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JP4368166B2 - Fuel cell reactor - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池型反応装置及びそれを用いる化合物、特に過酸化水素の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell reactor and a method for producing a compound using the same, particularly hydrogen peroxide.

従来の過酸化水素の製造方法としては、例えば、(I)アルキルアントラキノンを用いた自動酸化法(非特許文献1参照)、(II)アルカリ金属水酸化物中で酸素を陰極還元する電解法(特許文献1参照)、(III)硫酸又は塩酸水溶液中に懸濁もしくは溶解した白金族系の触媒を用いて水素と酸素を触媒的に反応させる方法(特許文献2参照)などが知られており、工業的には主に上記(I)の方法が用いられていることは周知のところである。
しかしながら、これらの従来公知の方法においては、例えば、上記(I)の方法では、大量の有機溶媒の添加を必要とし、また、多くの副生物や触媒の劣化が生じるので、さまざまな分離工程や再生工程を必要とする等の経済的に不利な点があり、より安価な製造法の開発が求められている。また、上記(II)の方法においては、高価な電力エネルギーを必要とする問題点がある。さらに上記(III)の方法においては、同一反応器内において水素と酸素を混合させる必要があり、爆発危険性等の安全上の問題を有し、工業的製造法としては難点がある。
As a conventional method for producing hydrogen peroxide, for example, (I) an auto-oxidation method using alkylanthraquinone (see Non-Patent Document 1), (II) an electrolysis method in which oxygen is cathodically reduced in an alkali metal hydroxide ( Patent Document 1), (III) a method of catalytically reacting hydrogen and oxygen using a platinum group catalyst suspended or dissolved in sulfuric acid or hydrochloric acid aqueous solution (see Patent Document 2) is known. It is well known that the method (I) is mainly used industrially.
However, in these conventionally known methods, for example, the method (I) requires the addition of a large amount of an organic solvent, and many by-products and catalysts are deteriorated. There are economical disadvantages such as requiring a regeneration process, and development of a cheaper manufacturing method is required. Further, the method (II) has a problem of requiring expensive power energy. Furthermore, in the above method (III), it is necessary to mix hydrogen and oxygen in the same reactor, which has safety problems such as explosion risk, and has a difficulty as an industrial production method.

一方、近年、燃料電池システムを用いて、温和な条件で種々の有用な化合物を製造する研究が進められている。燃料電池とは燃料を電解質膜で隔てて電気化学的に完全燃焼させ、その反応過程の自由エネルギー変化を直接電力エネルギーに変換することを目的としたシステムである。すなわち、電子の放出反応と受容反応をそれぞれアノード、カソードで行わせ、両極を結ぶ外部回路を通る電子の移動を電力として利用するものである。このような燃料電池を有機合成の立場から化学反応器とみると、原理的には電力と共に有用な化合物の製造が可能である。 燃料電池システムを応用した化学合成法は、以下の1)〜4)に述べるような、工業生産においても有利な特徴を有している。1)活性種の分離や特殊反応場を形成させることができるため、通常の触媒反応では困難な選択反応を可能にする。2)反応速度や選択性を電気的に容易に制御することができる。3)外部回路に負荷を置けば、目的とした化合物と共に電力を得ることができる。4)酸素などの酸化性物質と水素などの還元性物質が隔膜で分離されているので爆発の危険性を低減できる。   On the other hand, in recent years, research for producing various useful compounds under mild conditions using a fuel cell system has been underway. A fuel cell is a system whose purpose is to completely burn electrochemically with fuel separated by an electrolyte membrane, and to directly convert the free energy change of the reaction process into electric power energy. That is, the electron emission reaction and the acceptance reaction are performed at the anode and the cathode, respectively, and the movement of the electrons through the external circuit connecting both electrodes is used as electric power. When such a fuel cell is regarded as a chemical reactor from the standpoint of organic synthesis, it is possible in principle to produce useful compounds together with electric power. A chemical synthesis method using a fuel cell system has advantageous characteristics in industrial production as described in 1) to 4) below. 1) Since active species can be separated and a special reaction field can be formed, a selective reaction that is difficult in a normal catalytic reaction is enabled. 2) The reaction rate and selectivity can be easily controlled electrically. 3) If a load is placed on an external circuit, power can be obtained together with the intended compound. 4) Since an oxidizing substance such as oxygen and a reducing substance such as hydrogen are separated by a diaphragm, the risk of explosion can be reduced.

燃料電池システムの化学合成への応用例としては、(IV)エチレンおよびプロピレンの部分酸化反応(非特許文献2参照)、(V)ベンゼンの水酸化反応(非特許文献3参照)、(VI)メタノールの酸化的カルボニル化反応(非特許文献4参照)などが提案されている。
本発明者らは、先に燃料電池システムを応用して、(VII)水素と酸素から過酸化水素を製造する方法(非特許文献5参照)を提案してきた。この方法は、ナフィオン(デュポン社の登録商標)を隔膜とし、膜のアノード側は白金黒を、カソード側は金メッシュもしくはグラファイトを触媒電極とし、アノード室に水素ガス、塩酸水溶液が導入されたカソード室に酸素ガスを吹き込むことによって過酸化水素を製造する。しかしながら、この方法では、上記1)〜4)などの利点を有するものの、得られる過酸化水素の濃度が低く、また、経時的に過酸化水素の生成が頭打ちになるなどの難点があった。
Examples of application of the fuel cell system to chemical synthesis include (IV) partial oxidation reaction of ethylene and propylene (see Non-Patent Document 2), (V) hydroxylation reaction of benzene (see Non-Patent Document 3), (VI) An oxidative carbonylation reaction of methanol (see Non-Patent Document 4) has been proposed.
The inventors of the present invention have previously proposed (VII) a method for producing hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen (see Non-Patent Document 5) by applying a fuel cell system. In this method, Nafion (registered trademark of DuPont) is used as a diaphragm, platinum black is used as the anode side of the membrane, gold mesh or graphite is used as the catalyst electrode on the cathode side, and hydrogen gas and hydrochloric acid aqueous solution are introduced into the anode chamber. Hydrogen peroxide is produced by blowing oxygen gas into the chamber. However, although this method has the advantages 1) to 4) and the like, the concentration of the obtained hydrogen peroxide is low, and the production of hydrogen peroxide reaches its peak over time.

このような問題点を改善すべく、本発明者らは、新たな構造からなる燃料電池型反応装置を用いて水素と酸素からなる過酸化水素を製造する方法を提案した(特許文献3参照)。この方法は、アノードおよびカソードによりアノード室、中間室、カソード室に区画され、中間室に電解質溶液を存在させ、両極間を電子伝導体で外部短絡された構造を有する装置もしくは該中間室がカチオン交換膜によって区画された構造を有する装置を用いて、アノード室に水素、カソード室に酸素を供給して、中間室の電解質溶液中に過酸化水素を発生させる方法である。しかしながら、この方法では、過酸化水素の生成速度が飛躍的に向上するものの、過酸化水素の蓄積濃度の点において必ずしも満足できるものではなかった。
化学工業界においては、これら過酸化水素の製造方法に限らず、有用な化学薬品をより効率的に製造するための反応方法や触媒の開発が常に求められている。
In order to improve such problems, the present inventors have proposed a method for producing hydrogen peroxide composed of hydrogen and oxygen using a fuel cell reactor having a new structure (see Patent Document 3). . This method is divided into an anode chamber, an intermediate chamber, and a cathode chamber by an anode and a cathode, an electrolyte solution is present in the intermediate chamber, and a device having a structure in which both electrodes are externally short-circuited by an electronic conductor or the intermediate chamber is a cation. In this method, hydrogen is generated in the electrolyte solution in the intermediate chamber by supplying hydrogen to the anode chamber and oxygen to the cathode chamber using an apparatus having a structure partitioned by an exchange membrane. However, with this method, the production rate of hydrogen peroxide is dramatically improved, but it is not always satisfactory in terms of the accumulated concentration of hydrogen peroxide.
In the chemical industry, not only these hydrogen peroxide production methods but also the development of reaction methods and catalysts for producing useful chemicals more efficiently is always required.

米国特許第4,431,494号明細書等参照See US Pat. No. 4,431,494, etc. 米国特許第4,009,252号明細書等参照See US Pat. No. 4,009,252, etc. 特開2001−236968号公報JP 2001-236968 A 化学便覧、応用化学編I 、日本化学会編、302ページ、1986年参照Chemical Handbook, Applied Chemistry I, The Chemical Society of Japan, 302, 1986 触媒,31,48ページ,1989Catalyst, 31, 48, 1989 J.Chem.Soc.,Faraday Trance.,90,451,1994J. et al. Chem. Soc. Faraday Trans. , 90, 451, 1994 Electrochimica Acta,Vol.39,No.14,2109,1994Electrochimica Acta, Vol. 39, no. 14, 2109, 1994 Electrochimica Acta,Vol.35,No.2,319,1990Electrochimica Acta, Vol. 35, no. 2,319,1990

本発明の目的は、有用な化学薬品を穏和な条件で選択性高く、効率的かつ経済的な方法で製造すると共に必要に応じて電力を製造し、従来の触媒プロセスが抱える問題点を克服することの可能な燃料電池型反応装置を提供するとともに、該燃料電池型反応装置を用いて、有用な化学薬品を穏和な条件で選択性高く、効率的かつ経済的な製造方法を提供すること、特に、該反応装置を用いて、水素と酸素から過酸化水素を製造することにより、従来の製造法における大量の有機溶媒の使用、製造工程の煩雑さ、電力エネルギーの大量消費、水素と酸素の混合による爆発危険性、低い過酸化水素の収率等の問題点を解決することである。   It is an object of the present invention to produce useful chemicals in mild conditions with high selectivity, in an efficient and economical manner and to produce electricity as needed to overcome the problems of conventional catalytic processes. Providing a fuel cell type reactor capable of performing the same, and using the fuel cell type reactor, providing an efficient and economical method for producing useful chemicals under mild conditions with high selectivity, In particular, by using the reaction apparatus to produce hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen, the use of a large amount of organic solvent in the conventional production method, the complexity of the production process, the large consumption of power energy, the hydrogen and oxygen consumption. It is to solve problems such as explosion hazard due to mixing and low hydrogen peroxide yield.

本発明者らは、かかる従来技術の問題点を解決すべく鋭意検討した結果、次の本発明に到達した。
すなわち、本発明は、
[1]還元性物質と酸化性物質を含む系の酸化還元反応を行うための燃料電池型反応装置であって、アノード及びカソードによりアノード室、中間室、カソード室に区画され、該中間室が、アニオン交換膜によって該アノードと該アニオン交換膜の間及び該カソードと該アニオン交換膜の間にそれぞれ位置するアノード側中間室とカソード側中間室に仕切られ、該アノード側中間室及び該カソード側中間室にアルカリ電解質溶液が導入されており、該アノード側中間室は、電解質溶液の入り口を有し、該アノード室は還元性物質の入り口を有し、該カソード室は酸化性物質の入り口を有し、該アノードと該カソードは外側で電子伝導体によって互いに接続されていることを特徴とする燃料電池型反応装置。
[2]カソード側中間室が、電解質溶液の入り口を有していることを特徴とする上記[1]の燃料電池型反応装置。
[3]アノード側中間室が、アルカリ電解質溶液を供給するための入り口と該アルカリ電解質溶液の排出口が設置された構造を有し、該アルカリ電解質溶液を該アノード側中間室に連続的に供給することを特徴とする上記[1]又は[2]の燃料電池型反応装置。
As a result of intensive studies to solve the problems of the prior art, the present inventors have reached the following present invention.
That is, the present invention
[1] A fuel cell type reaction apparatus for performing a redox reaction of a system containing a reducing substance and an oxidizing substance, which is divided into an anode chamber, an intermediate chamber, and a cathode chamber by an anode and a cathode, The anode-side intermediate chamber and the cathode-side intermediate chamber located between the anode and the anion-exchange membrane and between the cathode and the anion-exchange membrane by an anion exchange membrane, respectively. An alkaline electrolyte solution is introduced into the intermediate chamber, the anode-side intermediate chamber has an electrolyte solution inlet, the anode chamber has a reducing substance inlet, and the cathode chamber has an oxidizing substance inlet. A fuel cell type reaction apparatus comprising: an anode; and a cathode connected to each other by an electronic conductor on the outside.
[2] The fuel cell type reactor according to [1], wherein the cathode-side intermediate chamber has an inlet for an electrolyte solution.
[3] The anode-side intermediate chamber has a structure in which an inlet for supplying an alkaline electrolyte solution and a discharge port for the alkaline electrolyte solution are installed, and the alkaline electrolyte solution is continuously supplied to the anode-side intermediate chamber The fuel cell type reactor according to [1] or [2] above, wherein

[4]カソードが、導電性炭素材料を含む触媒電極である上記[1]〜[3]のいずれかの燃料電池型反応装置。
[5]導電性炭素材料が、活性炭、カーボンファイバー、グラファイト、カーボンウィスカー、カーボンブラックおよびアセチレンブラックから選ばれた1種または2種以上の炭素材料である上記[4]の燃料電池型反応装置。
[6]アルカリ電解質溶液が、水酸化ナトリウムを含む水溶液である上記[1]〜[5]のいずれかの燃料電池型反応装置。
[7]酸化還元反応による化合物の製造方法であって、上記[1]〜[6]のいずれかの燃料電池型反応装置を用い、アノード室に還元性物質を導入し、そしてカソード室に酸化性物質を導入して、カソード側中間室において該還元性物質と該酸化性物質から化合物を得ることを特徴とする化合物の製造方法。
[8]還元性物質が水素供与体であり、酸化性物質が酸素ガスであり、製造される化合物が過酸化水素であることを特徴とする上記[7]の化合物の製造方法、である。
[4] The fuel cell type reactor according to any one of [1] to [3], wherein the cathode is a catalyst electrode containing a conductive carbon material.
[5] The fuel cell reactor according to the above [4], wherein the conductive carbon material is one or more carbon materials selected from activated carbon, carbon fiber, graphite, carbon whisker, carbon black, and acetylene black.
[6] The fuel cell reactor according to any one of [1] to [5], wherein the alkaline electrolyte solution is an aqueous solution containing sodium hydroxide.
[7] A method for producing a compound by oxidation-reduction reaction, using the fuel cell type reactor according to any one of [1] to [6] above, introducing a reducing substance into the anode chamber, and oxidizing the cathode chamber A method for producing a compound comprising introducing a reducing substance and obtaining the compound from the reducing substance and the oxidizing substance in a cathode-side intermediate chamber.
[8] The method for producing a compound according to [7] above, wherein the reducing substance is a hydrogen donor, the oxidizing substance is oxygen gas, and the produced compound is hydrogen peroxide.

本発明によって、目的化合物の収率及び選択性の低さ、製造工程の煩雑さ、エネルギーの大量消費等、従来の酸化プロセスが抱える問題点を克服することができる。
本発明の燃料電池型反応装置を用いることで、有用な化学物質を穏和な条件で高選択率、高効率的かつ経済的な方法で製造することができると共に、所望により電力を副産物として得ることができる。また、還元性物質及び酸化性物質がアノードとカソードで各々分離された状態で反応を行うことができるので、爆発混合気の形成による爆発危険性が回避でき、生成物と酸化生成物との逐次的な反応による副生物の生成を抑制でき、さらに反応活性、反応選択性が高いという利点がある。実施例に示すように、本発明の反応装置を用いることで、水素と酸素から過酸化水素を穏和な条件で高選択率かつ高効率的に製造することができ、必要により、電気エネルギーを得ることもできる。
According to the present invention, it is possible to overcome problems of conventional oxidation processes such as low yield and selectivity of the target compound, complicated manufacturing process, and large consumption of energy.
By using the fuel cell type reactor of the present invention, a useful chemical substance can be produced under a mild condition with a high selectivity, a high efficiency and an economical method, and electric power can be obtained as a by-product if desired. Can do. In addition, since the reaction can be performed in a state where the reducing substance and the oxidizing substance are separated from each other at the anode and the cathode, the danger of explosion due to the formation of an explosion mixture can be avoided, and the product and the oxidation product are sequentially detected. The production of by-products due to a typical reaction can be suppressed, and the reaction activity and reaction selectivity are high. As shown in the examples, by using the reaction apparatus of the present invention, hydrogen peroxide can be produced from hydrogen and oxygen under mild conditions with high selectivity and high efficiency, and electric energy is obtained as necessary. You can also.

以下、過酸化水素の製造方法を例に本発明の詳細を説明する。無論、本発明は過酸化水素の製造方法に限定されるものではなく、前記従来の技術において記載した(IV)〜(VI)のような燃料電池システムが応用できる他の化学合成反応にも有効なものとなる。 本発明の燃料電池型反応装置を用いて、本発明の方法により還元性物質(水素)と酸化性物質(酸素)から過酸化水素を製造するための反応の原理を示す概略図を図1に示す。図1に示す装置は、アノード4の内側とカソード5の内側の間に形成された中間室、アノード4の外側にあるアノード室1、及びカソード5の外側にあるカソード室3を有する三槽構造からなり、さらにその中間室が、アニオン交換膜12によって、カソード側中間室2Aとアノード側中間室2Bとに仕切られている。この中間室(2A、2B)にはアルカリ電解質溶液が導入される。アノード室1には還元性物質を供給するための還元性物質の入り口6と、還元性物質の排出口14があり、カソード室3には酸化性物質を供給するための酸化性物質の入り口7及び酸化性物質の排出口15がある。また、アノード側中間室2Bにはアルカリ電解質溶液の入り口11とアルカリ電解質溶液の出口13があり、カソード側中間室2Aには所望によりアルカリ電解質溶液の入り口8を設けることができる。その際、カソード側中間室2Aがアルカリ電解質溶液の入り口8を有さない場合は、カソード側中間室2Aがアルカリ電解質溶液を含むような状態(例えば、電解質水溶液をイオン交換膜で蓋をして閉じ込めるような状態)で反応装置が提供される。また、生成した過酸化水素を含む電解質溶液を中間室から抜き出す場合には、入り口8を用いて過酸化水素を抜き出してもよい。   Hereinafter, the details of the present invention will be described using a method for producing hydrogen peroxide as an example. Of course, the present invention is not limited to the method for producing hydrogen peroxide, and is effective for other chemical synthesis reactions to which the fuel cell system such as (IV) to (VI) described in the prior art can be applied. It will be something. FIG. 1 is a schematic diagram showing the principle of a reaction for producing hydrogen peroxide from a reducing substance (hydrogen) and an oxidizing substance (oxygen) by the method of the present invention using the fuel cell type reactor of the present invention. Show. The apparatus shown in FIG. 1 has a three-tank structure having an intermediate chamber formed between the inside of the anode 4 and the inside of the cathode 5, the anode chamber 1 outside the anode 4, and the cathode chamber 3 outside the cathode 5. The intermediate chamber is further partitioned by the anion exchange membrane 12 into a cathode-side intermediate chamber 2A and an anode-side intermediate chamber 2B. An alkaline electrolyte solution is introduced into the intermediate chamber (2A, 2B). The anode chamber 1 has a reducing substance inlet 6 for supplying a reducing substance and a reducing substance outlet 14, and the cathode chamber 3 has an oxidizing substance inlet 7 for supplying an oxidizing substance. And an outlet 15 for oxidizing substances. The anode side intermediate chamber 2B has an alkaline electrolyte solution inlet 11 and an alkaline electrolyte solution outlet 13, and the cathode side intermediate chamber 2A can be provided with an alkaline electrolyte solution inlet 8 as desired. At that time, when the cathode side intermediate chamber 2A does not have the inlet 8 for the alkaline electrolyte solution, the cathode side intermediate chamber 2A contains the alkaline electrolyte solution (for example, the electrolyte aqueous solution is covered with an ion exchange membrane). The reactor is provided in a confined state. When the electrolyte solution containing the generated hydrogen peroxide is extracted from the intermediate chamber, the hydrogen peroxide may be extracted using the inlet 8.

図2と図3は、それぞれ、本発明の燃料電池型反応装置の一例として実施例1で用いた装置の部分分解斜視図および縦断面概略図である。図2と図3に示されるように、アノード4とカソード5の外側表面には集電用の金属メッシュ(例えば金製メッシュ)21が取り付けられ、アノード4とカソード5の外側表面は電子伝導体であるリード線9によって互いに接続されている。所望によっては、アノード4とカソード5の両極間に定電圧発生装置を設けて電圧を印加することで反応を促進させることも可能である。また、所望により、外部回路に負荷をかけることにより、作動中の本発明の装置から電力を取り出すことも可能である。また、図2および図3に示す本発明の装置の一例では、上述の1から15および21の番号で示される各部材以外に、電極を押えるためのテフロン(登録商標)製押え板A22及びテフロン(登録商標)製押え板B23、内側にカソード側中間室2Aを持つテフロン(登録商標)製スペーサー24及び内部にアノード側中間室2Bを持つシリコン製スペーサー25を有している。   2 and 3 are a partially exploded perspective view and a longitudinal sectional schematic view of the apparatus used in Example 1 as an example of the fuel cell type reaction apparatus of the present invention, respectively. 2 and 3, a current collecting metal mesh (for example, gold mesh) 21 is attached to the outer surfaces of the anode 4 and the cathode 5, and the outer surfaces of the anode 4 and the cathode 5 are electronic conductors. Are connected to each other by lead wires 9. If desired, the reaction can be promoted by providing a constant voltage generator between the anode 4 and the cathode 5 and applying a voltage. If desired, power can also be extracted from the operating device of the present invention by applying a load to the external circuit. In addition, in the example of the apparatus of the present invention shown in FIGS. 2 and 3, in addition to the members indicated by the numbers 1 to 15 and 21 described above, a Teflon (registered trademark) presser plate A22 and Teflon for pressing the electrodes are used. A (registered trademark) presser plate B23, a Teflon (registered trademark) spacer 24 having a cathode side intermediate chamber 2A inside, and a silicon spacer 25 having an anode side intermediate chamber 2B inside.

本発明で用いるアノードは、触媒の役割を果たすアノード活物質からなりイオン伝導性又は活性種伝導性を有するものである。また、本発明で用いるカソードは、触媒の役割を果たすカソード活物質からなりイオン伝導性又は活性種伝導性を有するものである。ここで「活性種」とは、アノードについては、還元性物質に由来する、反応性を有する化学種であり、アノード室から中間室に向かってアノードを通過するものを意味する。カソードについては、酸化性物質に由来する、反応性を有する化学種であり、カソード室側から中間室に向かってカソードを通過するものを意味する。本発明において、アノード活物質及びカソード活物質としては、種々の材料を使用することができ、通常、各種金属、金属化合物、導電性炭素材料から選ばれる少なくとも1種又は2種以上を含むものが使用できる。アノード活物質及びカソード活物質として用いる金属としては、好ましくは周期律表の1〜16族から選ばれる金属である。これらの金属は単独もしくは2種以上の混合物として用いてもよい。また、これら金属の無機化合物、有機金属化合物等の化合物が使用されるが、好ましくは金属ハロゲン化物、金属酸化物、金属水酸化物、金属硝酸塩、金属硫酸塩、金属酢酸塩、金属リン酸塩、金属カルボニル、金属アセチルアセトナト等が金属化合物として使用することができる。また、アノード活物質やカソード活物質として用いる導電性炭素材料としては、電気伝導性を有する種々の炭素材料が使用できるが、活性炭、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンウィスカー等の炭素材料が好ましく用いられ、より好ましくは活性炭、カーボンファイバー、グラファイト、カーボンウィスカー、カーボンブラック等の炭素材料が用いられる。これら炭素材料は、単独もしくは2種以上の混合物として用いてもよい。   The anode used in the present invention is made of an anode active material serving as a catalyst and has ionic conductivity or active species conductivity. In addition, the cathode used in the present invention is made of a cathode active material serving as a catalyst and has ionic conductivity or active species conductivity. Here, the “active species” means a reactive chemical species derived from a reducing substance, and means an anode that passes through the anode from the anode chamber toward the intermediate chamber. The cathode is a reactive chemical species derived from an oxidizing substance and means a substance that passes through the cathode from the cathode chamber side toward the intermediate chamber. In the present invention, various materials can be used as the anode active material and the cathode active material, and those containing at least one or more selected from various metals, metal compounds, and conductive carbon materials are usually used. Can be used. The metal used as the anode active material and the cathode active material is preferably a metal selected from Groups 1 to 16 of the periodic table. These metals may be used alone or as a mixture of two or more. In addition, compounds such as inorganic compounds and organometallic compounds of these metals are used, but preferably metal halides, metal oxides, metal hydroxides, metal nitrates, metal sulfates, metal acetates, metal phosphates Metal carbonyl, metal acetylacetonate and the like can be used as the metal compound. In addition, as the conductive carbon material used as the anode active material or the cathode active material, various carbon materials having electrical conductivity can be used, but carbon such as activated carbon, carbon black, acetylene black, graphite, carbon fiber, carbon whisker, etc. A material is preferably used, and more preferably a carbon material such as activated carbon, carbon fiber, graphite, carbon whisker, or carbon black. These carbon materials may be used alone or as a mixture of two or more.

本発明において、還元性物質として水素を用いる場合には、アノード活物質として、水素をプロトンにするための公知な触媒、例えば、前述した周期律表の8〜10族から選ばれる金属、好ましくはNi、Pt、Pdなどの金属又はこれらの化合物が用いられる。また、カソード活物質としては、前述した電気伝導性を有する導電性炭素材料、好ましくは活性炭、カーボンファイバー、グラファイト、カーボンウィスカー、カーボンブラックから選ばれた炭素材料を単独、もしくは2種以上の混合物として用いられる。
アノード及びカソードは、活物質の導電性が不足する場合、触媒としてではなく、導電性を上げる目的で導電性炭素材料を含ませることもできる。例えば、電極活物質である金属及び/又はその化合物を、導電性を上げる目的で添加された導電性炭素材料と組み合わせて用いる場合には、粒子状の導電性炭素材料と均一に混合するか、粒子状の導電性炭素材料に、金属及び/又はその化合物を担持させてなる粒子を用いると、組成が均一で、電子伝導性の良好なアノード及びカソードが得られるので好ましい。導電性炭素材料としては前記したものが用いられる。
In the present invention, when hydrogen is used as the reducing substance, a known catalyst for making hydrogen into a proton as the anode active material, for example, a metal selected from Group 8 to 10 in the periodic table, preferably A metal such as Ni, Pt, or Pd or a compound thereof is used. Further, as the cathode active material, the above-described conductive carbon material having electrical conductivity, preferably a carbon material selected from activated carbon, carbon fiber, graphite, carbon whisker, and carbon black, is used alone or as a mixture of two or more. Used.
In the case where the conductivity of the active material is insufficient, the anode and the cathode may include a conductive carbon material for the purpose of increasing the conductivity rather than as a catalyst. For example, when a metal and / or compound thereof as an electrode active material is used in combination with a conductive carbon material added for the purpose of increasing conductivity, it is uniformly mixed with the particulate conductive carbon material, It is preferable to use particles in which a metal and / or a compound thereof is supported on a particulate conductive carbon material because an anode and a cathode having a uniform composition and good electron conductivity can be obtained. As the conductive carbon material, those described above are used.

以上、本発明の装置に用いるアノード活物質及びカソード活物質の組成について述べたが、電極として、金属及び/又はその化合物を、導電性炭素材料と組み合わせて用いる場合には、両者の重量の合計に対する前者の重量(金属換算)の比が0.01〜50重量%であることが好ましく、0.1〜30重量%であることがより好ましい。
本発明でいう周期律表とは国際純正及び応用化学連合無機化学命名法(1989年)で定められた周期律表である。
後述の実施例で示されるように本発明の方法によって水素と酸素から過酸化水素を製造する場合には、アノードとして、白金黒及びカーボンファイバーを含む電極が好ましく用いられる(この場合、カーボンファイバーは、活物質としてではなく、導電性を上げる目的で添加されている)。なお、一般に燃料電池で使用されている入手しやすい電極を用いてもよい。また、カソードとしては、上記の導電性炭素材料を単独もしくは2種以上の混合物とした電極を用いることが好ましい(この場合の炭素材料は活物質としての役割を果たす)。
The composition of the anode active material and the cathode active material used in the apparatus of the present invention has been described above. When a metal and / or a compound thereof is used in combination with a conductive carbon material as an electrode, the total weight of both is used. The ratio of the former weight (in metal conversion) to 0.01 is preferably 0.01 to 50% by weight, and more preferably 0.1 to 30% by weight.
The periodic table referred to in the present invention is a periodic table defined by International Pure and Applied Chemistry Union Inorganic Chemical Nomenclature (1989).
When hydrogen peroxide is produced from hydrogen and oxygen by the method of the present invention as will be described later, an electrode containing platinum black and carbon fiber is preferably used as the anode (in this case, carbon fiber is It is added for the purpose of increasing conductivity, not as an active material). In addition, you may use the easily available electrode generally used with the fuel cell. Further, as the cathode, it is preferable to use an electrode in which the above conductive carbon material is used alone or as a mixture of two or more kinds (the carbon material in this case plays a role as an active material).

上述したアノード及びカソードは、上述した各主成分以外に撥水剤を混合して用いることが好ましい。この場合、撥水剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレンオリゴマー(TFEO)、フッ化黒鉛((CF)n )、フッ化ピッチ(FP)などが例示される。これら撥水剤は、本発明において、ガス(還元性物質、酸化性物質)と液体(電解質溶液)と固体電極(アノード、カソード)との気体−液体−固体における三相界面での電気化学的反応効率を向上させる効果を持つ。また、これら撥水剤は、触媒粒子の結着剤としても機能するので、上記成分と物理混合してホットプレスすることによりシート状に成型して電極として用いることができる。撥水剤を用いる場合の使用量は、使用する電極活物質の1〜250重量%、好ましくは25〜100重量%とすることができる。   The anode and cathode described above are preferably used by mixing a water repellent agent in addition to the main components described above. In this case, examples of the water repellent include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene oligomer (TFEO), fluorinated graphite ((CF) n), and fluorinated pitch (FP). In the present invention, these water repellents are electrochemical at the three-phase interface of gas (reducing substance, oxidizing substance), liquid (electrolyte solution) and solid electrode (anode, cathode) in a gas-liquid-solid. It has the effect of improving reaction efficiency. Moreover, since these water repellents also function as a binder for catalyst particles, they can be molded into a sheet shape and used as an electrode by physical mixing with the above components and hot pressing. The amount of water repellent used can be 1 to 250% by weight, preferably 25 to 100% by weight of the electrode active material used.

本発明で用いるアニオン交換膜としては、炭化水素系及びフッ素樹脂系のいずれかのイオン交換膜を用いることができる。本発明に用いるアニオン交換膜は高濃度のアルカリ水溶液に接触することがある。そのため耐高濃度アルカリ性のフッ素樹脂系イオン交換膜を使用することが好ましいが、炭化水素系のイオン交換膜でも数ヶ月程度の運転では問題なく使用することができる。1年以上の運転の場合にはフッ素樹脂系イオン交換膜を使用することが好ましい。本発明で使用できる炭化水素系のアニオン交換膜としては、旭化成(株)製のアシプレックス(登録商標)A−201、211、221等、フッ素樹脂系のアニオン交換膜としては、東ソー(株)製のトスフレックス(登録商標)IE−SF34等がある。   As the anion exchange membrane used in the present invention, any one of hydrocarbon-based and fluororesin-based ion exchange membranes can be used. The anion exchange membrane used in the present invention may come into contact with a high concentration alkaline aqueous solution. Therefore, it is preferable to use a high-concentration alkali-resistant fluororesin ion exchange membrane, but even a hydrocarbon ion exchange membrane can be used without any problem in operation for several months. In the case of operation for one year or longer, it is preferable to use a fluororesin-based ion exchange membrane. Examples of the hydrocarbon-based anion exchange membrane that can be used in the present invention include Aciplex (registered trademark) A-201, 211, and 221 manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and examples of the fluororesin-based anion exchange membrane include Tosoh Corporation. For example, Tosflex (registered trademark) IE-SF34 is available.

本発明で用いられる電解質溶液としては、アルカリ電解質溶液が用いられる。アルカリ電解質溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アンモニア等を含む溶液のものを単独もしくは2種類以上の混合物としたものが挙げられる。また、アルカリ電解質を溶解させる溶媒としては、水又はアルコール、塩化メチレン、クロロホルム、酢酸、アセトニトリルなどの非水溶媒あるいはそれらの混合物が用いられる。好ましくは、電解質溶液として、水酸化ナトリウムを含む水溶液が用いられる。本発明におけるアルカリ電解質溶液中の電解質濃度は0.1〜80重量%、好ましくは0.5〜50重量%とすることができる。   As the electrolyte solution used in the present invention, an alkaline electrolyte solution is used. As the alkaline electrolyte solution, for example, a solution containing sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium hydroxide, ammonia or the like may be used alone or as a mixture of two or more. As the solvent for dissolving the alkaline electrolyte, water or a nonaqueous solvent such as alcohol, methylene chloride, chloroform, acetic acid, acetonitrile, or a mixture thereof is used. Preferably, an aqueous solution containing sodium hydroxide is used as the electrolyte solution. The electrolyte concentration in the alkaline electrolyte solution in the present invention may be 0.1 to 80% by weight, preferably 0.5 to 50% by weight.

アルカリ電解質溶液の供給方法としては、予めカソード側中間室2Aに所望により設けられた電解質溶液の入り口8及びアノード側中間室2Bに設けられた電解質溶液の入り口11からアルカリ電解質溶液を導入しておいた後、アノード室に還元性物質、カソード室に酸化性物質を供給して反応を行わせる方法が用いられる。また、アルカリ電解質溶液をアノード側中間室に連続的に供給する場合は、上記で説明したようにアノード側中間室2Bにアルカリ電解質溶液の入り口11とアルカリ電解質溶液の排出口13を設けて、中間室下部から上部へのアップフローでアルカリ電解質溶液を連続的に供給してもよいし、また、アルカリ電解質溶液を上部から下部へのダウンフローで連続的に供給してもよく、電解質溶液の供給方法は特に限定されない。アルカリ電解質溶液を連続的に供給する場合の流量は、反応装置のスケールに合わせて適宜選択できるが、通常、0.1ml/時間〜100000ml/時間、好ましくは0.5ml/時間〜1000ml/時間とすることができる。   As a method for supplying the alkaline electrolyte solution, the alkaline electrolyte solution is introduced in advance from the electrolyte solution inlet 8 provided in the cathode side intermediate chamber 2A as desired in advance and the electrolyte solution inlet 11 provided in the anode side intermediate chamber 2B. After that, a method is used in which a reducing substance is supplied to the anode chamber and an oxidizing substance is supplied to the cathode chamber to perform the reaction. Further, when the alkaline electrolyte solution is continuously supplied to the anode-side intermediate chamber, as described above, the anode-side intermediate chamber 2B is provided with the alkaline electrolyte solution inlet 11 and the alkaline electrolyte solution outlet 13 so that the intermediate The alkaline electrolyte solution may be continuously supplied by upflow from the lower part of the chamber to the upper part, or the alkaline electrolyte solution may be continuously supplied by downward flow from the upper part to the lower part. The method is not particularly limited. The flow rate when the alkaline electrolyte solution is continuously supplied can be appropriately selected according to the scale of the reaction apparatus, but is usually 0.1 ml / hour to 100,000 ml / hour, preferably 0.5 ml / hour to 1000 ml / hour. can do.

本発明で用いる還元性物質としては、電子供与能力を有する化合物、好ましくはアノード上でプロトンと電子を放出することが可能な水素供与体が用いられる。具体的には、水素、アルコール類、ハイドロキノン類、さらには飽和炭化水素等が挙げられ、更に好ましくは工業的に安価な水素が用いられる。また、これらの水素供与体は、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスとの混合ガスとして用いてもよい。
本発明で用いる酸化性物質としては、電子受容能力を有する化合物であれば特に制限はなく、例えば空気、酸素、酸化窒素などが挙げられ、好ましくは空気又は酸素が用いられる。また、これら酸化性物質は必ずしも純粋である必要はなく、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスとの混合物であってもよい。
As the reducing substance used in the present invention, a compound having an electron donating ability, preferably a hydrogen donor capable of releasing protons and electrons on the anode is used. Specific examples include hydrogen, alcohols, hydroquinones, and saturated hydrocarbons. More preferably, industrially inexpensive hydrogen is used. These hydrogen donors may be used as a mixed gas with an inert gas such as nitrogen, helium, or argon.
The oxidizing substance used in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound having an electron accepting ability. Examples thereof include air, oxygen, and nitric oxide. Air or oxygen is preferably used. Further, these oxidizing substances are not necessarily pure, and may be a mixture with an inert gas such as nitrogen, helium, or argon.

本発明の方法においては、反応装置のスケールにともなって変わる種々の条件(例えば、還元性物質、酸化性物質及び電解溶液の供給量など)は、反応装置のスケールにあわせて適宜選択できる。
上記還元性物質及び酸化性物質がアノード室又はカソード室に供給される場合、それぞれの流量は、反応装置のスケールに合わせて適宜選択できるが、通常、それぞれの流量は0.1ml/分〜100000ml/分、好ましくは1ml/分〜1000ml/分とすることができる。
本発明の方法においては、アノードとカソードの両極間に電圧を印加することにより、反応を加速させることができる。電圧を印加する場合の電圧は、通常0.1〜10V、好ましくは0.2〜2Vとすることができる。
In the method of the present invention, various conditions that vary with the scale of the reaction apparatus (for example, the supply amount of the reducing substance, the oxidizing substance, and the electrolytic solution) can be appropriately selected according to the scale of the reaction apparatus.
When the reducing substance and the oxidizing substance are supplied to the anode chamber or the cathode chamber, the respective flow rates can be appropriately selected according to the scale of the reaction apparatus, but the respective flow rates are usually 0.1 ml / min to 100000 ml. / Min, preferably 1 ml / min to 1000 ml / min.
In the method of the present invention, the reaction can be accelerated by applying a voltage between the anode and the cathode. The voltage in the case of applying a voltage can be 0.1-10V normally, Preferably it can be 0.2-2V.

本発明の方法における反応条件としては、反応温度は、通常−20〜200℃、好ましくは−5〜150℃の範囲から選択される。また、反応時の還元性物質及び酸化性物質の圧力は、常圧で行うことができるが、所望により、加圧下でも減圧下でも実施することができる。加圧下で行う場合は、常圧を越えて100気圧以下とすることができる。減圧下で行う場合は、常圧未満で10-2Torr以上とすることができる。反応時間は、反応性生物の選択率や収率の実質的な目標値を定め、適宜選択すればよく、特に制限されないが、通常、数秒ないし数時間である。
また、反応形式としては、回分的又は連続的に行うことが可能であり、特に制限されない。反応を連続的に行う場合には、適当な装置を併用し、カソード側中間室内に形成される反応混合物を連続的に抜き出しながら、電解質溶液をカソード側中間室に連続的に導入すればよい。具体的には、例えば、カソード側中間室に新たに電解質溶液の排出口を設置して、電解質溶液を入り口8から連続的に導入し、該排出口から反応混合物を連続的に抜き出してもよい。
As reaction conditions in the method of the present invention, the reaction temperature is usually selected from the range of -20 to 200 ° C, preferably -5 to 150 ° C. Moreover, the pressure of the reducing substance and the oxidizing substance during the reaction can be carried out at normal pressure, but can be carried out under pressure or under reduced pressure as desired. In the case of carrying out under pressure, the pressure can be over normal pressure and not more than 100 atm. When carried out under reduced pressure, the pressure can be made 10 −2 Torr or more under normal pressure. The reaction time may be selected as appropriate by determining a substantial target value of the selectivity and yield of the reactive organism, and is not particularly limited, but is usually several seconds to several hours.
Moreover, as a reaction format, it can carry out batchwise or continuously, and it does not restrict | limit in particular. When the reaction is continuously performed, an appropriate apparatus may be used in combination, and the electrolyte solution may be continuously introduced into the cathode-side intermediate chamber while continuously extracting the reaction mixture formed in the cathode-side intermediate chamber. Specifically, for example, a new electrolyte solution outlet may be installed in the cathode-side intermediate chamber, the electrolyte solution may be continuously introduced from the inlet 8, and the reaction mixture may be continuously extracted from the outlet. .

反応生成物は、反応装置中の反応混合物から慣用の手段、例えば、蒸留又は抽出などを公知の分離手段によって分離し、所望の純度にすることができる。なお、反応装置の大きさについては特に制限はないが、例えば、中間室の容積は約1cm3 から約10m3 の範囲から選択することができ、カソード室及びアノード室の容積もそれに合わせて調整することができる。
次に、本発明について、水素と酸素から過酸化水素を製造する反応を例にとって説明する。この場合、以下の(1)、(2)式に示す反応が、ガス(水素、酸素)と液体(アルカリ電解質溶液)と固体電極(アノード4、カソード5)が形成する、気体−液体−固体の三相界面で進行する。
2 + 2OH- → 2H2 O + 2e- (1)
2 + H2 O +2e- → HO2 - + OH- (2)
The reaction product can be separated from the reaction mixture in the reactor by a conventional means such as distillation or extraction by a known separation means to obtain a desired purity. The size of the reactor is not particularly limited. For example, the volume of the intermediate chamber can be selected from a range of about 1 cm 3 to about 10 m 3 , and the volumes of the cathode chamber and the anode chamber are adjusted accordingly. can do.
Next, the present invention will be described by taking as an example a reaction for producing hydrogen peroxide from hydrogen and oxygen. In this case, the reaction shown in the following formulas (1) and (2) is formed by a gas-liquid-solid formed by a gas (hydrogen, oxygen), a liquid (alkali electrolyte solution), and a solid electrode (anode 4, cathode 5). It proceeds at the three-phase interface.
H 2 + 2OH → 2H 2 O + 2e (1)
O 2 + H 2 O + 2e → HO 2 + OH (2)

すなわち、アノード4に供給された水素供与体である水素は、電極上で水酸化イオンと反応して水と電子を放出し((1)式)、電子は外部回路を経由してカソード5に移動する。そして、カソード5では供給された酸素が電子及び水と反応して、生成物である過酸化水素(ヒドロペルオキシアニオン)と水酸化イオンが得られる((2)式)。水酸化イオンはアニオン交換膜12を通過してカソード側中間室2Aからアノード側中間室2Bへ移動し、(1)式の反応原料として供給される。
本発明の装置は、還元性物質、酸化性物質をガスとして供給するので、背景技術の欄のところで説明した(IV)〜(VII)に記載の従来の燃料電池型反応装置に比べ、各物質の活量を上げることが可能となり、反応活性及び反応選択性が向上するという効果がある。このように、上記の装置を用いると、アノード4及びカソード5の両者の内部において、反応性を有する化学種の三相界面への移動が起きる。このため、本発明においては、アノード及びカソードの両者がイオン伝導性あるいは活性種伝導性であることを必要とする。以上の反応原理は、この過酸化水素製造法に限らず、その他の種々の酸化反応においても本質的に同様である。
That is, hydrogen as a hydrogen donor supplied to the anode 4 reacts with hydroxide ions on the electrode to release water and electrons (formula (1)), and the electrons pass through an external circuit to the cathode 5. Moving. At the cathode 5, the supplied oxygen reacts with electrons and water to obtain hydrogen peroxide (hydroperoxyanion) and hydroxide ions as products (formula (2)). The hydroxide ions pass through the anion exchange membrane 12, move from the cathode side intermediate chamber 2A to the anode side intermediate chamber 2B, and are supplied as a reaction raw material of the formula (1).
Since the apparatus of the present invention supplies a reducing substance and an oxidizing substance as gas, each substance is compared with the conventional fuel cell reactor described in (IV) to (VII) described in the background art section. It is possible to increase the activity of the reaction, and there is an effect that the reaction activity and reaction selectivity are improved. As described above, when the above apparatus is used, the chemical species having reactivity move to the three-phase interface inside both the anode 4 and the cathode 5. For this reason, in the present invention, both the anode and the cathode are required to be ion-conductive or active species-conductive. The above reaction principle is essentially the same not only in this hydrogen peroxide production method but also in other various oxidation reactions.

次に、実施例ならびに比較例をもって本発明をさらに詳細に説明する。
[実施例1]
実施例1では図2と図3に示す燃料電池型反応装置を用いて、酸素と水素からの過酸化水素の製造を行った。この反応装置は、アノード4の内側とカソード5の内側の間に形成された中間室と、アノード4の外側にあるアノード室1と、カソード5の外側にあるカソード室3を有する三槽構造からなり、さらに中間室がアニオン交換膜12より、カソード側中間室2Aとアノード側中間室2Bとに仕切られている。アニオン交換膜12としては、アシプレックスA−211(円形、厚さ:430〜480μm、直径:約25mm、旭化成(株)製)を用いた。アノード側中間室2Bにはアルカリ電解質溶液の入口11と排出口13が設けられている。また、カソード側中間室2Aにはアルカリ電解質溶液の入口8が設けられている。アノード側中間室及びカソード側中間室には、入口11及び入口8から、アルカリ電解質溶液として、2N水酸化ナトリウム水溶液を各々1.2ml量導入した。アノード室1は還元性物質(水素)の入口6と、余剰の還元性物質の排出口14を有する。カソード室3は酸化性物質(酸素)の入口7と、余剰の酸化性物質の排出口15を有する。アノード4とカソード5の上には集電のための金製メッシュ21が配され、金製リード線9によって、電流計10を介して短絡されている。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples.
[Example 1]
In Example 1, hydrogen peroxide was produced from oxygen and hydrogen using the fuel cell reactor shown in FIGS. This reactor comprises a three-tank structure having an intermediate chamber formed between the inside of the anode 4 and the inside of the cathode 5, the anode chamber 1 outside the anode 4, and the cathode chamber 3 outside the cathode 5. Further, the intermediate chamber is partitioned by the anion exchange membrane 12 into a cathode side intermediate chamber 2A and an anode side intermediate chamber 2B. As anion exchange membrane 12, Aciplex A-211 (circular, thickness: 430 to 480 μm, diameter: about 25 mm, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) was used. The anode side intermediate chamber 2B is provided with an inlet 11 and an outlet 13 for an alkaline electrolyte solution. The cathode side intermediate chamber 2A is provided with an inlet 8 for an alkaline electrolyte solution. Into the anode side intermediate chamber and the cathode side intermediate chamber, 1.2 ml each of 2N sodium hydroxide aqueous solution was introduced as an alkaline electrolyte solution from the inlet 11 and the inlet 8. The anode chamber 1 has a reducing substance (hydrogen) inlet 6 and a surplus reducing substance outlet 14. The cathode chamber 3 has an inlet 7 for oxidizing material (oxygen) and a discharge port 15 for excess oxidizing material. A gold mesh 21 for current collection is disposed on the anode 4 and the cathode 5, and is short-circuited via an ammeter 10 by a gold lead wire 9.

アノード4とカソード5の作成方法は以下の通りである。アノード4は、白金黒粉末(和光純薬工業(株)製)20mg、カーボンファイバー粉末(昭和電工(株)製)70mg及びPTFE粉末(ダイキン工業(株))7mgをよく混合し、これを円形シート状(厚さ:約1mm、直径:約25mm)にホットプレート(ADAVANTEC社製TOP−15)とステンレス板、ステンレスローラーを用いて120℃で成型し作成した。カソード5は、カーボンファイバー粉末(昭和電工(株)製)70mg及びPTFE粉末(ダイキン工業(株))7mgを混合したものをアノード4と同様にホットプレート(ADAVANTEC社製TOP−15)とステンレス板、ステンレスローラーを用いて120℃で成型することにより得た。こうして得られたシート状のアノード4及びカソード5を10mmの間隔を置いて取り付けてカソード側中間室2A及びアノード側中間室2Bとアノード室1とカソード室3を形成し、両極上に配した集電用金メッシュ21に接続した金リード線9によって反応装置の外部で電流計10を介して短絡させた。   The production method of the anode 4 and the cathode 5 is as follows. The anode 4 was prepared by mixing 20 mg of platinum black powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 70 mg of carbon fiber powder (manufactured by Showa Denko KK) and 7 mg of PTFE powder (Daikin Kogyo Co., Ltd.). A sheet (thickness: about 1 mm, diameter: about 25 mm) was formed by molding at 120 ° C. using a hot plate (TOP-15 manufactured by ADAVANTEC), a stainless steel plate, and a stainless steel roller. The cathode 5 is a mixture of 70 mg of carbon fiber powder (manufactured by Showa Denko KK) and 7 mg of PTFE powder (Daikin Kogyo Co., Ltd.). It was obtained by molding at 120 ° C. using a stainless roller. The thus obtained sheet-like anode 4 and cathode 5 are attached at an interval of 10 mm to form the cathode side intermediate chamber 2A, the anode side intermediate chamber 2B, the anode chamber 1 and the cathode chamber 3, and are arranged on both electrodes. The gold lead wire 9 connected to the electric gold mesh 21 was short-circuited through the ammeter 10 outside the reaction apparatus.

上記の反応装置を用いて以下のようにして反応を行った。アノード側中間室2Bに導入されたアルカリ電解質溶液(2N水酸化ナトリウム水溶液)を1.5ml/時間で連続的に供給し、アノード室1に水素ガスを、カソード室3に酸素ガスをそれぞれ常圧下、20ml/分の流量で供給し、反応温度25℃、反応時間2時間として反応を行った。その結果、カソード側中間室2Aの水酸化ナトリウム水溶液中に過酸化水素の生成が認められ、同時に電流の発生も認められた。この間、アノード4とカソード5の間の電位差、電流及び両極間を流れた電気量を、各々電位差計(北斗電工社製ELECTRONMETERHE−104)、無抵抗電流計(北斗電工社製ZEROSHUNTAMMETERHM−104)及びクーロンメーター(北斗電工社製COULOMBMETERHF−210)を用いて測定した。生成した過酸化水素の濃度は、KMnO4 水溶液を用いて分析した。
得られた過酸化水素の生成濃度は8.5重量%、生成速度は0.813mmol・cm-2・h-1、電流効率は70.0%、電流密度は62.3mA・cm-2であった。電流効率は、流れた電気量を無抵抗電流計とクーロンメーターを用いて計測し、下記の式によって求めた。
電流効率=(過酸化水素蓄積量(mol)×100/(流れた電気量(C)/96500(C/mol))
式中の電気量とは、計測クーロン値(Q)を平均電流値に換算した値である(I(A)=Q(C)・3600(S))。
The reaction was carried out using the above reaction apparatus as follows. The alkaline electrolyte solution (2N aqueous sodium hydroxide solution) introduced into the anode-side intermediate chamber 2B is continuously supplied at 1.5 ml / hour, hydrogen gas is supplied to the anode chamber 1 and oxygen gas is supplied to the cathode chamber 3 at normal pressure. The reaction was conducted at a flow rate of 20 ml / min, with a reaction temperature of 25 ° C. and a reaction time of 2 hours. As a result, generation of hydrogen peroxide was observed in the sodium hydroxide aqueous solution in the cathode-side intermediate chamber 2A, and at the same time, generation of current was also observed. During this time, the potential difference between the anode 4 and the cathode 5, the current and the amount of electricity flowing between the two electrodes were respectively measured by a potentiometer (ELECTRONMETERHE-104 manufactured by Hokuto Denko), a non-resistance ammeter (ZEROSHUNTM METERHM-104 manufactured by Hokuto Denko) and The measurement was performed using a coulomb meter (COULOMMETERHF-210 manufactured by Hokuto Denko). The concentration of the generated hydrogen peroxide was analyzed using a KMnO 4 aqueous solution.
The concentration of hydrogen peroxide obtained was 8.5% by weight, the rate of formation was 0.813 mmol · cm −2 · h −1 , the current efficiency was 70.0%, and the current density was 62.3 mA · cm −2 . there were. The current efficiency was obtained by measuring the amount of electricity that flowed using a non-resistance ammeter and a coulomb meter, and using the following equation.
Current efficiency = (hydrogen peroxide accumulation amount (mol) × 100 / (amount of electricity flowed (C) / 96500 (C / mol))
The quantity of electricity in the equation is a value obtained by converting the measured coulomb value (Q) into an average current value (I (A) = Q (C) · 3600 (S)).

[実施例2]
アノード側中間室2Bにアルカリ電解質溶液(2N水酸化ナトリウム水溶液)を連続的に供給しなかった以外は実施例1と同様にして反応を行った。過酸化水素の生成濃度は6.3重量%、生成速度は0.533mmol・cm-2・h-1、電流効率は70.5%、電流密度は40.8mA・cm-2であった。
[実施例3]
アニオン交換膜として、アシプレックスA−201(円形、厚さ:150〜230μm、直径:約25mm、旭化成(株)製)を用いた以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、過酸化水素の生成濃度は7.1重量%、生成速度は0.806mmol・cm-2・h-1、電流効率は64.3%、電流密度は67.2mA・cm-2であった。
[Example 2]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the alkaline electrolyte solution (2N aqueous sodium hydroxide solution) was not continuously supplied to the anode-side intermediate chamber 2B. The production concentration of hydrogen peroxide was 6.3% by weight, the production rate was 0.533 mmol · cm −2 · h −1 , the current efficiency was 70.5%, and the current density was 40.8 mA · cm −2 .
[Example 3]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that Aciplex A-201 (circular, thickness: 150 to 230 μm, diameter: about 25 mm, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) was used as the anion exchange membrane. As a result, the production concentration of hydrogen peroxide was 7.1 wt%, the production rate was 0.806 mmol · cm −2 · h −1 , the current efficiency was 64.3%, and the current density was 67.2 mA · cm −2 . there were.

[実施例4]
アニオン交換膜として、アシプレックスA−221(円形、厚さ:130〜190μm、直径:約25mm、旭化成(株)製)を用いた以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、過酸化水素の生成濃度は6.8重量%、生成速度は0.808mmol・cm-2・h-1、電流効率は65.1%、電流密度は66.5mA・cm-2であった。
[実施例5]
カソードとして、カーボンファイバー粉末(昭和電工(株)製)70mg、カーボンブラック(CABOT CORPORATION社製 XC72)10mg及びPTFE粉末(ダイキン工業(株))7mgを混合したものを実施例1と同様にホットプレート(ADAVANTEC社製TOP−15)とステンレス板、ステンレスローラーを用いて120℃で成型することにより得たものを使用した以外は、実施例4と同様にして反応を行った。その結果、過酸化水素の生成濃度は10.3重量%、生成速度は0.73mmol・cm-2・h-1、電流効率は37.0%、電流密度は105.0mA・cm-2であった。
[Example 4]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that Aciplex A-221 (circular, thickness: 130 to 190 μm, diameter: about 25 mm, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) was used as the anion exchange membrane. As a result, the production concentration of hydrogen peroxide was 6.8% by weight, the production rate was 0.808 mmol · cm −2 · h −1 , the current efficiency was 65.1%, and the current density was 66.5 mA · cm −2 . there were.
[Example 5]
A cathode mixed with 70 mg of carbon fiber powder (manufactured by Showa Denko KK), 10 mg of carbon black (XC72 manufactured by CBOT CORPORATION) and 7 mg of PTFE powder (Daikin Industries, Ltd.) as the cathode was the same as in Example 1. The reaction was carried out in the same manner as in Example 4 except that what was obtained by molding at 120 ° C. using a stainless steel plate and a stainless roller (TOP-15 manufactured by ADAVANTEC) was used. As a result, the production concentration of hydrogen peroxide was 10.3 wt%, the production rate was 0.73 mmol · cm −2 · h −1 , the current efficiency was 37.0%, and the current density was 105.0 mA · cm −2 . there were.

[比較例1]
開回路条件(両極間を短絡させない)とした以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、反応は進行せず、過酸化水素の生成は認められなかった。
[比較例2]
アノード室に水素と酸素の混合ガスを供給した以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、反応は進行するが、過酸化水素は生成せず、得られた生成物は水のみであった。
[比較例3]
カソード室に水素と酸素の混合ガスを供給した以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、反応は進行せず、過酸化水素の生成は認められなかった。
比較例1〜3の結果より、本反応は燃料電池型反応によって進行することが明白である。
[Comparative Example 1]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the open circuit conditions were set (no short circuit between both electrodes). As a result, the reaction did not proceed and the production of hydrogen peroxide was not observed.
[Comparative Example 2]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that a mixed gas of hydrogen and oxygen was supplied to the anode chamber. As a result, the reaction proceeded, but hydrogen peroxide was not produced, and the resulting product was only water.
[Comparative Example 3]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that a mixed gas of hydrogen and oxygen was supplied to the cathode chamber. As a result, the reaction did not proceed and the production of hydrogen peroxide was not observed.
From the results of Comparative Examples 1 to 3, it is clear that this reaction proceeds by a fuel cell type reaction.

[比較例4]
アニオン交換膜を用いなかった以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、過酸化水素の生成濃度は2.2重量%、生成速度は0.541mmol・cm-2・h-1、電流効率は38.0%、電流密度は76.4mA・cm-2であった。
[比較例5]
イオン交換膜として、カチオン交換膜(ナフィオン−117(円形、厚さ:200μm、直径:約25mm、デュポン製)を用いた以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、過酸化水素の生成濃度は5.9重量%、生成速度は1.224mmol・cm-2・h-1、電流効率は93.6%、電流密度は70.2mA・cm-2であった。
[比較例6]
イオン交換膜として、カチオン交換膜(ナフィオン−117(円形、厚さ:200μm、直径:約25mm、デュポン製)を用い、アノード側中間室2Bにアルカリ電解質溶液(2N水酸化ナトリウム水溶液)を連続的に供給しなかった以外は、実施例1と同様にして反応を行った。その結果、過酸化水素の生成濃度は4.2重量%、生成速度は0.802mmol・cm-2・h-1、電流効率は93.7%、電流密度は45.9mA・cm-2であった。
[Comparative Example 4]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the anion exchange membrane was not used. As a result, the production concentration of hydrogen peroxide was 2.2 wt%, the production rate was 0.541 mmol · cm −2 · h −1 , the current efficiency was 38.0%, and the current density was 76.4 mA · cm −2 . there were.
[Comparative Example 5]
The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that a cation exchange membrane (Nafion-117 (circular, thickness: 200 μm, diameter: about 25 mm, manufactured by DuPont)) was used as the ion exchange membrane. The production concentration of hydrogen oxide was 5.9 wt%, the production rate was 1.224 mmol · cm −2 · h −1 , the current efficiency was 93.6%, and the current density was 70.2 mA · cm −2 .
[Comparative Example 6]
A cation exchange membrane (Nafion-117 (circular, thickness: 200 μm, diameter: about 25 mm, manufactured by DuPont)) is used as the ion exchange membrane, and an alkaline electrolyte solution (2N aqueous sodium hydroxide solution) is continuously added to the anode-side intermediate chamber 2B. The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen peroxide was not supplied to 1. As a result, the production concentration of hydrogen peroxide was 4.2% by weight, and the production rate was 0.802 mmol · cm −2 · h −1. The current efficiency was 93.7%, and the current density was 45.9 mA · cm −2 .

本発明の反応装置、該装置を用いた化合物の製造方法は、化学品、特に水素と酸素から過酸化水素を、容易にしかも高選択率かつ高効率で製造することができ、また、必要により、電気エネルギーを得ることもできることから、化学工業において有用な化合物、特に水素と酸素から過酸化水素を製造するために用いることができる。過酸化水素は、化学、パルプ、医薬、食品、繊維、半導体工業において、漂白剤、酸化剤として使用されている有用な基礎薬品である。   The reaction apparatus of the present invention and the method for producing a compound using the apparatus can easily produce hydrogen peroxide from chemicals, particularly hydrogen and oxygen, with high selectivity and high efficiency. Since electric energy can also be obtained, it can be used for producing hydrogen peroxide from a compound useful in the chemical industry, particularly hydrogen and oxygen. Hydrogen peroxide is a useful basic chemical used as a bleach and oxidizer in the chemical, pulp, pharmaceutical, food, textile and semiconductor industries.

本発明の装置を用いて、還元性物質(水素)と酸化性物質(酸素)から過酸化水素を製造する方法の概略図である。It is the schematic of the method of manufacturing hydrogen peroxide from a reducing substance (hydrogen) and an oxidizing substance (oxygen) using the apparatus of this invention. 本発明の実施例1で用いた装置の部分分解斜視図である。It is a partial exploded perspective view of the apparatus used in Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1で用いた装置の縦断面概略図である。It is the longitudinal cross-sectional schematic of the apparatus used in Example 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 アノード室
2A カソード側中間室(アルカリ電解質溶液が含まれる)
2B アノード側中間室(アルカリ電解質溶液が含まれる)
3 カソード室
4 アノード
5 カソード
6 還元性物質(水素)の入口
7 酸化性物質(酸素)の入口
8 アルカリ電解質溶液の入口
9 リード線
10 電流計
11 アルカリ電解質溶液の入口
12 アニオン交換膜
13 アルカリ電解質溶液の出口
14 還元性物質(水素)の排出口
15 酸化性物質(酸素)の排出口
21 金製メッシュ
22 テフロン(登録商標)製押え板A
23 テフロン(登録商標)製押え板B
24 テフロン(登録商標)製スペーサー
25 シリコン製スペーサー
1 Anode chamber 2A Cathode side intermediate chamber (includes alkaline electrolyte solution)
2B Anode-side intermediate chamber (contains alkaline electrolyte solution)
3 Cathode chamber 4 Anode 5 Cathode 6 Reducing substance (hydrogen) inlet 7 Oxidizing substance (oxygen) inlet 8 Alkaline electrolyte solution inlet 9 Lead wire 10 Ammeter 11 Alkaline electrolyte solution inlet 12 Anion exchange membrane 13 Alkaline electrolyte Solution outlet 14 Reducing substance (hydrogen) outlet 15 Oxidizing substance (oxygen) outlet 21 Gold mesh 22 Teflon (registered trademark) presser plate A
23 Teflon (registered trademark) presser plate B
24 Teflon (registered trademark) spacer 25 Silicon spacer

Claims (8)

還元性物質と酸化性物質を含む系の酸化還元反応を行うための燃料電池型反応装置であって、アノード及びカソードによりアノード室、中間室、カソード室に区画され、該中間室が、アニオン交換膜によって該アノードと該アニオン交換膜の間及び該カソードと該アニオン交換膜の間にそれぞれ位置するアノード側中間室とカソード側中間室に仕切られ、該アノード側中間室及び該カソード側中間室にアルカリ電解質溶液が導入されており、且つ該アノード側中間室は、電解質溶液の入り口を有し、該アノード室は還元性物質の入り口を有し、該カソード室は酸化性物質の入り口を有し、該アノードと該カソードは外側で電子伝導体によって互いに接続されていることを特徴とする燃料電池型反応装置。   A fuel cell type reaction apparatus for conducting a redox reaction of a system containing a reducing substance and an oxidizing substance, which is divided into an anode chamber, an intermediate chamber, and a cathode chamber by an anode and a cathode, and the intermediate chamber is anion exchange The membrane is partitioned into an anode side intermediate chamber and a cathode side intermediate chamber located between the anode and the anion exchange membrane and between the cathode and the anion exchange membrane, respectively. An alkaline electrolyte solution is introduced, and the anode side intermediate chamber has an electrolyte solution inlet, the anode chamber has a reducing material inlet, and the cathode chamber has an oxidizing material inlet. The fuel cell type reactor is characterized in that the anode and the cathode are connected to each other by an electronic conductor on the outside. カソード側中間室が、電解質溶液の入り口を有していることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池型反応装置。   The fuel cell type reactor according to claim 1, wherein the cathode side intermediate chamber has an inlet for an electrolyte solution. アノード側中間室が、アルカリ電解質溶液を供給するための入り口と該アルカリ電解質溶液の排出口が設置された構造を有し、該アルカリ電解質溶液を該アノード側中間室に連続的に供給することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池型反応装置。   The anode side intermediate chamber has a structure in which an inlet for supplying an alkaline electrolyte solution and a discharge port for the alkaline electrolyte solution are installed, and the alkaline electrolyte solution is continuously supplied to the anode side intermediate chamber. The fuel cell type reactor according to claim 1 or 2, characterized in that カソードが、導電性炭素材料を含む触媒電極である請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池型反応装置。   The fuel cell reactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the cathode is a catalyst electrode containing a conductive carbon material. 導電性炭素材料が、活性炭、カーボンファイバー、グラファイト、カーボンウィスカー、カーボンブラックおよびアセチレンブラックから選ばれた1種または2種以上の炭素材料である請求項4に記載の燃料電池型反応装置。   The fuel cell reactor according to claim 4, wherein the conductive carbon material is one or more carbon materials selected from activated carbon, carbon fiber, graphite, carbon whisker, carbon black, and acetylene black. アルカリ電解質溶液が、水酸化ナトリウムを含む水溶液である請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池型反応装置。   The fuel cell reactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the alkaline electrolyte solution is an aqueous solution containing sodium hydroxide. 酸化還元反応による化合物の製造方法であって、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池型反応装置を用い、アノード室に還元性物質を導入し、そしてカソード室に酸化性物質を導入して、カソード側中間室において該還元性物質と該酸化性物質から化合物を得ることを特徴とする化合物の製造方法。   A method for producing a compound by an oxidation-reduction reaction, wherein the reducing substance is introduced into the anode chamber using the fuel cell reactor according to any one of claims 1 to 6, and the oxidizing substance is introduced into the cathode chamber. And a compound is obtained from the reducing substance and the oxidizing substance in the cathode side intermediate chamber. 還元性物質が水素供与体であり、酸化性物質が酸素ガスであり、製造される化合物が過酸化水素であることを特徴とする請求項7に記載の化合物の製造方法。   8. The method for producing a compound according to claim 7, wherein the reducing substance is a hydrogen donor, the oxidizing substance is oxygen gas, and the produced compound is hydrogen peroxide.
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