JPWO2015146944A1 - 有機ハイドライド製造装置 - Google Patents
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Abstract
本発明のある態様の有機ハイドライド製造装置１０は、電解質膜１１の一方の面にアノード１２、電解質膜１１の他方の面にカソード触媒層１３とカソード拡散層１４からなるカソードを設けた電気化学セルを有する。アノード１２と電解質膜１１との間にギャップが形成されている。アノード１２が、開口率が３０〜７０％の網目構造を有し、電子伝導体で形成された給電支持材料と、前記給電支持材料に保持された前記電極触媒とを有する。
Description
本発明は、電気化学的に有機ハイドライドの水素化を行う有機ハイドライド製造装置に関する。
エネルギー問題が深刻する中で、再生可能エネルギーが注目されている。しかし、太陽光、風力等の再生可能エネルギーは変動があり、また偏在しているため、電気エネルギーでの輸送、貯蔵が難しい。そのため再生可能エネルギーの輸送、貯蔵には水素が有力であるが、常温常圧で気体であり輸送、貯蔵には適していない。
水素の輸送、貯蔵の代わりになるシクロヘキサンやメチルシクロヘキサン、デカリン等の炭化水素を用いた有機ハイドライドが注目されている。これらの有機ハイドライドは、常温常圧で液体であり取扱いが容易である。有機ハイドライドを、電気化学的に水素付加、脱水素することにより水素の代わりにエネルギーキャリアとして貯蔵、運搬が可能になる。
従来メチルシクロヘキサンなどの有機ハイドライドの製造には、再生可能エネルギーを水電解にて水素製造し、トルエンを水素化反応器で水素付加しメチルシクロヘキサンにするが、電解合成法では直接水素付加することでプロセスの簡略化ができる。
従来型の有機ハイドライド製造装置である特許文献１では、前記固体高分子形電解質膜が前記カソード触媒のみならず、アノード触媒とも固体高分子電解質膜で接合するため、前記アノード触媒上で発生する酸素ガスが滞留し易いことが課題であった。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、有機ハイドライド製造装置のアノード触媒上に酸素ガスが滞留することを抑制することができる技術の提供にある。
本発明のある態様は、有機ハイドライド製造装置である。当該有機ハイドライド製造装置は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に設けられ、被水素化物を還元して水素化物を生成するための電解水素化触媒を含むカソードと、前記カソードを収容し、被水素化物が供給されるカソード室と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられ、水を酸化してプロトンを生成する電極触媒を含むアノードと、前記アノードを収容し、電解液が供給されるアノード室と、を備え、前記アノードと前記電解質膜との間にギャップが形成されていることを特徴とする。
上記態様の有機ハイドライド製造装置において、前記アノードが、開口率３０〜７０％の網目構造を有し、電子伝導体で形成された給電支持材料と、前記給電支持材料に保持された前記電極触媒とを有してもよい。前記アノードが短目方向中心間距離が０．１〜４ｍｍ、長目方向中心間距離が０．１〜６ｍｍの菱形状の開口形状を有してもよい。ここで、「短目方向」「長目方向」とは、方向を区別するための用語であり、長短の差による方向の区別を特定するものではない。また、前記ギャップは、０．０２〜０．２ｍｍであってもよい。また、前記電解液が、２０℃で測定したイオン伝導度が０．０１Ｓ／ｃｍ以上の硫酸、リン酸、硝酸又は塩酸であってもよい。
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
本発明によれば、有機ハイドライド製造装置のアノード触媒上に酸素ガスが滞留しにくくなる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１に実施の形態に係る有機ハイドライド製造装置１０の概略構成図を示す。有機ハイドライド製造装置１０は、電解質膜１１の一方の面にアノード１２、電解質膜１１の他方の面にカソード触媒層１３とカソード拡散層１４からなるカソードを設けた電気化学セルを有する。以下、有機ハイドライド製造装置１０の各部について詳細に説明する。
電解質膜１１は、プロトン伝導性を有する材料（イオノマー）で形成されており、プロトンを選択的に伝導する一方で、カソードとアノード１２との間で物質が混合したり拡散することを抑制する。電解質膜１１の厚さは、５〜３００μｍが好ましく、１０〜１５０μｍがより好ましく、２０〜１００μｍが最も好ましい。電解質膜１１の厚さが５μｍ未満であると、電解質膜１１のバリア性が低下し、クロスリークが生じやすくなる。また、電解質膜１１の厚さが５００μｍより厚くなると、イオン移動抵抗が過大になるため好ましくない。
図２は、アノード１２の構造を模式的に示す図である。図２に示すように、アノード１２は、給電支持材料２００および電極触媒２２０を有する。給電支持材料２００としては、電解に必要な電流を流すための十分な電気伝導性を有し、電解セルを構成する機械的強度の必要性から、０．１ｍｍから２ｍｍの基材厚さを有し、網目構造を持つ板状材料が望ましい。給電支持材料２００の面全体に対する開口部分の開口率は３０〜７０％の範囲である。当該開口率が３０％未満であると、アノード１２で発生する酸素ガス（気泡）の除去が速やかに行われないため、いわゆる気泡効果によるセル抵抗の増大を招く。一方、当該開口率が７０％以上では、気泡の除去は速やかに進行するものの、有効な電極面積が減少し、見掛けの基材電気伝導性も低下し、セル全体の抵抗が増加し電解性能が低下する。給電支持材料２００は、短目方向中心間距離Ｓが０．１〜４ｍｍ、長目方向中心間距離Ｌが０．１〜６ｍｍの範囲内の菱形状の開口形状を有することが好ましい。短目方向中心間距離Ｓが４ｍｍより大きい場合、または長目方向中心間距離Ｌが６ｍｍより大きい場合には、電解セル内、特に電解質膜１１内の電流分布が不均一になり、セル全体の抵抗が増加して電解性能が低下するおそれがある。一方、短目方向中心間距離Ｓが０．１ｍｍより小さい場合、または長目方向中心間距離Ｌが０．１ｍｍより小さい場合には、電解性能は向上する可能性があるものの、加工上の都合から基材の厚さが薄くなり取扱いが不便になる。これを補う目的で給電支持材料２００を厚くすることもできるが、結果として給電支持材料２００、ひいてはアノード１２の製造価格が増大し、実機での利用が困難となる。
ガス発生電極であるアノード１２では気泡による抵抗の増大を避け、被電解液の供給を促進するため多孔体で酸性電解質に対する耐食性に優れていることが好ましいため、給電支持材料２００としてチタン製エキスパンドメッシュが好ましく用いられる。エキスパンドメッシュは、メッシュ加工後に３次元的構造となるため、適切に平滑化処理を行うことが望ましい。給電支持材料２００としてエキスパンドメッシュを用いる場合には、上記長目方向は、エキスパンドメッシュ製造時のスリットの方向であり、上記短目方向は、当該スリットに直交する方向である。
電極触媒２２０は給電支持材料２００の表面に保持されている。酸性電解液に浸漬された状態で酸素発生を行う電極触媒２２０として白金族貴金属酸化物系触媒が好ましく用いられる。中でも酸化イリジウム系の電極触媒材料は電圧損失が少なく、耐久性に優れている。特に、酸化タンタルと固溶体を形成した酸化イリジウム系の電極触媒は有機物が混入した系での電圧損失の増加が小さいため電極触媒２２０として好ましい。
アノード１２に酸性電解液が接すると、アノード１２の給電支持材料２００として用いられるチタンなどの金属が酸化し、絶縁性の皮膜を形成する。このため、少なくとも電極触媒２２０と接する給電支持材料２００の表面に、導電性を有するタンタルなどの弁金属あるいはそれらの合金層、貴金属あるいはまた貴金属酸化物のコーティング２１０を施すことが好ましい。これにより、給電支持材料２００と電極触媒２２０との間の導電性を良好に保つことができる。
図１の説明に戻り、電気化学セルのアノード１２側の最外部に電子伝導性を有する仕切り板１６ａが配設されている。仕切り板１６ａは、たとえば、チタンなどの金属で形成される。
仕切り板１６ａのアノード１２側面の周縁部と、電解質膜１１との間にスペーサー１７ａが取り付けられており、仕切り板１６ａ、アノード室側端部スペーサー１７および電解質膜１１で囲まれる空間がアノード室２６となっている。スペーサー１７ａは、酸性電解液がアノード室２６の外へ漏洩することを防ぐシール材を兼ねており、電子的に絶縁性であることが望ましい。スペーサー１７ａの材料としては、たとえば、４フッ化エチレン樹脂などが挙げられる。
スペーサー１７ａの下部に酸性電解液入口１９が設けられており、酸性電解液入口１９からアノード室２６に酸性電解液が供給される。酸性電解液として、２０℃で測定したイオン伝導度が０．０１Ｓ／ｃｍ以上の硫酸、リン酸、硝酸又は塩酸が挙げられる。当該イオン伝導度が０．０１Ｓ／ｃｍより低いと、工業的に十分な電気化学反応を得にくくなる。また、スペーサー１７ａの上部には酸性電解液出口２０が設けられており、酸性電解液出口２０を介してアノード室２６に貯蔵されている酸性電解液が系外に排出される。
アノード１２と仕切り板１６ａとの間にはアノード支持用弾性体２３が配置されており、アノード支持用弾性体２３によってアノード１２が電解質膜１１に押し付けられる。アノード支持用弾性体２３は、たとえば板バネやコイル構造の電子伝導体で形成される。このように、アノード室２６を構成する仕切り板１６ａとアノード１２との間にアノード支持用弾性体２３を設けることで、アノード１２を保持する構造とすることにより、アノード１２の交換などのメンテナンス作業を容易にすることができる。また、アノード１２と電解質膜１１との間にアノードスペーサー２５が介在しており、アノードスペーサー２５によりアノード１２と電解質膜１１との間に所定のギャップが保たれるように構成されている。なお、アノード１２と電解質膜１１との間のギャップは、０．０２ｍｍ以上１．０ｍｍ未満が好ましく、より好ましくは０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。
アノード支持用弾性体２３は、酸性電解液入口１９から流入する酸性電解液に対して耐酸性を有する材料で形成されることが好ましく、基材としてチタンまたはチタン合金が好ましく使用される。アノード支持用弾性体２３を構成する弾性体構造としてはＶ字型スプリング、Ｘクロススプリング、クッションコイルのタイプやビビリ繊維の集合体など各種構造が考えられる。それぞれの必要面圧は各部材の接触抵抗を鑑みて、材料厚み等が適宜選択される。
カソード触媒層１３は貴金属担持触媒とプロトン伝導性のアイオノマーからなり、カソードと電解質膜１１とが接合されることにより、カソード−膜接合体１５が形成されている。本実施の形態では、カソードや電解質膜１１が劣化した場合に、カソード−膜接合体１５のみを交換することでメンテナンスに必要なコストを必要最低限にすることができる。
カソード拡散層１４は、たとえば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスで形成される。カソード拡散層１４は、白金や白金合金を担持した炭素を触媒とプロトン伝導性固体電解質と混ざり合ったマトリクス構造のカソード触媒層１３と接している。
電気化学セルのカソードの最外部に電子伝導性を有する仕切り板１６ｂが配設されている。仕切り板１６ｂは、たとえば、ステンレスなどの金属で形成される。
仕切り板１６ｂのカソードの周縁部と、電解質膜１１との間にスペーサー１７ｂが取り付けられており、仕切り板１６ｂ、スペーサー１７ｂおよび電解質膜１１で囲まれる空間がカソード室２７となっている。スペーサー１７ｂは、被水素化物および水素化物を含む有機物がカソード室２７の外へ漏洩することを防ぐシール材を兼ねており、電子的に絶縁性であることが望ましい。スペーサー１７ｂの材料としては、たとえば、４フッ化エチレン樹脂が挙げられる。
スペーサー１７ｂの下部に被水素化物入口２１が設けられており、被水素化物入口２１からカソード室２７にトルエンなどの被水素化物が供給される。また、スペーサー１７ｂの上部には水素化物出口２２が設けられており、水素化物出口２２を介してトルエンの水素化物であるメチルシクロヘキサンなど水素化物を含む有機物が系外に排出される。
仕切り板１６ｂとカソード拡散層１４の間にカソード支持体２４が配設されている。カソード支持体２４は、アノード支持用弾性体２３により押し付けられる力を受け止めて、仕切り板１６ｂとカソード拡散層１４の間の電子伝導性を確保する。カソード支持体２４は被水素化物と水素化物の流れを制御する流路も形成している。
以上説明した有機ハイドライド製造装置によれば、開口寸法が適度な範囲に設計された網目構造を有する給電支持材料に電極触媒を保持したアノードを用いることにより、アノード１２の電極触媒上に水の電気分解によって生じた酸素ガスが滞留しにくくなる。これにより、電解反応をよりスムースに長期間にわたり進行させることができる。
また、アノード１２と電解質膜１１との間にアノードスペーサー２５を設け、アノード１２と電解質膜１１との間に所定のギャップが保たれる構成とすることにより、アノード１２で発生した酸素ガスが上方に移動しやすくなるため、アノード１２の電極触媒上に酸素ガスが滞留することをより一層抑制することができる。
以下、本発明の実施例を説明するが、これら実施例は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。
＜実施例１＞
図１に示す有機ハイドライド製造装置（電解セル）に準じた構造を実施例１とした。以下、実施例１の有機ハイドライド製造装置の詳細について説明する。
図１に示す有機ハイドライド製造装置（電解セル）に準じた構造を実施例１とした。以下、実施例１の有機ハイドライド製造装置の詳細について説明する。
電解質膜としてＮＲＥ２１２ＣＳ（ＤｕＰｏｎｔ製、厚さ５０μｍ）を用い、この片面にスプレー塗布法によりカソード触媒層を形成し、カソード−電解質膜複合体とした。カソード触媒層の形成にあたっては、まずＰｔＲｕ／Ｃ触媒ＴＥＣ６１Ｅ５４Ｅ（田中貴金属工業製、Ｐｔ２３重量％、Ｒｕ２７重量％）粉末にアイオノマーＮａｆｉｏｎ（登録商標）分散液ＤＥ２０２０（ＤｕＰｏｎｔ製）を、乾燥後の重量が触媒中のカーボン重量と１：１の重量になるよう添加して、適宜溶媒を用いて塗布用のインクを調製した。このインクを、電解質膜上に、触媒中のＰｔとＲｕを合わせた重量が電極面積あたり０．５ｍｇ／ｃｍ−２となるようにスプレー塗布し、ついで８０℃にてインク中の溶媒成分を乾燥してカソード触媒層を得た。
カソード触媒層表面に、電極面に合わせて切り抜いたカソード拡散層ＳＧＬ３５ＢＣ（ＳＧＬカーボン製）を貼合し、１２０℃、１ＭＰａにて２分間熱接合を行い、カソード−電解質複合体を形成した。
カソード仕切り板とカソード支持体を接合した構造体として、カーボン／エポキシ樹脂をモールド成型したカーボン系構造体を用いた。前記構造体のカソード支持体部分はカソード拡散層に接する面に液体流通のための流路を複数形成してある。この流路１本は、幅１ｍｍ、流路高さ０．５ｍｍの空隙部を有し、流路間の間隔１ｍｍのストレート形状であり、有機ハイドライド製造装置を設置する際の鉛直方向と流路が平行となるように設置した。また、前記構造体の流路の両端は、複数の流路を統合して液体供給および排出のための液体ヘッダーを有しており、これを介して有機物の供給および排出用の系路に接続した。
アノード基板として、短目方向中心間距離３．５ｍｍ、長目方向中心間距離６．０ｍｍ、板厚１．０ｍｍ、刻み幅１．１ｍｍ、開口率４２％のエキスパンドメッシュを使用した（表１参照）。アノード基板の表面に乾式ブラスト処理、ついで２０％硫酸水溶液中での洗浄処理を行った。その後、洗浄したアノード基板の表面を、アークイオンプレーティング装置と純チタン材のターゲットＪＩＳ１種チタン円板を用い、基板温度１５０℃、真空度１．０×１０−２Ｔｏｒｒにてコーティング厚さ２μｍで被覆した。このようにして得たアノード基板に対して、四塩化イリジウム／五塩化タンタルの混合水溶液を塗布し、ついで電気炉にて５５０℃の熱処理を施す操作を複数回繰返すことにより、酸化イリジウムと酸化タンタルとの固溶体よりなる電極触媒層を、電極面積当たりのＩｒ金属量換算で１２ｇ／ｍ２となるよう形成したものをアノードとした。
アノード支持用弾性体として厚さ０．３ｍｍのＴｉ板を加工した１０ｍｍピッチの平バネを並べた形状とした弾性体を用いた。平バネのアノード接触面には、微量の白金層を形成した。
これらのセル部材、すなわちカソード支持体、カソード−電解質膜複合体、アノードスペーサー、アノード、アノード支持用弾性体をこの順に積層し、アノード側の仕切り板とアノードとの間にアノード支持用弾性体を挿入することで、固定されたセル幅内でアノード側からの押しつけ力によって各層が密着する形で押圧されるようにした。なお、アノードスペーサーの厚さ、言い換えると、電解質膜とアノードとの間のギャップは、０．０５ｍｍである。
このようにして得られた有機ハイドライド製造装置のカソード室にトルエンをライザー（鉛直方向に沿って下から上）で流通させ、またアノードとアノード側の仕切り板と間の空隙部（アノード室）に５％硫酸水溶液を同じくライザーで流通し、定電圧電源の負極をカソード、正極をアノードに接続して、以下の電解反応を実施した。各流体の循環流速は、線速度としてカソード側が１ｍ／ｍｉｎ、アノード側が３ｍ／ｍｉｎとなるようにした。
＜実施例２＞
実施例２の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離２．０ｍｍ、長目方向中心間距離４．０ｍｍ、板厚０．６ｍｍ、刻み幅０．６ｍｍ、開口率４５％のエキスパンドメッシュを使用したこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
実施例２の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離２．０ｍｍ、長目方向中心間距離４．０ｍｍ、板厚０．６ｍｍ、刻み幅０．６ｍｍ、開口率４５％のエキスパンドメッシュを使用したこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
＜実施例３＞
実施例３の有機ハイドライド製造装置は、電解質膜とアノードとの間のギャップを０．２ｍｍとしたこと以外は、実施例２と同様な構成である（表１参照）。
実施例３の有機ハイドライド製造装置は、電解質膜とアノードとの間のギャップを０．２ｍｍとしたこと以外は、実施例２と同様な構成である（表１参照）。
＜実施例４＞
実施例４の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離６．０ｍｍ、長目方向中心間距離１０ｍｍ、板厚０．６ｍｍ、刻み幅１．０ｍｍ、開口率６０％のエキスパンドメッシュを使用し、電解質膜とアノードとの間のギャップを０．０２ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
実施例４の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離６．０ｍｍ、長目方向中心間距離１０ｍｍ、板厚０．６ｍｍ、刻み幅１．０ｍｍ、開口率６０％のエキスパンドメッシュを使用し、電解質膜とアノードとの間のギャップを０．０２ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
＜比較例１＞
比較例１となる有機ハイドライド製造装置は、アノードとして日本べカルト社製Ｔｉ繊維焼結シートにＩｒＯ２をコーティングした電極を用いたことを除いて実施例１の有機ハイドライド製造装置と同様な構成とした。Ｔｉ焼結シートの多孔度は６５％、平均孔径は約３０ｍｍである。
比較例１となる有機ハイドライド製造装置は、アノードとして日本べカルト社製Ｔｉ繊維焼結シートにＩｒＯ２をコーティングした電極を用いたことを除いて実施例１の有機ハイドライド製造装置と同様な構成とした。Ｔｉ焼結シートの多孔度は６５％、平均孔径は約３０ｍｍである。
＜比較例２＞
比較例２の有機ハイドライド製造装置は、アノードスペーサーを設けず、電解質膜とアノードとを密着させたこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
比較例２の有機ハイドライド製造装置は、アノードスペーサーを設けず、電解質膜とアノードとを密着させたこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
＜比較例３＞
比較例３の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離３．０ｍｍ、長目方向中心間距離３．５ｍｍ、板厚１．０ｍｍ、刻み幅１．１ｍｍ、開口率２０％のエキスパンドメッシュを使用したこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
比較例３の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離３．０ｍｍ、長目方向中心間距離３．５ｍｍ、板厚１．０ｍｍ、刻み幅１．１ｍｍ、開口率２０％のエキスパンドメッシュを使用したこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
＜比較例４＞
比較例４の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離８．０ｍｍ、長目方向中心間距離１２ｍｍ、板厚１．０ｍｍ、刻み幅１．１ｍｍ、開口率７１％のエキスパンドメッシュを使用したこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
比較例４の有機ハイドライド製造装置は、アノード基板として、短目方向中心間距離８．０ｍｍ、長目方向中心間距離１２ｍｍ、板厚１．０ｍｍ、刻み幅１．１ｍｍ、開口率７１％のエキスパンドメッシュを使用したこと以外は、実施例１と同様な構成である（表１参照）。
＜比較例５＞
比較例５の有機ハイドライド製造装置は、電解質膜とアノードとの間のギャップを１．０ｍｍとしたこと以外は、実施例２と同様な構成である（表１参照）。
比較例５の有機ハイドライド製造装置は、電解質膜とアノードとの間のギャップを１．０ｍｍとしたこと以外は、実施例２と同様な構成である（表１参照）。
（性能評価）
図３に、定電圧電源によりアノードとカソードとの間に１．７Ｖを印加したときの実施例１の有機ハイドライド製造装置における電流密度の経時変化と定電圧電源によりアノードとカソードとの間に１．７５Ｖを印加したときの比較例１の有機ハイドライド製造装置における電流密度の経時変化を示す。実施例１の方が比較例１よりアノードとカソードとの間の電圧が低いにもかかわらず、比較例１より高い電流密度が得られた。また、比較例１では初期に大きな電圧低下が認められ、試験終了後の観察から、Ｔｉ繊維焼結シート内に気泡の残留が認められた。このことから、実施例１は比較例１に比べて、アノード側で発生する酸素ガスが電極近傍に滞留することなく上部へ抜けるために、主としてアノード側ガスブロッキングに伴う過電圧上昇が起こらず、低い極間電圧でも高い電流密度が得られたと考察できる。また、実施例１において、カソード側の電位が不安定になることによる瞬時的な水素発生（有機物還元に対するファラデー効率の低下）は見られず、電解反応中のアノード状態が良好であることによって、カソード反応も好ましく進行していることが確認された。
図３に、定電圧電源によりアノードとカソードとの間に１．７Ｖを印加したときの実施例１の有機ハイドライド製造装置における電流密度の経時変化と定電圧電源によりアノードとカソードとの間に１．７５Ｖを印加したときの比較例１の有機ハイドライド製造装置における電流密度の経時変化を示す。実施例１の方が比較例１よりアノードとカソードとの間の電圧が低いにもかかわらず、比較例１より高い電流密度が得られた。また、比較例１では初期に大きな電圧低下が認められ、試験終了後の観察から、Ｔｉ繊維焼結シート内に気泡の残留が認められた。このことから、実施例１は比較例１に比べて、アノード側で発生する酸素ガスが電極近傍に滞留することなく上部へ抜けるために、主としてアノード側ガスブロッキングに伴う過電圧上昇が起こらず、低い極間電圧でも高い電流密度が得られたと考察できる。また、実施例１において、カソード側の電位が不安定になることによる瞬時的な水素発生（有機物還元に対するファラデー効率の低下）は見られず、電解反応中のアノード状態が良好であることによって、カソード反応も好ましく進行していることが確認された。
実施例２〜５、比較例２〜４の各有機ハイドライド製造装置について、定電圧電源によりアノードとカソードとの間に１．７Ｖを印加してから６０分経過後の電流密度を計測した。各有機ハイドライド製造装置について得られた電流密度を表１に示す。
実施例１〜４の各有機ハイドライド製造装置では、６０分経過後の電流密度が比較例１に比べて顕著に増大することが確認された。
比較例２のように、電解質膜とアノードとの間にギャップがない場合には、実施例１に比べて電流密度が低下することが確認された。
比較例３、４のように、エキスパンドメッシュの開口率が３０〜７０％の範囲から外れている場合には、十分な電流密度が得られないことが確認された。
比較例５のように、電解質膜とアノードとの間にギャップが１．０ｍｍになると、ギャップが広がりすぎ、十分な電流密度が得られないことが確認された。
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
１０ 有機ハイドライド製造装置、１１ 電解質膜、１２ アノード、１３ カソード触媒層、１４ カソード拡散層、１５ カソード−膜接合体、１６ａ 仕切り板、１６ｂ 仕切り板、１７ａ スペーサー、１７ｂ スペーサー、１９ 酸性電解液入口、２０ 酸性電解液出口、２１ 被水素化物入口、２２ 水素化物出口、２３ アノード支持用弾性体、２４ カソード支持体、２５ アノードスペーサー、２６ アノード室、２７ カソード室
本発明は、電気化学的に有機ハイドライドの水素化を行う有機ハイドライド製造装置に利用可能である。
Claims (5)
- プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面に設けられ、被水素化物を還元して水素化物を生成するための電解水素化触媒を含むカソードと、
前記カソードを収容し、被水素化物が供給されるカソード室と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられ、水を酸化してプロトンを生成する電極触媒を含むアノードと、
前記アノードを収容し、電解液が供給されるアノード室と、
を備え、
前記アノードと前記電解質膜との間にギャップが形成されていることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。 - 前記アノードが、開口率３０〜７０％の網目構造を有し、電子伝導体で形成された給電支持材料と、前記給電支持材料に保持された前記電極触媒と、を有する請求項１に記載の有機ハイドライド製造装置。
- 前記アノードが短目方向中心間距離が０．１〜４ｍｍ、長目方向中心間距離が０．１〜６ｍｍの菱形状の開口形状を有する請求項１または２に記載の有機ハイドライド製造装置。
- 前記ギャップは、０．０２〜０．２ｍｍである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の有機ハイドライド製造装置。
- 前記電解液が、２０℃で測定したイオン伝導度が０．０１Ｓ／ｃｍ以上の硫酸、リン酸、硝酸又は塩酸である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の有機ハイドライド製造装置。
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