの結果を示す。図10によれば、リン酸処理後のピークは、リン酸処理前のピークに比べてブロードであることがわかる。この結果から、リン酸との併用により、リグニンの分子結合力を弱めることができることが確認された。 In addition, in order to average the lignin before and after the phosphoric acid treatment at 200 ° C., each sample was crushed in a mortar, transferred to a diamond plate, thinned with a needle, and then subjected to FT-IR measurement. FIG. 10 shows the results of FT-IR of lignin before and after phosphoric acid treatment. According to FIG. 10, it can be seen that the peak after phosphoric acid treatment is broader than the peak before phosphoric acid treatment. From this result, it was confirmed that the combined use with phosphoric acid can weaken the molecular bonding force of lignin.

-試験5-
セルA(Pt/C||Pt/C)またはセルD(Pt-Fe/C||Pt/C)を用い、リグニン、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、所定の作動温度で、陽極および陰極間に電圧を印加した。この際、作動温度は、100℃、125℃、150℃とした。
-Test 5-
Using cell A (Pt/C||Pt/C) or cell D (Pt—Fe/C||Pt/C), supplying a liquid fuel composed of lignin, water, and phosphoric acid to the anode, A voltage was applied between the anode and cathode at a given operating temperature. At this time, the operating temperatures were 100°C, 125°C, and 150°C.

図11に、糖類としてリグニンを用い、電極構成および作動温度を変化させた場合のセル電圧と電流密度との関係を示す。図11によれば、Pt-Fe/C電極を有するセルDは、Pt/C電極を有するセルAに比べ、電流密度を増加させることができる、すなわち、水素生成量を増やすことができることがわかる。また、図12に、セルA(Pt/C||Pt/C)、セルD(Pt-Fe/C||Pt/C)の複素インピーダンスプロットを示す。図12によれば、Pt-Fe/C電極は、Pt/C電極に比べ、電極反応抵抗を小さくすることができることが確認された。 FIG. 11 shows the relationship between cell voltage and current density when lignin is used as the sugar and the electrode configuration and operating temperature are varied. According to FIG. 11, it can be seen that the cell D having the Pt—Fe/C electrode can increase the current density, that is, the amount of hydrogen generated can be increased compared to the cell A having the Pt/C electrode. . FIG. 12 shows complex impedance plots of cell A (Pt/C||Pt/C) and cell D (Pt—Fe/C||Pt/C). According to FIG. 12, it was confirmed that the Pt--Fe/C electrode can reduce the electrode reaction resistance compared to the Pt/C electrode.

-試験6-
セルA(Pt/C||Pt/C)またはセルD(Pt-Fe/C||Pt/C)を用い、リグニン、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、作動温度150℃、一定電流としたときのセル電圧の変化を測定した。その結果を、図13に示す。図13によれば、本例では、いずれのセルの場合も、液体燃料中のリグニンの枯渇により、セル電圧が徐々に上がっていくものの、ほぼ安定したセル電圧が得られることが確認された。
-Test 6-
Using cell A (Pt/C||Pt/C) or cell D (Pt—Fe/C||Pt/C), supplying a liquid fuel composed of lignin, water, and phosphoric acid to the anode, Changes in cell voltage were measured at an operating temperature of 150° C. and a constant current. The results are shown in FIG. According to FIG. 13, it was confirmed that in any cell in this example, although the cell voltage gradually increased due to depletion of lignin in the liquid fuel, a substantially stable cell voltage was obtained.

また、図14に、質量分析計で測定した水素感度を示す。なお、図14中、M/Z=2は、分子量が2、すなわち、水素のことである。図14によれば、いずれのセルの場合も、電流通電中、安定して水素が生成することが確認された。 Also, FIG. 14 shows the hydrogen sensitivity measured by the mass spectrometer. In addition, in FIG. 14, M/Z=2 means that the molecular weight is 2, that is, hydrogen. According to FIG. 14, it was confirmed that hydrogen was stably generated during current application in any of the cells.

-試験7-
セルA(Pt/C||Pt/C)を用い、所定の糖類、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、作動温度175℃で、陽極および陰極間に電圧を印加した。この際、糖類には、セルロース、リグニン、または、新聞紙由来のセルロースおよびリグニンの混合物を用いた。そして、陰極での水素生成速度を求めた。
-Test 7-
Using cell A (Pt/C||Pt/C), a liquid fuel composed of predetermined sugars, water, and phosphoric acid was supplied to the anode, and a voltage was applied between the anode and cathode at an operating temperature of 175°C. applied. At this time, cellulose, lignin, or a mixture of newspaper-derived cellulose and lignin was used as the sugar. Then, the hydrogen generation rate at the cathode was determined.

図15に、糖類としてセルロース、リグニン、または、新聞紙由来のセルロースおよびリグニンの混合物を用いた場合のセル電圧と電流密度との関係を示す。図15によれば、負方向に電圧を印加(グラフでは正の値)していくと、糖類、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極に供給した場合に電流が発生することがわかる。 FIG. 15 shows the relationship between cell voltage and current density when cellulose, lignin, or a mixture of newspaper-derived cellulose and lignin is used as sugars. According to FIG. 15, when a voltage is applied in the negative direction (positive value in the graph), a current is generated when a liquid fuel composed of sugars, water, and phosphoric acid is supplied to the anode. I understand.

また、その電流が水素生成に使用されているか否かを検討するため、図16に、糖類として新聞紙由来のセルロースおよびリグニンの混合物を用いた場合の電流密度と水素生成速度との関係を示す。図16によれば、電流密度が増加するに従って、水素生成量は直線的に増加することがわかる。図16では、仮に、全ての電流が水素生成に使われたとした場合の理論生成量を点線で示している。図16によれば、各電流密度における水素生成量が、理論生成量とほぼ一致していることから、糖類の電気分解による水素生成が実現できていることがわかる。 In addition, in order to examine whether the current is used for hydrogen generation, FIG. 16 shows the relationship between the current density and the hydrogen generation rate when using a mixture of newspaper-derived cellulose and lignin as sugars. According to FIG. 16, it can be seen that the amount of hydrogen produced increases linearly as the current density increases. In FIG. 16, the dotted line indicates the theoretical amount of hydrogen produced if all the current is used for hydrogen production. According to FIG. 16, since the amount of hydrogen produced at each current density is almost the same as the theoretical amount of production, it can be seen that hydrogen production by electrolysis of saccharides has been achieved.

-試験8-
セルA(Pt/C||Pt/C)を用い、新聞紙由来のセルロースおよびリグニンの混合物、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、所定の作動温度で、陽極および陰極間に電圧を印加した。この際、作動温度は、100℃、125℃、150℃、175℃とした。図17に、この際の複素インピーダンスプロットを示す。また、図18に、セルA(Pt/C||Pt/C)に代えて、セルE(C,KB||Pt/C)、セルF(C,V||Pt/C)、セルG(C,AB||Pt/C)を用い、作動温度175℃で同様に電気分解を行った際の複素インピーダンスプロットを示す。
-Test 8-
Using cell A (Pt/C||Pt/C), a liquid fuel consisting of a mixture of cellulose and lignin derived from newspaper, water, and phosphoric acid is supplied to the anode, and at a given operating temperature, the anode and A voltage was applied across the cathodes. At this time, the operating temperatures were 100°C, 125°C, 150°C and 175°C. FIG. 17 shows a complex impedance plot at this time. Further, in FIG. 18, instead of cell A (Pt/C||Pt/C), cell E (C, KB||Pt/C), cell F (C, V||Pt/C), cell G (C, AB||Pt/C) is used to show complex impedance plots when similar electrolysis is performed at an operating temperature of 175°C.

図17における、作動温度175℃でのピークと図18とから、カーボン電極を用いた方が抵抗値が低くなり、電気分解しやすいことがわかる。つまり、P/C電極を用いずに、C電極を用いた場合でも、水素生成装置を機能させることができることがわかる。また、図18から、抵抗値は、セルE(C,KB||Pt/C)<セルF(C,V||Pt/C)<セルG(C,AB||Pt/C)の順で大きかった。カーボンの比表面積は、アセチレンブラック(76m-1)<バルカン(214m-1)<ケッチェンブラック(1216m-1)の順で大きくなり、カーボンの比表面積が大きいほど、吸着容量や活性部位が多くなり、抵抗値に反映されることがわかる。この結果から、好適なカーボン種は、他に比べて比表面積が1000m-1以上と大きいケッチェンブラックであるといえる。 From the peak at the operating temperature of 175° C. in FIG. 17 and FIG. 18, it can be seen that the resistance value is lower and the electrolysis is easier when the carbon electrode is used. In other words, it can be seen that the hydrogen generator can function even when the C electrode is used without using the P/C electrode. Further, from FIG. 18, the resistance values are in the order of cell E (C, KB||Pt/C)<cell F (C, V||Pt/C)<cell G (C, AB||Pt/C). It was big. The specific surface area of carbon increases in the order of acetylene black (76 m 2 g −1 ) < Vulcan (214 m 2 g −1 ) < Ketjen black (1216 m 2 g −1 ). It can be seen that the capacitance and active sites increase and are reflected in the resistance value. From this result, it can be said that the preferred carbon species is Ketjenblack, which has a large specific surface area of 1000 m 2 g −1 or more compared to others.

-試験9-
カーボン表面の官能基の効果を調べるため、カーボンとしてケッチェンブラックを用いて次の試験を行った。具体的には、酸化処理を施したケッチェンブラック(以下、試料KB1)、酸化処理後、還元処理したケッチェンブラック(以下、試料KB2)、これらの処理を実施しなかった未処理のケッチェンブラック(以下、試料KB0)を準備した。なお、酸化処理は、24%硝酸20mLと水30mLとを混ぜ合わせた水溶液にケッチェンブラック1.0gを入れ、ホットプレート上で室温、300rpmで72時間撹拌することにより行った。また、還元処理は、上記酸化処理後のケッチェンブラックを水素雰囲気下、600℃で熱処理することにより行った。次いで、作製した試料KB0、試料KB1、および、試料KB2について比表面積測定(BET比表面積、吸着物質:N)、XPS測定を行った。XPS測定では、波形分離により、COO基、C=O基、COH基の量の変化を比較測定した。図19に、比表面積の測定結果を示す。図20に、XPSの測定結果を示す。
-Test 9-
In order to investigate the effect of functional groups on the carbon surface, the following test was performed using Ketjenblack as the carbon. Specifically, Ketjenblack subjected to oxidation treatment (hereinafter referred to as sample KB1), Ketjenblack subjected to reduction treatment after oxidation treatment (hereinafter referred to as sample KB2), and untreated Ketjenblack without these treatments A black (hereinafter referred to as sample KB0) was prepared. The oxidation treatment was carried out by adding 1.0 g of Ketjenblack to an aqueous solution obtained by mixing 20 mL of 24% nitric acid and 30 mL of water, and stirring the mixture on a hot plate at room temperature and 300 rpm for 72 hours. The reduction treatment was performed by heat-treating the Ketjenblack after the oxidation treatment at 600° C. in a hydrogen atmosphere. Next, specific surface area measurement (BET specific surface area, adsorbed substance: N 2 ) and XPS measurement were performed on the prepared samples KB0, KB1, and KB2. In the XPS measurement, changes in amounts of COO groups, C═O groups, and COH groups were comparatively measured by waveform separation. FIG. 19 shows the measurement results of the specific surface area. FIG. 20 shows the XPS measurement results.

図19によれば、比表面積については、酸化処理、酸化還元処理の違いよって目立った変化は見られなかった。しかし、図20によれば、酸化処理、酸化還元処理を施した場合には、カルボニル基、カルボキシル基のピークが強くなっていることがわかる。特に、酸化処理を施した場合には、カルボキシル基のピークが強くなっており、酸化還元処理を施した場合には、カルボニル基のピークが強くなっていることがわかる。なお、カルボニル基の比率をカルボキシル基の比率より高める場合には、例えば、カルボキシル基が脱離するように600℃程度の高温で熱処理して、カルボニル基を残す処理を行えばよい。 According to FIG. 19, no significant change was observed in the specific surface area due to the difference between the oxidation treatment and the oxidation-reduction treatment. However, according to FIG. 20, it can be seen that the peaks of the carbonyl group and the carboxyl group are stronger when the oxidation treatment and the oxidation-reduction treatment are performed. In particular, it can be seen that the peak of the carboxyl group is enhanced when the oxidation treatment is performed, and the peak of the carbonyl group is enhanced when the oxidation-reduction treatment is performed. When the ratio of carbonyl groups is higher than the ratio of carboxyl groups, for example, heat treatment at a high temperature of about 600° C. may be performed so that the carboxyl groups are eliminated, leaving the carbonyl groups.

また、セルE(C,KB||Pt/C)、セルH(C,KB1||Pt/C)、セルI(C,KB2||Pt/C)を用い、新聞紙由来のセルロースおよびリグニンの混合物、水、および、リン酸より構成される液体燃料を陽極へ供給し、作動温度175℃で、陽極および陰極間に電圧を印加した。図21に、この際の複素インピーダンスプロットを示す。 Cell E (C, KB||Pt/C), Cell H (C, KB1||Pt/C), and Cell I (C, KB2||Pt/C) were used to produce cellulose and lignin derived from newspaper. A liquid fuel consisting of a mixture, water and phosphoric acid was fed to the anode and a voltage was applied between the anode and cathode at an operating temperature of 175°C. FIG. 21 shows a complex impedance plot at this time.

図21によれば、酸化還元処理を施したケッチェンブラック(KB2)電極を用いた場合に、最も抵抗値が低くなった。なお、比表面積は変化がないため、今回の抵抗値の低下には影響していない。これは、カーボン表面におけるカルボニル基、カルボキシル基が増加したために、活性サイト密度が増加し、電極反応が進行しやすくなったためであると考えられる。この結果から、カルボニル基、および、カルボキシル基の少なくとも1つでカーボン表面を修飾することが、糖類の電気分解に有効であることが確認された。 According to FIG. 21, the resistance value was the lowest when the Ketjenblack (KB2) electrode subjected to oxidation-reduction treatment was used. In addition, since the specific surface area does not change, it does not affect the decrease in the resistance value this time. It is believed that this is because the number of carbonyl groups and carboxyl groups on the carbon surface increased, which increased the density of active sites and facilitated the progress of the electrode reaction. From this result, it was confirmed that modifying the carbon surface with at least one of a carbonyl group and a carboxyl group is effective for the electrolysis of saccharides.

(実験例2)
実施形態2に示される構成に従う水素生成装置を準備した。具体的には、水素生成装置におけるセル構成は、以下の通りであり、基本的には、実験例1のセルIと同様にして作製した。
・電解質膜:Sn0.9In0.1とPTFEとの混合物、膜厚250μm
・陽極:カルボニル基、カルボキシル基により表面修飾されたカーボン(上述した酸化還元処理を施したケッチェンブラック)
・陰極:Pt担持カーボン(Pt/C)
但し、陽極は、次のように作製した。ケッチェンブラック0.1gと85%リン酸水溶液0.85gとを混ぜ合わせ、スラリー状にしたのち、上述した酸化還元処理を施したケッチェンブラック10mgcm-2をカーボンペーパーに塗布した。次いで、そのカーボンペーパーを直径12mmの大きさでくり抜いた。これにより陽極を形成した。
(Experimental example 2)
A hydrogen generator according to the configuration shown in Embodiment 2 was prepared. Specifically, the cell configuration in the hydrogen generator is as follows, and was basically produced in the same manner as Cell I of Experimental Example 1.
・Electrolyte membrane: mixture of Sn0.9In0.1P2O7 and PTFE , film thickness 250 µm
・Anode: carbon surface-modified with carbonyl group and carboxyl group (Ketjen black subjected to oxidation-reduction treatment as described above)
・Cathode: Pt-supported carbon (Pt/C)
However, the anode was produced as follows. 0.1 g of Ketjenblack and 0.85g of 85% aqueous solution of phosphoric acid were mixed to form a slurry, and then 10 mgcm −2 of Ketjenblack subjected to the oxidation-reduction treatment described above was applied to carbon paper. Then, the carbon paper was hollowed out with a size of 12 mm in diameter. This formed the anode.

また、セルの陽極には、液体燃料供給源としてのシリンジポンプより、新聞紙由来のセルロースおよびリグニンの混合物、水、リン酸より構成される液体燃料を連続的に供給可能とされている。この際、液体燃料は、0.07~0.44mLmin-1の速度で連続的に供給した。また、陰極側には、キャリアガスとしてArガスを100mLmin-1の速度で流し続けた。陽極側集電体には、ステンレスメッシュ、陰極側集電体には、Auメッシュを用いた。セパレータには、PTFEを用いた。作動温度は、175℃とした。なお、本実験例における定電流試験の際、ガルバノスタティックは、0~0.2Acm-2の範囲で一定の電流を流した。 Further, to the anode of the cell, a liquid fuel composed of a mixture of cellulose and lignin derived from newspaper, water, and phosphoric acid can be continuously supplied from a syringe pump as a liquid fuel supply source. At this time, the liquid fuel was continuously supplied at a rate of 0.07 to 0.44 mLmin −1 . Ar gas as a carrier gas was continuously flowed to the cathode side at a rate of 100 mLmin −1 . A stainless steel mesh was used for the anode-side current collector, and an Au mesh was used for the cathode-side current collector. PTFE was used for the separator. The operating temperature was 175°C. In the constant current test in this experimental example, the galvanostatic applied a constant current in the range of 0 to 0.2 Acm −2 .

図22に、上記水素生成装置に電圧を印加した際の時間と水素生成速度との関係を示す。図22によれば、ノイズはあるものの、電流量に応じて安定的、連続的な水素生成が実現できていることがわかる。なお、水素生成速度は、理論値と同等の値であった。 FIG. 22 shows the relationship between time and hydrogen generation rate when a voltage is applied to the hydrogen generator. According to FIG. 22, it can be seen that although there is noise, stable and continuous hydrogen generation can be achieved in accordance with the amount of current. Note that the hydrogen production rate was a value equivalent to the theoretical value.

また、表面修飾されているカーボン電極を用いた糖類の電気分解で消費されるエネルギーは、およそ0.6kWh(Nm-1であり、エタノールの電気分解で消費されるエネルギーの2.0kWh(Nm-1よりもはるかに低い。そのため、上記水素生成装置によれば、水素生成に必要なエネルギーを大幅に下げることができるといえる。また、Pt/C電極を用いた糖類の電気分解で消費されるエネルギーは、およそ0.8kWh(Nm-1であることから、これと比べても、表面修飾されているカーボン電極を用いることが優位であるということができる。 In addition, the energy consumed in the electrolysis of sugars using the surface-modified carbon electrode is approximately 0.6 kWh (Nm 3 ) −1 , which is 2.0 kWh (Nm 3 ) −1 of the energy consumed in the electrolysis of ethanol. Nm 3 ) −1 . Therefore, it can be said that the energy required for hydrogen generation can be significantly reduced according to the above hydrogen generator. In addition, the energy consumed in the electrolysis of sugars using a Pt/C electrode is approximately 0.8 kWh (Nm 3 ) −1 , so compared with this, the surface-modified carbon electrode is used. can be said to be superior.

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Moreover, each configuration shown in each embodiment and each experimental example can be combined arbitrarily.

1 水素生成装置
2 電解質
3 陽極
4 陰極
5 電圧印加部
6 液体燃料
REFERENCE SIGNS LIST 1 hydrogen generator 2 electrolyte 3 anode 4 cathode 5 voltage application unit 6 liquid fuel

Claims (11)

プロトン伝導性を有する電解質(2)と、
上記電解質の一方面に設けられた陽極(3)と、
上記電解質の他方面に設けられた陰極(4)と、
上記陽極および上記陰極間に電圧を印加する電圧印加部(5)と、を有しており、
上記陽極に、水と糖類と酸とを含む液体燃料(但し、電気触媒および助触媒を含むものは除く。)(LF)が供給されるように構成されており、
作動温度が100℃以上250℃以下である、水素生成装置(1)。
an electrolyte (2) having proton conductivity;
an anode (3) provided on one side of the electrolyte;
a cathode (4) provided on the other side of the electrolyte;
a voltage application unit (5) for applying a voltage between the anode and the cathode,
The anode is configured to be supplied with a liquid fuel (LF) containing water, sugars, and acid (excluding those containing electrocatalysts and co-catalysts) ,
A hydrogen generator (1) having an operating temperature of 100°C or higher and 250°C or lower.
上記陽極は、Pt担持カーボン、Pt-Fe合金担持カーボン、MoC、または、カーボンを有する、請求項1に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator according to claim 1, wherein the anode comprises Pt-supported carbon, Pt--Fe alloy-supported carbon, Mo 2 C, or carbon. 上記陰極は、Pt担持カーボン、Pt-Fe合金担持カーボン、MoC、または、カーボンを有する、請求項1または2に記載の水素生成装置。 3. The hydrogen generator according to claim 1, wherein the cathode comprises Pt-supported carbon, Pt--Fe alloy-supported carbon, Mo 2 C, or carbon. 上記カーボンの表面が、カルボニル基、および、カルボキシル基のうち少なくとも1つにより修飾されている、請求項2または3に記載の水素生成装置。 4. The hydrogen generator according to claim 2 or 3, wherein the carbon surface is modified with at least one of a carbonyl group and a carboxyl group. プロトン伝導性を有する電解質(2)と、
上記電解質の一方面に設けられた陽極(3)と、
上記電解質の他方面に設けられた陰極(4)と、
上記陽極および上記陰極間に電圧を印加する電圧印加部(5)と、を有しており、
上記陽極に、水と糖類と酸とを含む液体燃料(但し、電気触媒および助触媒を含むものは除く。)(LF)が供給されるように構成されており、
上記陽極および/または上記陰極は、Pt担持カーボン、Pt-Fe合金担持カーボン、MoC、または、カーボンを有しており、
上記カーボンの表面は、カルボニル基、および、カルボキシル基のうち少なくとも1つにより修飾されている、水素生成装置(1)。
an electrolyte (2) having proton conductivity;
an anode (3) provided on one side of the electrolyte;
a cathode (4) provided on the other side of the electrolyte;
a voltage application unit (5) for applying a voltage between the anode and the cathode,
The anode is configured to be supplied with a liquid fuel (LF) containing water, sugars, and acid (excluding those containing electrocatalysts and co-catalysts) ,
The anode and/or the cathode comprise Pt-supported carbon, Pt—Fe alloy-supported carbon, Mo 2 C, or carbon,
A hydrogen generator (1), wherein the carbon surface is modified with at least one of a carbonyl group and a carboxyl group.
作動温度が100℃以上250℃以下である、請求項5に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator according to claim 5, wherein the operating temperature is 100°C or higher and 250°C or lower. 上記酸は、リン酸、酢酸、および、硫酸からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1~6のいずれか1項に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 6, wherein the acid is at least one selected from the group consisting of phosphoric acid, acetic acid, and sulfuric acid. 上記糖類は、多糖類である、請求項1~7のいずれか1項に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 7, wherein the saccharide is a polysaccharide. 上記糖類は、セルロース類、および、リグニンのうち少なくとも1つである、請求項1~8のいずれか1項に記載の水素生成装置。 The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 8, wherein the saccharides are at least one of celluloses and lignin. 上記糖類は、セルロース類であり、
上記電圧印加部が-1V以上0V以下の電圧を印加するように構成されている、請求項1~9のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The saccharides are celluloses,
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 9, wherein the voltage application section is configured to apply a voltage of -1 V or more and 0 V or less.
上記糖類は、リグニンであり、
上記電圧印加部が-1V以上-0.25V以下の電圧を印加するように構成されている、請求項1~9のいずれか1項に記載の水素生成装置。
The sugar is lignin,
10. The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 9, wherein the voltage application unit is configured to apply a voltage of -1 V or more and -0.25 V or less.
JP2018042845A 2018-03-09 2018-03-09 hydrogen generator Active JP7158672B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018042845A JP7158672B2 (en) 2018-03-09 2018-03-09 hydrogen generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018042845A JP7158672B2 (en) 2018-03-09 2018-03-09 hydrogen generator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019157172A JP2019157172A (en) 2019-09-19
JP7158672B2 true JP7158672B2 (en) 2022-10-24

Family

ID=67995762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018042845A Active JP7158672B2 (en) 2018-03-09 2018-03-09 hydrogen generator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7158672B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020161225A (en) 2019-03-25 2020-10-01 株式会社Soken Electrochemical device
JP7241351B2 (en) * 2019-11-06 2023-03-17 株式会社Soken hydrogen generator
JP2021075744A (en) * 2019-11-06 2021-05-20 株式会社Soken Hydrogen generating apparatus

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030226763A1 (en) 1997-09-10 2003-12-11 California Institute Of Technology Hydrogen generation by electrolysis of aqueous organic solutions
JP2007528709A (en) 2003-07-10 2007-10-18 スティヒティング・ウェットサス・センター・フォー・サステイナブル・ウォーター・テクノロジー Method for producing hydrogen
JP2008543719A (en) 2005-06-23 2008-12-04 シーオーピー エナジー テクノロジーズ エルエルシー Hydrogen production using electrochemical reforming and electrolyte regeneration
JP2015089945A (en) 2013-11-04 2015-05-11 渡辺 治 Facilities for resource-recycling biotechnical hydrogen production from biomass

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4395316A (en) * 1981-02-17 1983-07-26 Institute Of Gas Technology Hydrogen production by biomass product depolarized water electrolysis
US4341608A (en) * 1981-02-17 1982-07-27 Institute Of Gas Technology Hydrogen production by biomass product depolarized water electrolysis
US4752364A (en) * 1986-05-19 1988-06-21 Delphi Research, Inc. Method for treating organic waste material and a catalyst/cocatalyst composition useful therefor
DE3781930T2 (en) * 1986-05-19 1993-04-15 Delphi Research Inc METHOD FOR TREATING ORGANIC WASTE MATERIALS AND THE USEFUL CATALYST / CO-CATALYST COMPOSITION THEREFOR.
US4699700A (en) * 1986-05-19 1987-10-13 Delphi Research, Inc. Method for hydrogen production and metal winning, and a catalyst/cocatalyst composition useful therefor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030226763A1 (en) 1997-09-10 2003-12-11 California Institute Of Technology Hydrogen generation by electrolysis of aqueous organic solutions
JP2007528709A (en) 2003-07-10 2007-10-18 スティヒティング・ウェットサス・センター・フォー・サステイナブル・ウォーター・テクノロジー Method for producing hydrogen
JP2008543719A (en) 2005-06-23 2008-12-04 シーオーピー エナジー テクノロジーズ エルエルシー Hydrogen production using electrochemical reforming and electrolyte regeneration
JP2015089945A (en) 2013-11-04 2015-05-11 渡辺 治 Facilities for resource-recycling biotechnical hydrogen production from biomass

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019157172A (en) 2019-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bouleau et al. Best practices for ORR performance evaluation of metal-free porous carbon electrocatalysts
Castanheira et al. Carbon corrosion in proton-exchange membrane fuel cells: from model experiments to real-life operation in membrane electrode assemblies
Hartig-Weiss et al. OER catalyst durability tests using the rotating disk electrode technique: the reason why this leads to erroneous conclusions
Rozain et al. Influence of iridium oxide loadings on the performance of PEM water electrolysis cells: Part II–Advanced oxygen electrodes
Yu et al. Electrochemical reduction of carbon dioxide at nanostructured SnO2/carbon aerogels: The effect of tin oxide content on the catalytic activity and formate selectivity
Brouzgou et al. Carbon-supported PdSn and Pd3Sn2 anodes for glucose electrooxidation in alkaline media
Neto et al. Electro-oxidation of ethylene glycol on PtRu/C and PtSn/C electrocatalysts prepared by alcohol-reduction process
JP7158672B2 (en) hydrogen generator
Zignani et al. Endurance study of a solid polymer electrolyte direct ethanol fuel cell based on a Pt–Sn anode catalyst
Gupta et al. Electrooxidation study of pure ethanol/methanol and their mixture for the application in direct alcohol alkaline fuel cells (DAAFCs)
Liu et al. Electricity generation from banana peels in an alkaline fuel cell with a Cu2O-Cu modified activated carbon cathode
CN106824190B (en) WO (WO) 3-x Nanometer catalyst and its preparation and application
Alegre et al. Pd supported on Ti-suboxides as bifunctional catalyst for air electrodes of metal-air batteries
Ekdharmasuit et al. The role of an anode microporous layer in direct ethanol fuel cells at different ethanol concentrations
Tarasevich et al. Rapid diagnostics of characteristics and stability of fuel cells with proton-conducting electrolyte
Ham et al. Boosting the oxygen evolution reaction performance of wrinkled Mn (OH) 2 via conductive activation with a carbon binder
Pei et al. Preparation and performance of highly efficient Au nanoparticles electrocatalyst for the direct borohydride fuel cell
Singh et al. Performance study of palladium modified platinum anode in direct ethanol fuel cells: A green power source
Dam et al. Determination of the potentiostatic stability of PEMFC electro catalysts at elevated temperatures
Berretti et al. Experimental evidence of palladium dissolution in anodes for alkaline direct ethanol and formate fuel cells
Li et al. Co2+-P (W3O10) 43− modified activated carbon as an efficient anode catalyst for direct glucose alkaline fuel cell
KR101983442B1 (en) Oxygen reduction catalyst
JP7241351B2 (en) hydrogen generator
Carmo et al. Electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction
WO2014079462A1 (en) Platinum and palladium alloys suitable as fuel cell electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20180402

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210119

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20211116

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211227

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220118

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20220405

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220630

C60 Trial request (containing other claim documents, opposition documents)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60

Effective date: 20220630

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20220630

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20220809

C21 Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21

Effective date: 20220823

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220906

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20221003

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7158672

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150