JP2023128449A - Cathode, membrane electrode assembly and organic hydride production device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機ハイドライド製造装置のカソード、膜電極接合体及び有機ハイドライド製造装置に関する。 The present invention relates to a cathode for an organic hydride manufacturing device, a membrane electrode assembly, and an organic hydride manufacturing device.
地球温暖化の抑制のため、温室効果ガスを排出しない太陽光や風力といった再生可能エネルギーの利用の取組みが本格化している。太陽光エネルギーや風力エネルギーは、比較的に出力変動が大きいので、得られたエネルギーを貯蔵し必要な時に取り出す技術の進歩が求められている。
また、水素エネルギーは、温室効果ガスを排出しないので次世代エネルギーとして期待されており、水素の製造、水素の貯蔵、輸送、水素の利用について盛んに研究開発が行われている。ここに、水素の製造や水素の貯蔵に、再生可能エネルギーを利用すれば、シナジー効果が大きい。
In order to curb global warming, efforts to use renewable energies such as solar and wind power, which do not emit greenhouse gases, are gaining momentum. Since solar energy and wind energy have relatively large output fluctuations, there is a need for advances in technology for storing the obtained energy and extracting it when needed.
Furthermore, hydrogen energy is expected to be a next-generation energy because it does not emit greenhouse gases, and research and development are actively being conducted on hydrogen production, hydrogen storage, transportation, and hydrogen utilization. Here, if renewable energy is used for hydrogen production and hydrogen storage, there will be great synergy effects.
水素の貯蔵及び輸送の方法に関し、有機ハイドライドを利用した方法、すなわち、水素ガスをトルエン等の芳香族炭化水素と水素化反応させてメチルシクロヘキサン等の環状飽和炭化水素を得て、この環状飽和炭化水素の状態で貯蔵、輸送し、消費地で環状飽和炭化水素から触媒による脱水素反応により水素を発生させるようにした方法がある。有機ハイドライドを利用すれば、水素を有機ハイドライド、具体的にはメチルシクロヘキサン等といった液体の環状飽和炭化水素の状態で常温、常圧で輸送することができるので、取り扱いが容易で、大量輸送、供給が可能になると予想される。 Regarding the method of storing and transporting hydrogen, there is a method using organic hydride, that is, hydrogenation reaction of hydrogen gas with an aromatic hydrocarbon such as toluene to obtain a cyclic saturated hydrocarbon such as methylcyclohexane. There is a method in which hydrogen is stored and transported in the form of hydrogen, and hydrogen is generated from the cyclic saturated hydrocarbon at the point of consumption through a catalytic dehydrogenation reaction. If organic hydride is used, hydrogen can be transported in the form of an organic hydride, specifically a liquid cyclic saturated hydrocarbon such as methylcyclohexane, at room temperature and pressure, making it easy to handle and suitable for mass transportation and supply. It is expected that this will become possible.
有機ハイドライドを製造するのに、水を電気分解した水素を原料とするのではなく、水を原料とし、トルエン等の芳香族炭化水素を、水との電気化学反応により水素化してメチルシクロヘキサン等の環状飽和炭化水素を得る技術が開発された。この技術に用いられる有機化合物の水素化装置は、電解質を含む水を収容する酸化槽と、不飽和結合を有する有機化合物を収容する還元槽と、酸化槽と還元槽とを隔てるプロトン伝導性の電解質膜と、酸化槽内に配置され水からプロトンを生成する酸化極と、還元槽内に配置され不飽和結合を有する有機化合物を水素化する還元極とを備えている(例えば、特許文献1)。 To produce organic hydride, instead of using hydrogen obtained by electrolyzing water as a raw material, water is used as a raw material, and aromatic hydrocarbons such as toluene are hydrogenated through an electrochemical reaction with water to produce products such as methylcyclohexane. A technique for obtaining cyclic saturated hydrocarbons has been developed. The organic compound hydrogenation equipment used in this technology consists of an oxidation tank that contains water containing an electrolyte, a reduction tank that contains organic compounds with unsaturated bonds, and a proton conductive tank that separates the oxidation tank and reduction tank. It is equipped with an electrolyte membrane, an oxidizing electrode placed in an oxidizing tank to generate protons from water, and a reducing electrode placed in a reducing tank to hydrogenate organic compounds having unsaturated bonds (for example, Patent Document 1 ).
近年では、上述した水素化装置に改良が加えられた有機ハイドライド製造装置が提案された。かかる有機ハイドライド製造装置においては、プロトン伝導性の電解質膜と、この電解質膜の一方の側に設けられプロトンで被水素化物を水素化して有機ハイドライドを生成するカソード(還元極)と、この電解質膜の他方の側に設けられ水を酸化してプロトンを生成するアノード(酸化極)とが、一体的に組み合わされた膜電極接合体(MEA)が用いられるようになっている。
有機ハイドライド製造装置のカソードに関し、電解質膜側からカソード触媒層、マイクロポーラス層、拡散層をその順で備えているものがある(特許文献2)。
In recent years, an organic hydride production apparatus has been proposed which is an improved version of the hydrogenation apparatus described above. Such an organic hydride production apparatus includes a proton-conducting electrolyte membrane, a cathode (reducing electrode) provided on one side of the electrolyte membrane that hydrogenates a substance to be hydrided with protons to generate an organic hydride, and this electrolyte membrane. A membrane electrode assembly (MEA) is now being used in which an anode (oxidation electrode) is provided on the other side of the membrane electrode and which oxidizes water to generate protons.
Regarding the cathode of an organic hydride production apparatus, there is one that includes a cathode catalyst layer, a microporous layer, and a diffusion layer in that order from the electrolyte membrane side (Patent Document 2).
有機ハイドライド製造装置において電力効率向上の要求は止むことがなく、従来よりも有機ハイドライドを電力効率良く製造することが求められている。 There is a constant demand for improved power efficiency in organic hydride production equipment, and it is required to produce organic hydride with higher power efficiency than ever before.
本発明は、上記要求に応えるべくなされたものであり、有機ハイドライドを電力効率良く製造することのできる有機ハイドライド製造装置のカソード、そのカソードを備える膜電極接合体及び有機ハイドライド製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to the above requirements, and provides a cathode for an organic hydride production device that can produce organic hydride with high power efficiency, a membrane electrode assembly equipped with the cathode, and an organic hydride production device. With the goal.
上記目的を達成するため、本発明のカソードは、有機ハイドライド製造装置のカソードであって、電解質膜側からカソード触媒層、マイクロポーラス層、拡散層をその順で備え、前記マイクロポーラス層は、親水性多孔質酸化物を含むことを特徴とする。
本発明のカソードは、親水性多孔質酸化物が、珪藻土を含むものとすることができる。
本発明の膜電極接合体は、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た前記カソードと、を備えることを特徴とする。
本発明の有機ハイドライド製造装置は、前記カソードあるいは前記膜電極接合体を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the cathode of the present invention is a cathode for an organic hydride production apparatus, and includes a cathode catalyst layer, a microporous layer, and a diffusion layer in that order from the electrolyte membrane side, and the microporous layer is a hydrophilic layer. It is characterized by containing a porous oxide.
In the cathode of the present invention, the hydrophilic porous oxide may include diatomaceous earth.
The membrane electrode assembly of the present invention is characterized by comprising an electrolyte membrane having proton conductivity and the cathode provided on one side of the electrolyte membrane.
The organic hydride production apparatus of the present invention is characterized by comprising the cathode or the membrane electrode assembly.
本発明のカソードによれば、有機ハイドライド製造装置において有機ハイドライドを電力効率良く製造することができる。 According to the cathode of the present invention, organic hydride can be manufactured with high power efficiency in an organic hydride manufacturing apparatus.
以下、本発明の有機ハイドライド製造装置のカソード、膜電極接合体、有機ハイドライド製造装置の実施形態を、図面に基づいて説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiments of a cathode, a membrane electrode assembly, and an organic hydride manufacturing apparatus of the present invention will be described based on the drawings.
図1に、本発明の有機ハイドライド製造装置の要部の模式図を示す。図1において電解セル1は、プロトン導電性を有する電解質膜10と、この電解質膜10の一方の側で、当該電解質膜10に接して設けられたカソード20と、この電解質膜10の他方の側で、当該電解質膜10に接して設けられたアノード30とを備えている。図示しない直流電源の正極は、アノード30の端子(図示せず)に電気的に接続され、直流電源の負極は、カソード20の端子(図示せず)に電気的に接続されて、アノード30とカソード20との間に所定の電圧が印加されるようになっている。電力調整のための参照電極が電解質膜10に接続されていてもよい。 FIG. 1 shows a schematic diagram of the main parts of the organic hydride production apparatus of the present invention. In FIG. 1, an electrolytic cell 1 includes an electrolyte membrane 10 having proton conductivity, a cathode 20 provided in contact with the electrolyte membrane 10 on one side of the electrolyte membrane 10, and a cathode 20 on the other side of the electrolyte membrane 10. and an anode 30 provided in contact with the electrolyte membrane 10. A positive electrode of a DC power source (not shown) is electrically connected to a terminal (not shown) of the anode 30, and a negative electrode of the DC power source is electrically connected to a terminal (not shown) of the cathode 20. A predetermined voltage is applied between the cathode 20 and the cathode 20. A reference electrode for power adjustment may be connected to the electrolyte membrane 10.
アノード30には、電解質を含む水が流路34を通して流通され(図中に矢印で水の流動方向を示す。)、水を電気化学的に酸化し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10を通してカソード20に移動する。カソード20には電解セル1で水素化される被水素化物、具体的には不飽和結合を有する有機化合物(図1ではトルエン)が流路24を通して流通され(図中に矢印で被水素化物の流動方向を示す。)、電解質膜10を通して移動したプロトンにより電気化学的に還元されて水素化される。 Water containing an electrolyte is passed through the anode 30 through a channel 34 (arrows in the figure indicate the direction of water flow), and the water is electrochemically oxidized to generate protons. The generated protons move to the cathode 20 through the electrolyte membrane 10. A hydrogenated substance to be hydrogenated in the electrolytic cell 1, specifically an organic compound having an unsaturated bond (toluene in FIG. (indicates the direction of flow), is electrochemically reduced and hydrogenated by protons that have moved through the electrolyte membrane 10.
[カソード]
カソード20は、電解質膜10に接している側から順に、カソード触媒層21、マイクロポーラス層22及び拡散層23を備え、拡散層23に接続する流路24が設けられている。本発明は、マイクロポーラス層22に親水性多孔質酸化物を含む。以下、カソード20のカソード触媒層21、マイクロポーラス層22及び拡散層23について説明する。
[Cathode]
The cathode 20 includes a cathode catalyst layer 21, a microporous layer 22, and a diffusion layer 23 in this order from the side in contact with the electrolyte membrane 10, and a flow path 24 connected to the diffusion layer 23 is provided. The present invention includes a hydrophilic porous oxide in the microporous layer 22. The cathode catalyst layer 21, microporous layer 22, and diffusion layer 23 of the cathode 20 will be explained below.
カソード触媒層21は、電解質膜10から移動したプロトンで被水素化物を水素化して有機ハイドライドを生成するための還元触媒を含む。図1において符号21aで還元触媒を示している。還元触媒は、例えばPt、Ru、Pd、Ir及びこれらの金属のうちの少なくとも1種を含む合金からなる群から選択される粒子を用いることができる。還元触媒は、市販品を用いてもよいし、公知の方法に従って合成したものを用いてもよい。また、還元触媒は、上述したPt、Ru、Pd、Irのうちの少なくとも1種の貴金属と、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ru、Sn、W、Re、Pb、Biから選択される少なくとも1種との合金又は金属間化合物などからなる粒子を用いることもできる。還元触媒の平均粒径は、好ましくは1nm~1μmであり、より好ましくは1nm~5nmである。還元触媒の平均粒径を1μm以下とすることで、触媒重量当たりの表面積を増加させて反応を良好にすることができる。また、還元触媒の平均粒径を1nm以上とすることで、触媒粒子同士の凝集により耐久性が低下することを抑制することができる。 The cathode catalyst layer 21 includes a reduction catalyst for hydrogenating a hydride with protons transferred from the electrolyte membrane 10 to generate an organic hydride. In FIG. 1, the reference numeral 21a indicates a reduction catalyst. As the reduction catalyst, particles selected from the group consisting of, for example, Pt, Ru, Pd, Ir, and alloys containing at least one of these metals can be used. As the reduction catalyst, a commercially available product may be used, or one synthesized according to a known method may be used. Further, the reduction catalyst includes at least one noble metal selected from the above-mentioned Pt, Ru, Pd, and Ir, and Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ru, Sn, W, Re, and Pb. It is also possible to use particles made of an alloy or an intermetallic compound with at least one selected from , Bi, and the like. The average particle size of the reduction catalyst is preferably 1 nm to 1 μm, more preferably 1 nm to 5 nm. By setting the average particle size of the reduction catalyst to 1 μm or less, the surface area per weight of the catalyst can be increased and the reaction can be improved. Further, by setting the average particle size of the reduction catalyst to 1 nm or more, it is possible to suppress a decrease in durability due to aggregation of catalyst particles.
還元触媒は、電子伝導性材料で構成される触媒担体によって担持されている。還元触媒が触媒担体に担持されることで、カソード触媒層21の表面積を拡大することができるとともに、還元触媒の凝集を抑制することができる。触媒担体材料の電子伝導度は、好ましくは1.0×10-2S/cm以上である。電子伝導性材料の電子伝導度を1.0×10-2S/cm以上とすることで、カソード触媒層21に対してより確実に電子伝導性を付与することができる。 The reduction catalyst is supported by a catalyst carrier made of an electron-conductive material. By supporting the reduction catalyst on the catalyst carrier, the surface area of the cathode catalyst layer 21 can be expanded, and aggregation of the reduction catalyst can be suppressed. The electron conductivity of the catalyst support material is preferably 1.0×10 −2 S/cm or more. By setting the electron conductivity of the electron conductive material to 1.0×10 −2 S/cm or more, electron conductivity can be more reliably imparted to the cathode catalyst layer 21.
触媒担体は、例えば多孔性カーボン(メソポーラスカーボンなど)、多孔性金属、多孔性金属酸化物のいずれかを主成分として含有する電子伝導性材料を挙げることができる。多孔性カーボンとしては、例えばケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、ファーネスブラック、バルカン(登録商標)などのカーボンブラックが挙げられる。 Examples of the catalyst carrier include an electron conductive material containing as a main component any one of porous carbon (such as mesoporous carbon), porous metal, and porous metal oxide. Examples of porous carbon include carbon blacks such as Ketjenblack (registered trademark), acetylene black, furnace black, and Vulcan (registered trademark).
多孔性カーボンは、窒素吸着法で測定したBET比表面積が、好ましくは50m2/g~1500m2/gであり、より好ましくは500m2/g~1300m2/gであり、さらに好ましくは700m2/g~1000m2/gである。多孔性カーボンのBET比表面積が50m2/g以上であることにより、還元触媒を均一に担持し易く、また、被水素化物をより確実に拡散させることができる。また、多孔性カーボンのBET比表面積が1500m2/g以下であることにより、被水素化物の反応時や、有機ハイドライド製造装置の起動時又は停止時に、触媒担体の劣化を抑制することができ、ひいては、触媒担体が十分な耐久性を有することになる。触媒担体として用いられるカーボンブラック等の炭素微粒子の平均粒径は、好ましくは0.01μm~1μmである。 The BET specific surface area of the porous carbon measured by the nitrogen adsorption method is preferably 50 m 2 /g to 1500 m 2 /g, more preferably 500 m 2 / g to 1300 m 2 /g, and even more preferably 700 m 2 /g to 1000m 2 /g. When the BET specific surface area of the porous carbon is 50 m 2 /g or more, the reduction catalyst can be easily supported uniformly, and the hydrogenated product can be more reliably diffused. In addition, since the BET specific surface area of the porous carbon is 1500 m 2 /g or less, deterioration of the catalyst carrier can be suppressed during the reaction of the hydride or when starting or stopping the organic hydride production equipment. As a result, the catalyst carrier will have sufficient durability. The average particle size of carbon fine particles such as carbon black used as a catalyst carrier is preferably 0.01 μm to 1 μm.
多孔性金属は、例えばPtブラック、Pdブラック、フラクタル状に析出させたPt金属などが挙げられる。多孔性金属酸化物としては、例えばTi、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの酸化物が挙げられる。さらに、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wなどの金属の窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、部分酸化した炭窒化物といった、多孔性の金属化合物(以下では適宜、多孔性金属炭窒化物等と呼ぶ)も用いることができる。多孔性金属、多孔性金属酸化物及び多孔性金属炭窒化物等は、窒素吸着法で測定したBET比表面積が、好ましくは1m2/g以上であり、より好ましくは3m2/g以上であり、さらに好ましくは10m2/g以上である。多孔性金属、多孔性金属酸化物及び多孔性金属炭窒化物等のBET比表面積を1m2/g以上とすることで、還元触媒を均一に担持し易い。 Porous metals include, for example, Pt black, Pd black, and fractal-precipitated Pt metal. Examples of porous metal oxides include oxides of Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. Furthermore, porous metal compounds (hereinafter, as appropriate, Porous metal carbonitrides, etc.) can also be used. The BET specific surface area of the porous metal, porous metal oxide, porous metal carbonitride, etc. measured by a nitrogen adsorption method is preferably 1 m 2 /g or more, more preferably 3 m 2 /g or more. , more preferably 10 m 2 /g or more. By setting the BET specific surface area of the porous metal, porous metal oxide, porous metal carbonitride, etc. to 1 m 2 /g or more, the reduction catalyst can be easily supported uniformly.
還元触媒を担持した触媒担体は、通常、アイオノマーで被覆される。これにより、カソード20のイオン伝導性を向上させることができる。アイオノマーは、例えばナフィオン(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等を挙げることができる。アイオノマーのイオン交換容量(IEC)は、好ましくは0.7~3meq/gであり、より好ましくは1~2.5meq/gであり、さらに好ましくは1.2~2meq/gである。触媒担体が多孔性カーボンである場合における、アイオノマー(I)と触媒担体(C)との質量比I/Cは、好ましくは0.1~2であり、より好ましくは0.2~1.5であり、さらに好ましくは0.3~1.1である。質量比I/Cが0.1以上であることにより、十分なイオン伝導性をより確実に得ることができる。一方、質量比I/Cが2以下であることで、還元触媒に対するアイオノマーの被覆厚みが過剰になることを抑制して、被水素化物の触媒活性点への接触が阻害されることを回避することができる。 The catalyst carrier supporting the reduction catalyst is usually coated with an ionomer. Thereby, the ionic conductivity of the cathode 20 can be improved. Examples of the ionomer include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark). The ion exchange capacity (IEC) of the ionomer is preferably 0.7 to 3 meq/g, more preferably 1 to 2.5 meq/g, and still more preferably 1.2 to 2 meq/g. When the catalyst carrier is porous carbon, the mass ratio I/C of the ionomer (I) to the catalyst carrier (C) is preferably 0.1 to 2, more preferably 0.2 to 1.5. and more preferably 0.3 to 1.1. When the mass ratio I/C is 0.1 or more, sufficient ionic conductivity can be obtained more reliably. On the other hand, by having a mass ratio I/C of 2 or less, the coating thickness of the ionomer on the reduction catalyst is suppressed from becoming excessive, and contact of the hydride to the catalyst active site is prevented from being inhibited. be able to.
なお、アイオノマーは、還元触媒を部分的に被覆していることが好ましい。部分的に被覆していることにより、カソード触媒層21における電気化学反応に必要な被水素化物、プロトン及び電子の3要素を効率的に反応場に供給することができる。 Note that the ionomer preferably partially covers the reduction catalyst. By partially covering the cathode catalyst layer 21, the three elements necessary for the electrochemical reaction in the cathode catalyst layer 21, ie, the hydride, protons, and electrons, can be efficiently supplied to the reaction field.
カソード触媒層21の厚さは、好ましくは1~100μmであり、より好ましくは5~30μmである。カソード触媒層21の厚さが増加すると、プロトンの移動抵抗が増大するだけでなく、被水素化物の拡散性も低下する。このため、カソード触媒層21の厚さは、上述した範囲で調整することが望ましい。 The thickness of the cathode catalyst layer 21 is preferably 1 to 100 μm, more preferably 5 to 30 μm. When the thickness of the cathode catalyst layer 21 increases, not only the resistance to proton movement increases, but also the diffusivity of hydrides decreases. For this reason, it is desirable to adjust the thickness of the cathode catalyst layer 21 within the above-mentioned range.
カソード触媒層21は、例えば以下の方法により作製することができる。
まず、触媒成分粉末と、ガス透過性材料である疎水性樹脂(フッ素成分)と、水と、ナフサ等の溶剤と、アイオノマー(例えばナフィオン(登録商標)分散液DE521(デュポン社製))とを混合する。アイオノマーの添加量は、乾燥後のアイオノマーの質量と触媒成分粉末中のカーボン質量との比率が1:10~10:1となる量であることが好ましい。疎水性樹脂は粉末状であり、その粒径は好ましくは0.005~10μmである。得られた混合物に適宜溶媒を添加して、触媒インクを調製する。
The cathode catalyst layer 21 can be produced, for example, by the following method.
First, a catalyst component powder, a hydrophobic resin (fluorine component) which is a gas permeable material, water, a solvent such as naphtha, and an ionomer (for example, Nafion (registered trademark) dispersion DE521 (manufactured by DuPont)) are mixed. Mix. The amount of the ionomer added is preferably such that the ratio of the mass of the ionomer after drying to the mass of carbon in the catalyst component powder is 1:10 to 10:1. The hydrophobic resin is in powder form, and its particle size is preferably 0.005 to 10 μm. A catalyst ink is prepared by appropriately adding a solvent to the obtained mixture.
次に、得られた触媒インクを、マイクロポーラス層22の表面上に塗布し、乾燥させた後にホットプレスして、カソード触媒層21をマイクロポーラス層22に固着させる。ホットプレスは、上述の塗布及び乾燥を複数回に分けて行った後に実施することが好ましい。このような触媒インクの塗布、乾燥、ホットプレスにより、均質なカソード触媒層21を得ることができる。 Next, the obtained catalyst ink is applied onto the surface of the microporous layer 22, dried, and then hot pressed to fix the cathode catalyst layer 21 to the microporous layer 22. It is preferable to carry out hot pressing after the above-mentioned application and drying are performed in multiple steps. A homogeneous cathode catalyst layer 21 can be obtained by applying such catalyst ink, drying, and hot pressing.
なお、カソード触媒層21は、電解質膜10上に形成してもよい。例えば、バーコーターを用いて電解質膜10の一方の主表面に触媒インクを塗布することで、カソード触媒層21と電解質膜10の複合体を作製することができる。また、スプレー塗布により電解質膜10の一方の主表面に触媒インクを吹き付け、触媒インク中の溶剤成分を乾燥させることで、カソード触媒層21と電解質膜10の複合体を作製することができる。触媒インクは、カソード触媒層21中の還元触媒21aの質量が、電極面積あたり0.5mg/cm2となるように塗布することが好ましい。 Note that the cathode catalyst layer 21 may be formed on the electrolyte membrane 10. For example, a composite of the cathode catalyst layer 21 and the electrolyte membrane 10 can be produced by applying catalyst ink to one main surface of the electrolyte membrane 10 using a bar coater. Further, a composite of the cathode catalyst layer 21 and the electrolyte membrane 10 can be prepared by spraying the catalyst ink onto one main surface of the electrolyte membrane 10 and drying the solvent component in the catalyst ink. The catalyst ink is preferably applied so that the mass of the reduction catalyst 21a in the cathode catalyst layer 21 is 0.5 mg/cm 2 per electrode area.
マイクロポーラス層22は、カソード触媒層21の電解質膜10とは反対側の主表面に接するように設けられている。また、拡散層23は、マイクロポーラス層22のカソード触媒層21とは反対側の主表面に接するように設けられている。 Microporous layer 22 is provided so as to be in contact with the main surface of cathode catalyst layer 21 on the side opposite to electrolyte membrane 10 . Furthermore, the diffusion layer 23 is provided so as to be in contact with the main surface of the microporous layer 22 on the side opposite to the cathode catalyst layer 21 .
マイクロポーラス層22は、液体の被水素化物及び有機ハイドライドの、カソード触媒層21の面方向への拡散を促す機能を有する。マイクロポーラス層22は、導電性粉末と撥水剤を含む基本組成を有している。 The microporous layer 22 has a function of promoting diffusion of liquid hydride and organic hydride in the surface direction of the cathode catalyst layer 21 . The microporous layer 22 has a basic composition including conductive powder and a water repellent.
導電性粉末としては、例えばバルカン(登録商標)等の導電性カーボンを用いることができる。撥水剤としては、例えば四フッ化エチレン樹脂(PTFE)などのフッ素系樹脂を用いることができる。導電性粉末と撥水剤の割合は、所望の導電性及び撥水性が得られる範囲内で適宜定められる。一例として、導電性粉末としてバルカン(登録商標)を用い、撥水剤としてPTFEを用いた場合の質量比(バルカン:PTFE)は、例えば4:1~1:1である。なお、マイクロポーラス層22は、拡散層23と同様にカーボンクロスやカーボンペーパ等で構成することもできる。 As the conductive powder, for example, conductive carbon such as Vulcan (registered trademark) can be used. As the water repellent, for example, a fluororesin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) can be used. The ratio of the conductive powder to the water repellent is appropriately determined within a range that provides desired conductivity and water repellency. As an example, when Vulcan (registered trademark) is used as the conductive powder and PTFE is used as the water repellent, the mass ratio (Vulcan:PTFE) is, for example, 4:1 to 1:1. Note that the microporous layer 22 can also be made of carbon cloth, carbon paper, etc., like the diffusion layer 23.
従来のカソードは、マイクロポーラス層22が、上述した導電性粉末と撥水剤からなるものであった。これに対して、本発明のカソード20は、導電性粉末と撥水剤に加えて、親水性多孔質酸化物を含む。図1において、符号22aで親水性多孔質酸化物を示している。 In the conventional cathode, the microporous layer 22 was made of the above-mentioned conductive powder and water repellent. In contrast, the cathode 20 of the present invention includes a hydrophilic porous oxide in addition to the conductive powder and the water repellent. In FIG. 1, the reference numeral 22a indicates a hydrophilic porous oxide.
図2を用いて、親水性多孔質酸化物を含むマイクロポーラス層22の作用効果を説明する。なお、図2において図1と同じ部材については同じ符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。また図2は、カソード20側の流路24,アノード30側の流路34については図示を省略しているが、拡散層23には非水素化物が流通するものとし、アノード触媒層31には電解質を含む水が流通するものとする。 The effects of the microporous layer 22 containing a hydrophilic porous oxide will be explained using FIG. 2. Note that in FIG. 2, the same members as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant explanation will be omitted below. Although FIG. 2 omits illustration of the flow path 24 on the cathode 20 side and the flow path 34 on the anode 30 side, it is assumed that non-hydride flows in the diffusion layer 23 and in the anode catalyst layer 31. It is assumed that water containing electrolytes is distributed.
本発明者らの研究によれば、従来のカソードにおいては、有機ハイドライド製造装置の運転時に、アノード30からプロトンと共に水(随伴水)が移動し、このカソード側に移動した水は、カソード触媒層21において蓄積していた。水がカソード触媒層21に蓄積することにより、液体の被水素化物は、カソード触媒層21への供給が阻害され、その結果、電力効率が低下していたことが判明した。 According to the research of the present inventors, in the conventional cathode, water (produced water) moves from the anode 30 together with protons during operation of the organic hydride production apparatus, and this water that moves to the cathode side is transferred to the cathode catalyst layer. It was accumulated in 21. It was found that the accumulation of water in the cathode catalyst layer 21 inhibited the supply of the liquid hydrogenated product to the cathode catalyst layer 21, resulting in a decrease in power efficiency.
そこで本発明者らは、カソード触媒層21に随伴水が蓄積するのを抑制するために鋭意研究を重ねた結果、マイクロポーラス層22が、親水性の親水性多孔質酸化物22aを含むことより、随伴水による電力効率の低下を防止し、電力効率を向上させることができることを見出した。 Therefore, as a result of intensive research to suppress the accumulation of accompanying water in the cathode catalyst layer 21, the present inventors found that the microporous layer 22 contains a hydrophilic porous oxide 22a. It was discovered that it is possible to prevent a decrease in power efficiency due to produced water and improve power efficiency.
マイクロポーラス層22が、親水性の親水性多孔質酸化物22aを含むことにより電力効率を向上できる理由は、親水性多孔質酸化物がマイクロポーラス層22の一部を親水化し、水(随伴水)の排出パスを形成する結果、随伴水により、従来のように被水素化物(例えば、トルエン)のカソード触媒層21への供給が阻害されるのを防止し、供給を改善することができ、その結果、電流効率が向上したものと推測される。 The reason why the microporous layer 22 can improve power efficiency by including the hydrophilic porous oxide 22a is that the hydrophilic porous oxide makes a part of the microporous layer 22 hydrophilic, and water (associated water ), it is possible to prevent the supply of the hydride (for example, toluene) to the cathode catalyst layer 21 from being inhibited by the associated water as in the past, and improve the supply. As a result, it is presumed that the current efficiency improved.
親水性多孔質酸化物22aは、例えば、珪藻土、ゼオライト、メソポーラスシリカ、ベントナイトなどを挙げることができる。
親水性多孔質酸化物22aの粒径は、0.5~10μmの範囲とすることが好ましい。二次粒子含め、粒径が0.5μm以上であることにより水の排出パスを確実に形成することができる。粒径が10μm以下であることにより、マイクロポーラス層22の平均流量細孔径に悪影響を及ぼすことなく水の排出パスを形成することができる。より好ましい粒径は1.0~5.0μmである。
Examples of the hydrophilic porous oxide 22a include diatomaceous earth, zeolite, mesoporous silica, and bentonite.
The particle size of the hydrophilic porous oxide 22a is preferably in the range of 0.5 to 10 μm. By having a particle size of 0.5 μm or more including secondary particles, a water discharge path can be reliably formed. By having a particle size of 10 μm or less, a water discharge path can be formed without adversely affecting the average flow rate pore size of the microporous layer 22. A more preferable particle size is 1.0 to 5.0 μm.
親水性多孔質酸化物22aは、マイクロポーラス層全体に対して5~15質量%の範囲で含むことが好ましい。5質量%以上で十分な水の排出パス量を形成することができる。15質量%以下で十分な電流効率向上が得られる。より好ましい含有割合は5~10質量%であり、さらに好ましい含有割合は7~9質量%である。 The hydrophilic porous oxide 22a is preferably contained in an amount of 5 to 15% by mass based on the entire microporous layer. If the amount is 5% by mass or more, a sufficient water discharge path amount can be formed. A sufficient improvement in current efficiency can be obtained with a content of 15% by mass or less. A more preferred content ratio is 5 to 10% by mass, and an even more preferred content ratio is 7 to 9% by mass.
マイクロポーラス層22は、上述した、導電性粉末と撥水剤と親水性多孔質酸化物とを混練したペーストを、拡散層23の表面に塗布し、乾燥させることで形成することができる。 The microporous layer 22 can be formed by applying a paste prepared by kneading the above-mentioned conductive powder, water repellent, and hydrophilic porous oxide onto the surface of the diffusion layer 23 and drying it.
マイクロポーラス層22の平均流量細孔径(dm)は、ホットプレス後において、好ましくは100nm~20μmであり、より好ましくは500nm~5μmである。マイクロポーラス層22の平均流量細孔径は、水銀ポロシメーター等で測定することができる。平均流量細孔径を100nm以上とすることで、細孔の壁面と液体の被水素化物及び有機ハイドライドの接触面積が過大となって拡散抵抗が増加することをより確実に抑制することができる。また、平均流量細孔径を20μm以下とすることで、毛管現象による液体の被水素化物及び有機ハイドライドの吸引が小さくなって流動性が低下することをより確実に抑制することができる。また、平均流量細孔径を100nm~20μmとすることで、毛管現象により液体の被水素化物及び有機ハイドライドをスムーズに吸引、排出することができる。 The average flow pore diameter (dm) of the microporous layer 22 after hot pressing is preferably 100 nm to 20 μm, more preferably 500 nm to 5 μm. The average flow rate pore diameter of the microporous layer 22 can be measured using a mercury porosimeter or the like. By setting the average flow rate pore diameter to 100 nm or more, it is possible to more reliably suppress an increase in diffusion resistance due to an excessive contact area between the wall surface of the pore and the liquid hydride and organic hydride. In addition, by setting the average flow rate pore diameter to 20 μm or less, it is possible to more reliably suppress the decrease in fluidity due to a decrease in suction of the liquid to be hydrogenated and organic hydride due to capillary action. Further, by setting the average flow rate pore diameter to 100 nm to 20 μm, liquid hydrogenated substances and organic hydrides can be smoothly sucked and discharged by capillary action.
また、マイクロポーラス層22の厚さは、好ましくは1~50μmであり、より好ましくは2~20μmである。なお、マイクロポーラス層22が拡散層23の表面よりも内部に落ち込むように形成されている場合には、拡散層23に潜っている部分を含めて、マイクロポーラス層22自体の膜厚の平均をマイクロポーラス層22の厚さと定義する。マイクロポーラス層22の表面には、金属成分を共存させてもよい。これにより、マイクロポーラス層22の電子伝導性が向上し、電流の均一化を図ることができる。 Further, the thickness of the microporous layer 22 is preferably 1 to 50 μm, more preferably 2 to 20 μm. Note that when the microporous layer 22 is formed so as to fall deeper into the interior than the surface of the diffusion layer 23, the average thickness of the microporous layer 22 itself, including the portion submerged in the diffusion layer 23, is It is defined as the thickness of the microporous layer 22. A metal component may coexist on the surface of the microporous layer 22. This improves the electronic conductivity of the microporous layer 22 and makes it possible to make the current uniform.
なお、マイクロポーラス層22と、後で詳しく説明する拡散層23とは、通常、それぞれ厚さ方向に圧力が加えられた状態で使用される。したがって、使用時の厚さ方向への加圧によって、それぞれの厚さ方向における導電性が変化することは好ましくない。このため、マイクロポーラス層22及び拡散層23は、予めプレス加工が施されることが好ましい。これにより、各層の炭素材料が圧縮されるため、各層の厚さ方向における導電性を高め、且つ安定させることができる。また、20~50%の充填率を安定的に有するカソード20を実現できる。 Note that the microporous layer 22 and the diffusion layer 23, which will be described in detail later, are normally used in a state where pressure is applied to each in the thickness direction. Therefore, it is not preferable that the conductivity in each thickness direction changes due to pressure applied in the thickness direction during use. For this reason, it is preferable that the microporous layer 22 and the diffusion layer 23 be pressed in advance. As a result, the carbon material in each layer is compressed, so that the conductivity in the thickness direction of each layer can be increased and stabilized. Furthermore, a cathode 20 having a stable filling rate of 20 to 50% can be realized.
また、カソード触媒層21とマイクロポーラス層22との接合度を向上させることも、カソード20の導電性向上に寄与する。また、当該接合度の向上によって、原料物質の供給能力と生成物質の除去能力とが向上する。カソード触媒層21をマイクロポーラス層22の表面上に形成する際に、ホットプレスを行うことは接合度の向上に寄与する。また、カソード触媒層21をマイクロポーラス層22の表面上に形成した後で、カソード触媒層21とマイクロポーラス層22とをプレス加工することもでき、これにより接合度の向上が期待できる。プレス加工装置としては、ホットプレス、ホットローラー等の公知の装置を利用することができる。また、プレス条件としては、温度:室温~360℃、圧力:0.1~5MPaが好ましい。 Furthermore, improving the degree of bonding between the cathode catalyst layer 21 and the microporous layer 22 also contributes to improving the conductivity of the cathode 20. Moreover, the improvement in the degree of bonding improves the ability to supply raw materials and the ability to remove produced substances. When forming the cathode catalyst layer 21 on the surface of the microporous layer 22, performing hot pressing contributes to improving the degree of bonding. Further, after the cathode catalyst layer 21 is formed on the surface of the microporous layer 22, the cathode catalyst layer 21 and the microporous layer 22 can be press-worked, and this can be expected to improve the degree of bonding. As the press processing device, known devices such as a hot press and a hot roller can be used. Further, as pressing conditions, temperature: room temperature to 360°C, pressure: 0.1 to 5 MPa are preferable.
拡散層23は、流路24から供給される液状の被水素化物をカソード触媒層21に均一に拡散させる機能を担う。拡散層23を構成する材料は、被水素化物に対して親和性が高いことが好ましい。拡散層23を構成する材料としては、例えば多孔性導電基材や繊維焼結体等が例示される。これらは、ガス及び液の供給や除去に適した多孔性を有し、且つ十分な電導性を保つことができるため好ましい。拡散層23は、好ましくは厚さが10~5000μmであり、空隙率が30~95%であり、代表的孔径が1~1000μmである。また、拡散層23を構成する材料の電子伝導度は、好ましくは10-2S/cm以上である。 The diffusion layer 23 has a function of uniformly diffusing the liquid hydrogenated substance supplied from the flow path 24 into the cathode catalyst layer 21 . It is preferable that the material constituting the diffusion layer 23 has a high affinity for the substance to be hydrogenated. Examples of the material constituting the diffusion layer 23 include a porous conductive base material, a fiber sintered body, and the like. These are preferred because they have porosity suitable for supplying and removing gas and liquid and can maintain sufficient electrical conductivity. The diffusion layer 23 preferably has a thickness of 10 to 5000 μm, a porosity of 30 to 95%, and a typical pore size of 1 to 1000 μm. Further, the electron conductivity of the material constituting the diffusion layer 23 is preferably 10 −2 S/cm or more.
拡散層23を構成する材料のより具体的な例としては、カーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパ等を挙げることができる。カーボンクロスは、数μmの径の細いカーボン繊維を数百本の束とし、この束を織布としたものである。また、カーボンペーパは、カーボン原料繊維を製紙法にて薄膜の前駆体とし、これを焼結したものである。 More specific examples of the material constituting the diffusion layer 23 include carbon woven cloth (carbon cloth), carbon nonwoven cloth, carbon paper, and the like. Carbon cloth is a bundle of several hundred carbon fibers with a diameter of several micrometers, and this bundle is made into a woven fabric. Further, carbon paper is obtained by using carbon raw material fibers as a thin film precursor using a paper manufacturing method and sintering this.
[アノード]
アノード30は、図1に示されるように、電解質膜10から見て、カソード20とは反対側に、電解質膜10の主表面に接して設けられている。アノード30は、アノード触媒層31を備え、アノード触媒層31に接続する流路34が設けられている。
[anode]
As shown in FIG. 1, the anode 30 is provided on the opposite side of the electrolyte membrane 10 from the cathode 20 and in contact with the main surface of the electrolyte membrane 10. The anode 30 includes an anode catalyst layer 31 and a flow path 34 connected to the anode catalyst layer 31.
アノード触媒層31は、電解質膜10の他方の主表面に接している。アノード触媒層31は、アノード液中の水を酸化してプロトンを生成するための触媒を含む層である。アノード触媒層31に含まれる触媒としては、例えばRu、Rh、Pd、Ir、Pt及びこれらの金属のうちの少なくとも1種を含む合金からなる群から選択される粒子を用いることができる。 Anode catalyst layer 31 is in contact with the other main surface of electrolyte membrane 10 . The anode catalyst layer 31 is a layer containing a catalyst for oxidizing water in the anode solution to generate protons. As the catalyst contained in the anode catalyst layer 31, for example, particles selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, and an alloy containing at least one of these metals can be used.
触媒は、電子伝導性を有する金属基材に分散担持、又はコーティングされてもよい。このような金属基材としては、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ta、Wなどの金属、あるいはこれらを主成分とする合金などで構成される、金属繊維(繊維径:例えば10~30μm)、メッシュ(メッシュ径:例えば500~1000μm)、金属多孔体の焼結体、発泡成型体(フォーム)、エキスパンドメタル等を挙げることができる。アノード触媒層31に用いる基材としては、電解に必要な電流を流すための十分な電気伝導性を有すること及び十分な機械的強度を有することの観点から、厚さ0.1~2mmの板状材料が好ましい。また、基材は、気泡による抵抗の増大を避けてアノード液の供給を促進するために、多孔体であるとともにアノード液に対する耐食性に優れることが好ましい。このような基材としては、チタン製のエキスパンドメッシュが汎用されている。エキスパンドメッシュは、短目方向中心間距離が好ましくは0.1~4mmであり、長目方向中心間距離が好ましくは0.1~4mmであり、開口率が好ましくは30~70%程度である。 The catalyst may be dispersed and supported on or coated on a metal substrate having electron conductivity. Such metal base materials include metals such as Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ta, and W, or alloys containing these as main components. Examples include metal fibers (fiber diameter: for example, 10 to 30 μm), mesh (mesh diameter: for example, 500 to 1000 μm), sintered bodies of porous metal bodies, foams, expanded metals, and the like. The base material used for the anode catalyst layer 31 is a plate with a thickness of 0.1 to 2 mm from the viewpoint of having sufficient electrical conductivity to flow the current necessary for electrolysis and sufficient mechanical strength. Preferably, the material is Further, the base material is preferably porous and has excellent corrosion resistance against the anolyte in order to avoid an increase in resistance due to air bubbles and promote the supply of the anolyte. As such a base material, expanded mesh made of titanium is commonly used. In the expanded mesh, the distance between the centers in the short direction is preferably 0.1 to 4 mm, the distance between the centers in the long direction is preferably 0.1 to 4 mm, and the aperture ratio is preferably about 30 to 70%. .
[膜電極接合体]
膜電極接合体40は、上述した電解質膜10と、カソード20と、アノード30とを備えている。カソード20は上述したようにマイクロポーラス層22に親水性多孔質酸化物22aを含み、これにより電流効率が向上している。
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly 40 includes the electrolyte membrane 10 described above, the cathode 20, and the anode 30. As described above, the cathode 20 includes the hydrophilic porous oxide 22a in the microporous layer 22, thereby improving current efficiency.
[電解セル]
電解セル1は、上述した膜電極接合体40と、当該膜電極接合体40を挟む一対のエンドプレートとを備えているものである。図1では、エンドプレートの記載を省略している。一対のエンドプレートの一つは、カソード20の流路24よりも膜電極接合体40から見て外側に配置され、一対のエンドプレートのもう一つはアノード30の流路34よりも膜電極接合体40から見て外側に配置される。カソード20側のエンドプレートは、カソード20の流路24の一部を構成する形状とすることができる。また、アノード30側のエンドプレートは、アノード30の流路34の一部を構成する形状とすることができる。
[Electrolytic cell]
The electrolytic cell 1 includes the membrane electrode assembly 40 described above and a pair of end plates sandwiching the membrane electrode assembly 40 therebetween. In FIG. 1, the illustration of the end plate is omitted. One of the pair of end plates is located outside the flow path 24 of the cathode 20 when viewed from the membrane electrode assembly 40, and the other of the pair of end plates is located outside of the flow path 34 of the anode 30 at the membrane electrode junction. It is arranged on the outside when viewed from the body 40. The end plate on the cathode 20 side can have a shape that constitutes a part of the channel 24 of the cathode 20. Further, the end plate on the anode 30 side can have a shape that constitutes a part of the flow path 34 of the anode 30.
[有機ハイドライド製造装置]
有機ハイドライド製造装置は、上記電解セル1を含む。また、カソード20に供給する被水素化物を貯蔵するカソード液タンク、カソード液タンクからカソード20に液を供給し有機ハイドライド及び未反応の被水素化物をカソード液タンクに回収するポンプ及び循環経路、循環経路の途中に設けられ有機ハイドライドと未反応の被水素化物とを分離する分離タンク、アノード30に供給する電解質を含む水を貯蔵するアノード液タンク、アノード30に液を供給し未反応の液をアノード液タンクに回収するポンプ及び循環経路、電解セル1に電圧を印加するための直流電源等を必要に応じて備えることができる。
[Organic hydride production equipment]
The organic hydride manufacturing apparatus includes the electrolytic cell 1 described above. In addition, a catholyte tank for storing the hydride to be supplied to the cathode 20, a pump and circulation path for supplying the liquid from the catholyte tank to the cathode 20 and recovering organic hydride and unreacted hydride to the catholyte tank, and circulation. A separation tank provided in the middle of the route to separate the organic hydride and unreacted hydride, an anolyte tank that stores water containing electrolyte to be supplied to the anode 30, and a tank that supplies the liquid to the anode 30 and removes the unreacted liquid. A pump and circulation path for recovering the anolyte into the anolyte tank, a DC power source for applying voltage to the electrolytic cell 1, and the like can be provided as necessary.
有機ハイドライド製造装置に用いられカソード20に供給される有機ハイドライドは、水素化反応/脱水素反応を可逆的に起こすことにより、水素を添加/脱離できる有機化合物であれば特に限定されず、アセトン-イソプロパノール系、ベンゾキノン-ヒドロキノン系、芳香族炭化水素系等広く用いることができる。これらの中で、エネルギー輸送時の運搬性、毒性、安全性、保存安定性等の観点から、また、体積あるいは質量当たりに輸送できる水素量、水素添加及び脱水素反応の容易性、ギブス自由エネルギー変化が著しく大きくない等のエネルギー変換効率の観点から、トルエン-メチルシクロヘキサン系に代表される芳香族炭化水素系が好ましい。 The organic hydride used in the organic hydride production apparatus and supplied to the cathode 20 is not particularly limited as long as it is an organic compound that can add/desorb hydrogen by reversibly causing a hydrogenation reaction/dehydrogenation reaction. -Isopropanol type, benzoquinone-hydroquinone type, aromatic hydrocarbon type, etc. can be widely used. Among these, from the viewpoint of transportability during energy transport, toxicity, safety, storage stability, etc., the amount of hydrogen that can be transported per volume or mass, the ease of hydrogenation and dehydrogenation reactions, and the Gibbs free energy. From the viewpoint of energy conversion efficiency such as not significantly changing, aromatic hydrocarbons such as toluene-methylcyclohexane are preferred.
有機ハイドライドの脱水素化体として用いられる芳香族炭化水素化合物は、少なくとも1つの芳香環を含む化合物であり、例えば、ベンゼン、アルキルベンゼン、ナフタレン、アルキルナフタレン、アントラセン、ジフェニルエタン等が挙げられる。アルキルベンゼンには、芳香環の1~4の水素原子が炭素数1~6の直鎖アルキル基又は分岐アルキル基で置換された化合物が含まれ、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン等が挙げられる。アルキルナフタレンには、芳香環の1~4の水素原子が炭素数1~6の直鎖アルキル基又は分岐アルキル基で置換された化合物が含まれ、例えばメチルナフタレン等が挙げられる。これらは単独で用いられても、組み合わせて用いられてもよい。芳香族炭化水素化合物は、好ましくはトルエン及びベンゼンの少なくとも一方である。なお、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、キノリン、イソキノリン、N-アルキルピロール、N-アルキルインドール、N-アルキルジベンゾピロール等の含窒素複素環式芳香族化合物も、脱水素化体として用いることができる。 The aromatic hydrocarbon compound used as a dehydrogenated organic hydride is a compound containing at least one aromatic ring, and examples thereof include benzene, alkylbenzene, naphthalene, alkylnaphthalene, anthracene, diphenylethane, and the like. Alkylbenzenes include compounds in which 1 to 4 hydrogen atoms in the aromatic ring are substituted with straight chain alkyl groups or branched alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms, such as toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, diethylbenzene, etc. Can be mentioned. Alkylnaphthalene includes compounds in which 1 to 4 hydrogen atoms in an aromatic ring are substituted with a straight chain alkyl group or a branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, such as methylnaphthalene. These may be used alone or in combination. The aromatic hydrocarbon compound is preferably at least one of toluene and benzene. Note that nitrogen-containing heteroaromatic compounds such as pyridine, pyrimidine, pyrazine, quinoline, isoquinoline, N-alkylpyrrole, N-alkylindole, and N-alkyldibenzopyrrole can also be used as the dehydrogenated product.
有機ハイドライド製造装置に用いられ、アノード30に供給される電解質を含む水は、イオン交換水、純水、あるいはこれらに硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等の酸を加えた水溶液等である。イオン伝導度は、20℃で測定して好ましくは0.01S/cm以上である。イオン伝導度を0.01S/cm以上とすることで、工業的に十分な電気化学反応を起こさせることができる。 The water containing electrolyte used in the organic hydride production apparatus and supplied to the anode 30 is ion-exchanged water, pure water, or an aqueous solution obtained by adding an acid such as sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, or hydrochloric acid to these water. The ionic conductivity is preferably 0.01 S/cm or more when measured at 20°C. By setting the ionic conductivity to 0.01 S/cm or more, an industrially sufficient electrochemical reaction can be caused.
[有機ハイドライドの製造方法]
有機ハイドライド製造装置を用いて有機ハイドライドを製造することができる。有機ハイドライド製造装置の電解セル1のカソード20におけるマイクロポーラス層22が親水性多孔質酸化物22aを含むので、電流効率良く有機ハイドライドを製造することができる。
[Method for producing organic hydride]
Organic hydride can be manufactured using an organic hydride manufacturing apparatus. Since the microporous layer 22 in the cathode 20 of the electrolytic cell 1 of the organic hydride production apparatus contains the hydrophilic porous oxide 22a, organic hydride can be produced with high current efficiency.
<マイクロポーラス層の作製>
マイクロポーラス層の原料として、
・ケッチェンブラック(ライオン株式会社製、EC-300J)を2g、1.78g
・珪藻土(株式会社エムピーバイオメディカルズ製、157607)を0.222g、0.444g
・ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル(富士フイルム和光純薬製、169-211-5)を18g、
それぞれ用意した。
上記の珪藻土は、0.222g及び0.444gの2種類を用意した。これは、マイクロポーラス層中の珪藻土の配合割合の相違による特性の相違を見るためである。この珪藻土の配合割合が8質量%及び16質量%になるように、ケッチェンブラックの量を調整した。
<Preparation of microporous layer>
As a raw material for microporous layer,
・2g and 1.78g of Ketjen Black (manufactured by Lion Corporation, EC-300J)
・0.222g, 0.444g of diatomaceous earth (manufactured by MP Biomedicals Co., Ltd., 157607)
・18 g of polyoxyethylene (10) octylphenyl ether (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 169-211-5),
Each was prepared.
Two types of diatomaceous earth, 0.222g and 0.444g, were prepared. This is to see the difference in properties due to the difference in the mixing ratio of diatomaceous earth in the microporous layer. The amount of Ketjenblack was adjusted so that the mixing ratio of diatomaceous earth was 8% by mass and 16% by mass.
これらの原料とジルコニアビーズ(φ5mm×40、φ10mm×8)とを、ポリテトラフルオロエチレン製の100mLボールミルポットに入れ、333rpmで20min、次いで227rpmで10minボールミルにかけた。
一度ポットを取り出し、
・PTFE分散液(三井デュポンフロロケミカル製、 31-JR)を0.92g
を加え,再度333rpmで20min、227rpmで10minボールミルをかけてペーストを得た。
These raw materials and zirconia beads (φ5 mm×40, φ10 mm×8) were placed in a 100 mL ball mill pot made of polytetrafluoroethylene, and subjected to ball milling at 333 rpm for 20 minutes and then at 227 rpm for 10 minutes.
Take out the pot once,
・0.92g of PTFE dispersion liquid (Mitsui DuPont Fluorochemical, 31-JR)
was added, and ball milled again at 333 rpm for 20 minutes and 227 rpm for 10 minutes to obtain a paste.
カソードの拡散層となるカーボンペーパ(東レ製、TGP-H-090H)を用意した。このカーボンペーパを、10.5×10.5cm2にカットし、10×10cm2の穴の開いた0.1mm厚のアルミ箔でマスクをして、上記のペーストをバーコータで塗布した。その後、乾燥機を用いて、60℃で60min乾燥させた。 Carbon paper (manufactured by Toray Industries, Ltd., TGP-H-090H) was prepared as a diffusion layer of the cathode. This carbon paper was cut into a size of 10.5 x 10.5 cm2 , masked with a 0.1 mm thick aluminum foil with a hole of 10 x 10 cm2 , and the above paste was applied using a bar coater. Thereafter, it was dried at 60° C. for 60 minutes using a dryer.
このようにしてマイクロポーラス層を塗布形成したカーボンペーパをシャーレに入れ、ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテルを除去するために60~70mLのメタノールに20min浸漬させた。これを6回繰り返した。その後、乾燥機を用いて、50℃で30min乾燥させた。さらに、マッフル炉を用いて、300℃で5min乾燥させて珪藻土を含む実施例のマイクロポーラス層を作製した。
珪藻土量を異ならせた2種類のマイクロポーラス層中の珪藻土の割合は、それぞれ8質量%(実施例1)、16質量%(実施例2)であった。
The carbon paper coated with the microporous layer in this manner was placed in a Petri dish, and immersed in 60 to 70 mL of methanol for 20 minutes to remove polyoxyethylene (10) octylphenyl ether. This was repeated six times. Thereafter, it was dried at 50° C. for 30 minutes using a dryer. Furthermore, the microporous layer of the example containing diatomaceous earth was produced by drying at 300° C. for 5 minutes using a muffle furnace.
The proportions of diatomaceous earth in the two types of microporous layers with different amounts of diatomaceous earth were 8% by mass (Example 1) and 16% by mass (Example 2), respectively.
比較例として原料として珪藻土を用意せず、それ以外は上記マイクロポーラス層の作製工程と同じ原料、工程によりマイクロポーラス層を作製した。
従来例として市販のマイクロポーラス層付きカーボンペーパ(カーボンペーパ(東レ製、TGP-H-090H))、マイクロポーラス層(ケミックス製、撥水率20%(カーボン:ポリテトラフルオロエチレン=80%:20%))を用意した。
As a comparative example, a microporous layer was fabricated using the same raw materials and steps as the microporous layer fabrication process described above, except that diatomaceous earth was not prepared as a raw material.
Conventional examples include commercially available carbon paper with a microporous layer (carbon paper (manufactured by Toray Industries, TGP-H-090H)), microporous layer (manufactured by Chemix, water repellency 20% (carbon: polytetrafluoroethylene = 80%: 20) %)) was prepared.
<MEAの作製>
上記の実施例1、実施例2、比較例、従来例のマイクロポーラス層と、以下に述べるカソード触媒層と、電解質層とを重ねて密着させてMEAを作製した。
<Preparation of MEA>
The microporous layers of Example 1, Example 2, Comparative Example, and Conventional Example described above, the cathode catalyst layer described below, and the electrolyte layer were stacked and brought into close contact to produce an MEA.
(カソード触媒層の作製)
0.004g/mLのH2PtCl6・6H2O水溶液を2mLと、1-プロパノールとを、カーボンペーパに滴下し1h乾燥させた。
シャーレに0.04gのNaBH4を入れ、純水に溶かしシャーレの8割ほどの高さまで純水を加え、これにカーボンペーパを浸漬させ、2h放置した。純水に置換し、約12h放置した。
カーボンペーパをシャーレから取り出し、50℃の乾燥機で約5min乾燥させた。その後、XRFを用いて、カーボンペーパ上の白金担持量を測定した。
(Preparation of cathode catalyst layer)
2 mL of a 0.004 g/mL H 2 PtCl 6.6H 2 O aqueous solution and 1-propanol were dropped onto carbon paper and dried for 1 hour.
0.04 g of NaBH 4 was placed in a Petri dish, dissolved in pure water, and pure water was added to the level of about 80% of the Petri dish. Carbon paper was immersed in this and left for 2 hours. It was replaced with pure water and left for about 12 hours.
The carbon paper was taken out from the petri dish and dried in a dryer at 50° C. for about 5 minutes. Thereafter, the amount of platinum supported on the carbon paper was measured using XRF.
カソード触媒層の原料として、
・燃料電池用触媒(田中貴金属製、TEC61E54)を0.6g、
・純水を0.72g、
・Nafion分散液5 質量%を4.568g、
・1-プロパノールを4.8g、
それぞれ用意した。
As a raw material for the cathode catalyst layer,
・0.6g of fuel cell catalyst (Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC61E54),
・0.72g of pure water,
・4.568g of Nafion dispersion liquid 5 mass%,
・4.8g of 1-propanol,
Each was prepared.
これらの原料とジルコニアビーズ(φ3 mm×15)とをポリテトラフルオロエチレン製の100mLボールミルポットに入れ、200rpmで30minボールミルにかけて触媒インクを得た。 These raw materials and zirconia beads (φ3 mm×15) were placed in a 100 mL ball mill pot made of polytetrafluoroethylene and ball milled at 200 rpm for 30 minutes to obtain a catalyst ink.
上記のカーボンペーパに10×10cm2の穴の開いた0.45mm厚のアルミ箔でマスクをして、上記の触媒インクをバーコータで塗布してカソード触媒層を作製した。 The above carbon paper was masked with a 0.45 mm thick aluminum foil with a hole of 10 x 10 cm 2 , and the above catalyst ink was applied using a bar coater to prepare a cathode catalyst layer.
電解質膜としてのNafion117を15×15cm2に切り出し、2000番のエメリー紙で片面を研磨した。
このNafion117の研磨していない面とカーボンペーパの触媒インク塗布面とを接触させるように重ね、0.1mm厚のポリテトラフルオロエチレンシートを片面2枚ずつでサンドし、120℃、15MPa、5minのホットプレスをして、電解質膜と、カソード触媒層が形成されたカーボンペーパとを接合した。
Nafion 117 as an electrolyte membrane was cut into a size of 15 x 15 cm 2 and one side was polished with No. 2000 emery paper.
The unpolished surface of Nafion 117 was stacked so as to be in contact with the catalyst ink coated surface of the carbon paper, and two 0.1 mm thick polytetrafluoroethylene sheets were sandwiched on each side. Hot pressing was performed to bond the electrolyte membrane and the carbon paper on which the cathode catalyst layer was formed.
<電気化学測定>
得られたMEAを用いて電解セルを組み立て、電気化学的特性を調べた。
[電解セル条件]
アノードエンドプレート:Ti製、並行流路
カソードエンドプレート:Ti製、流路なし
アノード電解液:1M H2SO4
カソード電解液:10%トルエン(対メチルシクロヘキサン比)
アノード電極:アノード酸素発生用DSE
膜カソード接合体(MEA):電解質膜Nafion117+カソード0.5~0.7 mg/cm2PtRu/C(TKK製TEC61E54)、N/C=0.8
電極面積:100cm2
<Electrochemical measurement>
An electrolytic cell was assembled using the obtained MEA, and its electrochemical properties were investigated.
[Electrolysis cell conditions]
Anode end plate: Ti, parallel flow path Cathode end plate: Ti, no flow path Anode electrolyte: 1M H 2 SO 4
Cathode electrolyte: 10% toluene (ratio to methylcyclohexane)
Anode electrode: DSE for anode oxygen generation
Membrane cathode assembly (MEA): Electrolyte membrane Nafion 117 + cathode 0.5 to 0.7 mg/cm 2 PtRu/C (TEC61E54 manufactured by TKK), N/C = 0.8
Electrode area: 100cm2
[実験条件]
セル温度:60℃
流量:アノード、カソードともに10mL/min
[Experiment conditions]
Cell temperature: 60℃
Flow rate: 10mL/min for both anode and cathode
[前処理]
10mL/minでアノード側に1M H2SO4、カソード側に10%トルエンを供給し、1h循環させた。その後、0.4A/cm2で1h、定電流電解を行った。
[Preprocessing]
1M H 2 SO 4 was supplied to the anode side and 10% toluene was supplied to the cathode side at 10 mL/min, and the mixture was circulated for 1 h. Thereafter, constant current electrolysis was performed at 0.4 A/cm 2 for 1 h.
[随伴水量測定]
10mL/minで20min循環させた後、0.4A/cm2で20 min、定電流電解を行った。このとき、カソード側のリザーバーに蓄積した随伴水をパスツールピペットでとり、重量を測定した。これらの操作を、0.3A/cm2、0.2A/cm2、0.1A/cm2で繰り返した。
[Measurement of associated water volume]
After circulating at 10 mL/min for 20 minutes, constant current electrolysis was performed at 0.4 A/cm 2 for 20 minutes. At this time, the associated water accumulated in the reservoir on the cathode side was taken out with a Pasteur pipette and its weight was measured. These operations were repeated at 0.3 A/cm 2 , 0.2 A/cm 2 and 0.1 A/cm 2 .
[交流インピーダンス測定]
0.6V、1.0V、1.3V、 1.5V、1.6V、1.7V、1.8V、1.85Vの各電圧において、3minの定電圧測定と交流振幅10mV、測定周波数105~10-1Hzでの1minの交流インピーダンス測定を行った。
[AC impedance measurement]
At each voltage of 0.6V, 1.0V, 1.3V, 1.5V, 1.6V, 1.7V, 1.8V, 1.85V, constant voltage measurement for 3 minutes, AC amplitude 10mV, measurement frequency 105 ~ AC impedance measurements were performed for 1 min at 10 −1 Hz.
[電流効率測定]
0V、 1.5~1.85V間の適宜電圧で定電圧電解を行い、3min後の電流値を記録し、図3に実験に用いた有機ハイドライド製造装置を示すようにカソード出口から出てきた液を電流効率測定ラインに流した。このラインが満たされるまでの時間とそのときの電流値を記録し、ラインに溜まった液量を測定した。
副反応で生成したH2の体積比から、ファラデーの法則を用いて電流効率を計算した。
[Current efficiency measurement]
Constant voltage electrolysis was performed at an appropriate voltage between 0 V and 1.5 to 1.85 V, and the current value after 3 minutes was recorded. The solution was passed through the current efficiency measurement line. The time until the line was filled and the current value at that time were recorded, and the amount of liquid accumulated in the line was measured.
The current efficiency was calculated using Faraday's law from the volume ratio of H 2 generated by the side reaction.
図4及び図5に、電流密度を横軸に、セル電圧を縦軸にしたグラフを示す。図4,図5から、セル電圧は、マイクロポーラス層に珪藻土を8質量%含む実施例1は比較例、従来例との対比で相違はほとんどなかった。
図6に、電流密度を横軸に、随伴水量を縦軸にしたグラフを示す。図6から、マイクロポーラス層の珪藻土を8質量%含む実施例1は比較例、従来例との対比で相違はほとんどなかった。
4 and 5 show graphs in which the horizontal axis represents the current density and the vertical axis represents the cell voltage. 4 and 5, there was almost no difference in cell voltage between Example 1, which contained 8% by mass of diatomaceous earth in the microporous layer, and the comparative example and the conventional example.
FIG. 6 shows a graph in which the horizontal axis represents the current density and the vertical axis represents the amount of associated water. From FIG. 6, there was almost no difference in Example 1 containing 8% by mass of diatomaceous earth in the microporous layer compared to the comparative example and the conventional example.
図7に、電流密度を横軸に、電流効率を縦軸にしたグラフを示す。図7から、珪藻土をマイクロポーラス層に含む実施例1、2は、珪藻土を含まない比較例や市販の従来例と比べて、格段に電流効率が向上していた。なかでも、珪藻土を8質量%を含む実施例1は16質量%含む実施例と比較しても電流効率に優れていた。 FIG. 7 shows a graph in which the horizontal axis represents current density and the vertical axis represents current efficiency. From FIG. 7, Examples 1 and 2 in which diatomaceous earth was included in the microporous layer had significantly improved current efficiency compared to comparative examples and commercially available conventional examples that did not contain diatomaceous earth. Among them, Example 1 containing 8% by mass of diatomaceous earth had excellent current efficiency even when compared with Example containing 16% by mass.
1 有機ハイドライド製造装置
10 電解質膜
20 カソード
21 カソード触媒層
21a 還元触媒
22 マイクロポーラス層
22a 親水性多孔質酸化物
23 拡散層
24 流路
30 アノード
31 アノード触媒層
40 膜電極接合体
1 Organic hydride production apparatus 10 Electrolyte membrane 20 Cathode 21 Cathode catalyst layer 21a Reduction catalyst 22 Microporous layer 22a Hydrophilic porous oxide 23 Diffusion layer 24 Channel 30 Anode 31 Anode catalyst layer 40 Membrane electrode assembly
Claims (4)
電解質膜側からカソード触媒層、マイクロポーラス層、拡散層をその順で備え、
前記マイクロポーラス層は、親水性多孔質酸化物を含むことを特徴とするカソード。 A cathode for an organic hydride production device,
A cathode catalyst layer, a microporous layer, and a diffusion layer are provided in that order from the electrolyte membrane side.
A cathode, wherein the microporous layer includes a hydrophilic porous oxide.
前記電解質膜の一方の側に設けられた請求項1又は2記載のカソードと、
を備えることを特徴とする膜電極接合体。 an electrolyte membrane having proton conductivity;
The cathode according to claim 1 or 2, provided on one side of the electrolyte membrane;
A membrane electrode assembly characterized by comprising:
An organic hydride production apparatus comprising the cathode according to claim 1 or 2 or the membrane electrode assembly according to claim 3.
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