JP7492953B2 - Electrode, solid electrolyte electrolysis device, and synthesis gas generation method - Google Patents
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Description
本開示は、少なくとも一酸化炭素を含む合成ガスを生成可能な電極、固体電解質形電解装置および合成ガス生成方法に関する。 The present disclosure relates to an electrode capable of producing a synthesis gas containing at least carbon monoxide, a solid electrolyte electrolysis device, and a synthesis gas production method.
化石燃料(石油、石炭、天然ガス)は、現代のエネルギー消費社会を支えている。しかしながら、このような化石燃料の埋蔵量には限りがある。したがって、化石燃料に代わる各種代替燃料が提案されている。そのひとつに、炭化水素系燃料(HC)がある。HCは、例えば、一酸化炭素(CO)および水素(H2)を少なくとも含有した合成ガスをフィッシャー・トロプシュ反応(FT反応)させて合成可能である。 Fossil fuels (oil, coal, natural gas) support the modern energy-consuming society. However, the reserves of such fossil fuels are limited. Therefore, various alternative fuels have been proposed to replace fossil fuels. One of them is hydrocarbon fuels (HC). HC can be synthesized, for example, by subjecting a synthesis gas containing at least carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) to the Fischer-Tropsch reaction (FT reaction).
そして、特許文献1には、合成ガス合成装置が提案されている。具体的には、電解槽とは別に設けたタンクにおいて、海水中に二酸化炭素(CO2)を吹き込んで海水のpHを8から5~6に低下させ、pH調整後の海水を該タンクから電解槽に送液し電気分解する装置が開示されている。 Patent Document 1 proposes a synthetic gas synthesis apparatus. Specifically, the apparatus discloses a tank provided separately from an electrolytic cell in which carbon dioxide (CO 2 ) is blown into seawater to lower the pH of the seawater from 8 to 5-6, and the seawater after the pH adjustment is sent from the tank to the electrolytic cell for electrolysis.
ここで、特許文献1の方法では、CO2の水への溶解度が低いために合成ガスの生産効率が悪いという課題がある。そこで、本開示は、少なくともCOを含む合成ガスの生産効率が高い電極に関する技術を提供することを課題とする。 Here, the method of Patent Document 1 has a problem that the solubility of CO2 in water is low, so the production efficiency of synthesis gas is low. Therefore, an object of the present disclosure is to provide a technology related to an electrode that has high production efficiency of synthesis gas containing at least CO.
本開示の一態様によれば、
還元反応により少なくとも一酸化炭素を生成する触媒と、
前記触媒を有する電極材料と、
少なくとも前記電極材料に設けられた固体塩基と、
を有する技術を提供することができる。
According to one aspect of the present disclosure,
A catalyst that produces at least carbon monoxide by a reduction reaction;
an electrode material having the catalyst;
A solid base provided on at least the electrode material;
It is possible to provide a technique having the above-mentioned features.
本開示によれば、少なくともCOを含む合成ガスの生産効率が高い電極に関する技術を提供することが可能となる。 The present disclosure makes it possible to provide technology relating to electrodes that have high production efficiency for synthetic gas containing at least CO.
以下、本開示における固体電解質形電解装置について、一実施形態を参照しながら具体的に説明する。尚、本開示に係る発明は、以下で説明する該形態に限定されるものではない。The solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure will be specifically described below with reference to one embodiment. Note that the invention according to the present disclosure is not limited to the embodiment described below.
≪固体電解質形電解装置100≫
まず、図1を参照しながら、本実施形態に係る固体電解質形電解装置(電解セル、電解モジュールとも称される)を説明する。図1に示すように、本実施形態に係る固体電解質形電解装置100は、カソード(陰極)101と、前記カソード101と1対の電極を構成するアノード(陽極)102と、前記カソード101と前記アノード102との間に少なくとも一部が接触している状態にて介在する固体電解質103と、前記カソード101の前記固体電解質103との接触面101-1とは反対側の面101-2で接触している集電板104と、前記アノード102の前記固体電解質103との接触面102-2とは反対側の面102-1で接触している支持板105と、前記集電板104と前記支持板105との間(即ち、前記カソードと前記アノードとの間)に電圧を印加する電圧印加部106と、を有している。また、図示しない供給源および供給装置によって、気相状態でのCO2や、支持電解質H2Oを供給することとしている。なお、図1に記載した固体電解質形電解装置100は、説明のためにカソード101やアノード102などの各部品を離した状態で図示しているが、実際には、集電板104、カソード101、固体電解質103、アノード102、支持板105のそれぞれは所定の方法によって接着され、一体化して構成されている。各部品が、着脱可能に構成されて1つの固体電解質形電解装置100を構成していてもよい。以下、各構成要素を詳述する。
<Solid electrolyte electrolysis device 100>
First, a solid electrolyte electrolysis device (also referred to as an electrolysis cell or electrolysis module) according to this embodiment will be described with reference to Fig. 1. As shown in Fig. 1, the solid electrolyte electrolysis device 100 according to this embodiment includes a cathode 101, an anode 102 forming a pair of electrodes with the cathode 101, a solid electrolyte 103 interposed between the cathode 101 and the anode 102 in a state in which at least a part of the solid electrolyte 103 is in contact with the cathode 101, a current collector 104 in contact with the cathode 101 at a surface 101-2 opposite to a contact surface 101-1 with the solid electrolyte 103, a support plate 105 in contact with the anode 102 at a surface 102-1 opposite to a contact surface 102-2 with the solid electrolyte 103, and a voltage application unit 106 that applies a voltage between the current collector 104 and the support plate 105 (i.e., between the cathode and the anode). In addition, CO2 in a gas phase and supporting electrolyte H2O are supplied by a supply source and a supply device (not shown). For the sake of explanation, the solid electrolyte electrolysis device 100 shown in FIG. 1 is illustrated with each component, such as the cathode 101 and the anode 102, separated. In reality, the current collector 104, the cathode 101, the solid electrolyte 103, the anode 102, and the support plate 105 are bonded together by a predetermined method and integrated together. Each component may be detachably configured to constitute one solid electrolyte electrolysis device 100. Each component will be described in detail below.
<カソード101>
(カソード101での還元反応)
カソード101での還元反応は、固体電解質103の種類による。固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、下記式(1)と(2)の還元反応が起き、固体電解質として陰イオン交換膜を使用した場合には、下記式(3)と(4)の還元反応が起きる。
<Cathode 101>
(Reduction reaction at cathode 101)
The reduction reaction in the cathode 101 depends on the type of solid electrolyte 103. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the reduction reactions of the following formulas (1) and (2) occur, and when an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte, the reduction reactions of the following formulas (3) and (4) occur.
(カソード101の基本構造・材質)
カソード101は、ガス拡散層を含むガス拡散電極である。ガス拡散層は、例えば、カーボン紙若しくは不織布、又は金属メッシュを含む。カソード101の電極材料には、例えば、グラファイトカーボン、ガラス状カーボン、チタン、SUSを挙げることができる。また、カソード101が有する、CO2をCOに還元可能なカソードの触媒は、例えば、銀、金、銅又はそれらの組合せから選択される金属を含む。触媒は、より詳細には、例えば、金、金合金、銀、銀合金、銅、銅合金、又は、それらのいずれか1種以上を含む混合金属を含む。触媒の種類は、触媒としての機能を有するものであれば特に限定されず、耐腐食性等を考慮して決定することができる。例えば、触媒が、Al、Sn、Zn等の両性金属を含まないことで、耐腐食性を向上させることができる。蒸着、析出、吸着、堆積、接着、溶接、物理混合、噴霧等の公知の方法を実施することで、カソード101(乃至は電極材料)に対して、触媒を担持させることができる。
(Basic structure and materials of cathode 101)
The cathode 101 is a gas diffusion electrode including a gas diffusion layer. The gas diffusion layer includes, for example, carbon paper or nonwoven fabric, or a metal mesh. Examples of the electrode material of the cathode 101 include graphite carbon, glassy carbon, titanium, and SUS. The cathode catalyst capable of reducing CO 2 to CO, which the cathode 101 has, includes, for example, a metal selected from silver, gold, copper, or a combination thereof. More specifically, the catalyst includes, for example, gold, gold alloy, silver, silver alloy, copper, copper alloy, or a mixed metal including any one or more of them. The type of catalyst is not particularly limited as long as it has a catalytic function, and can be determined in consideration of corrosion resistance and the like. For example, the catalyst does not include amphoteric metals such as Al, Sn, and Zn, thereby improving corrosion resistance. The catalyst can be supported on the cathode 101 (or electrode material) by carrying out a known method such as vapor deposition, deposition, adsorption, deposition, adhesion, welding, physical mixing, spraying, etc.
(固体塩基107)
ここで、図2に示すようにカソード101は、固体塩基107を有する。固体塩基107としては、常温(25℃)で固体である塩基であれば特に限定されず、例えば、炭酸水素カリウム(KHCO3)、水酸化ナトリウム(NaOH)、アルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の炭酸物{例えば、酸化マグネシウム(MgO)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、炭酸マグネシウム(MgCO3)、酸化カルシウム(CaO)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化ストロンチウム(SrO)、水酸化ストロンチウム(Sr(OH)2)、炭酸ストロンチウム(SrCO3)、酸化バリウム(BaO)、水酸化バリウム(Ba(OH)2)、炭酸バリウム(BaCO3)など}、希土類金属の酸化物、希土類金属の水酸化物または希土類金属の炭酸塩{例えば、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ランタン(La2O3)など}、ハイドロタルカイト(例えば、金属複合水酸、炭酸塩、LDH、HT-CO3、HT-OHなど)、表面塩基処理したゼオライト、塩基処理したモレキュラーシーブ、表面塩基処理した多孔質アルミナ(KF-Al2O3)などを用いることが好ましい。特に、後述する実施例に記載するように、原子番号の小さい弱塩基性の固体塩基がより好ましい。また、水不溶性の固体塩基であるアルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の炭酸物、希土類金属の酸化物、希土類金属の水酸化物または希土類金属の炭酸塩を用いることがガス中の水や反応で発生する水により流されず、固体塩基107を有するカソードとしての耐久性が低下しないため、さらにより好ましい。ここで、「水不溶性」とは、10mgが20℃の水100mLに溶解しないものをいう。尚、固体塩基107は、カソード101の、固体電解質103との接触面101-1側に存在することが好適である。このように構成する理由は、カソード101と固体電解質103との界面が反応サイトであるからである。また、固体塩基107は、カソード101の材料との混合物として存在しても良く、また、化合物として一体化された状態で存在してもよい。塗布、蒸着、析出、物理混合等の公知の方法を実施することで、カソード101(乃至は電極材料)に対して固体塩基107を担持させることができる。固体塩基の単位面積あたりの質量は、特に限定されないが、例えば、0.1~10mg/cm2、好ましくは0.1~6mg/cm2である。
(Solid Base 107)
Here, as shown in FIG. 2, the cathode 101 has a solid base 107 . The solid base 107 is not particularly limited as long as it is a base that is solid at room temperature (25° C.), and examples thereof include potassium bicarbonate (KHCO 3 ), sodium hydroxide (NaOH), an oxide of an alkaline earth metal, a hydroxide of an alkaline earth metal, or a carbonate of an alkaline earth metal {e.g., magnesium oxide (MgO), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ), magnesium carbonate (MgCO 3 ), calcium oxide (CaO), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), strontium oxide (SrO), strontium hydroxide (Sr(OH) 2 ), strontium carbonate (SrCO 3 ), barium oxide (BaO), barium hydroxide (Ba(OH) 2 ), barium carbonate (BaCO 3 ), etc.}, an oxide of a rare earth metal, a hydroxide of a rare earth metal, or a carbonate of a rare earth metal {e.g., yttrium oxide (Y 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), etc.}. 3 ) and the like}, hydrotalcite (e.g., metal complex hydroxide, carbonate, LDH, HT-CO 3 , HT-OH, etc.), surface-basified zeolite, base-treated molecular sieve, surface-basified porous alumina (KF-Al 2 O 3 ), and the like are preferably used. In particular, as described in the examples below, a weakly basic solid base having a small atomic number is more preferable. In addition, it is even more preferable to use an alkaline earth metal oxide, an alkaline earth metal hydroxide, or an alkaline earth metal carbonate, an alkaline earth metal oxide, a rare earth metal hydroxide, or a rare earth metal carbonate, which are water-insoluble solid bases, because they are not washed away by water in the gas or water generated by the reaction, and the durability of the cathode having the solid base 107 is not reduced. Here, "water-insoluble" refers to a substance that does not dissolve 10 mg in 100 mL of water at 20°C. It is preferable that the solid base 107 is present on the contact surface 101-1 side of the cathode 101 with the solid electrolyte 103. The reason for this configuration is that the interface between the cathode 101 and the solid electrolyte 103 is a reaction site. The solid base 107 may be present as a mixture with the material of the cathode 101, or may be present in an integrated state as a compound. The solid base 107 can be supported on the cathode 101 (or the electrode material) by carrying out a known method such as coating, vapor deposition, precipitation, physical mixing, etc. The mass per unit area of the solid base is not particularly limited, but is, for example, 0.1 to 10 mg/cm 2 , preferably 0.1 to 6 mg/cm 2 .
ここで、固体塩基107を用いると効率が上がる理由については、以下の作用機序が推定される。まず、例えば、工場における排出ガスといったような含有濃度が10~20%となる低濃度CO2ガスを固体電解質形電解装置100に供給した場合、CO2が低濃度であるが故にカソード101表面に吸着されにくい。そこで、図2に示すように、カソード101表面に固体塩基107を添加することで、固体塩基が存在している箇所に対して局所的に効率よくCO2を吸着でき、CO2還元を進行させることができると理解される。また、固体電解質103として陽イオン交換膜を採用した場合、カソード101表面にH+が多いと、CO2が十分に吸着できないと理解される。この際、固体塩基107が存在すると反応が進行すると考えられる(例えばpH>2となるようにpHを制御することが好ましい)。他方、固体電解質として陰イオン交換膜を採用した場合、カソード表面にOH-が存在しているため、CO2が吸着され、CO2還元には適している。しかし、OH-が多すぎると安定なCO3 2-で吸着されてしまい、CO2還元反応が十分に進まないと理解される。この際、弱塩基性の固体塩基107が存在すると、CO2還元反応がより進行すると考えられる(例えばpH<12となるようにpHを制御することが好ましい)。本発明において、このような固体塩基および触媒を有する電極を、「触媒と、触媒を有する電極材料と、少なくとも電極材料に設けられた固体塩基と、を有する電極」(換言すれば、触媒および固体塩基を有する電極材料、を有する電極)、または、「触媒を有し、固体塩基を更に有するカソード」等と表現することができる。 Here, the reason why the efficiency is improved by using the solid base 107 is presumed to be the following mechanism of action. First, when a low-concentration CO 2 gas with a content concentration of 10 to 20%, such as exhaust gas from a factory, is supplied to the solid electrolyte electrolysis device 100, the CO 2 is not easily adsorbed on the surface of the cathode 101 due to its low concentration. Therefore, as shown in FIG. 2, it is understood that by adding the solid base 107 to the surface of the cathode 101, CO 2 can be locally and efficiently adsorbed to the area where the solid base exists, and CO 2 reduction can be promoted. In addition, when a cation exchange membrane is adopted as the solid electrolyte 103, it is understood that if there is a lot of H + on the surface of the cathode 101, CO 2 cannot be sufficiently adsorbed. In this case, it is considered that the reaction proceeds when the solid base 107 is present (for example, it is preferable to control the pH so that pH>2). On the other hand, when an anion exchange membrane is adopted as the solid electrolyte, OH - exists on the cathode surface, so that CO 2 is adsorbed and is suitable for CO 2 reduction. However, if there is too much OH- , it is adsorbed as stable CO3 2- , and it is understood that the CO2 reduction reaction does not proceed sufficiently. In this case, if a weakly basic solid base 107 is present, it is considered that the CO2 reduction reaction proceeds more (for example, it is preferable to control the pH so that the pH is less than 12). In the present invention, an electrode having such a solid base and catalyst can be expressed as "an electrode having a catalyst, an electrode material having a catalyst, and at least a solid base provided on the electrode material" (in other words, an electrode having an electrode material having a catalyst and a solid base), or "a cathode having a catalyst and further having a solid base", etc.
<アノード102>
(アノード102での酸化反応)
アノード102での酸化反応は、固体電解質103の種類による。固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、下記式(5)の酸化反応が起き、固体電解質103として陰イオン交換膜を使用した場合には、下記式(6)の酸化反応が起きる。
<Anode 102>
(Oxidation Reaction at the Anode 102)
The oxidation reaction at the anode 102 depends on the type of solid electrolyte 103. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the oxidation reaction of the following formula (5) occurs, and when an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the oxidation reaction of the following formula (6) occurs.
(アノード102の基本構造・材質)
アノード102は、ガス拡散層を含むガス拡散電極である。ガス拡散層は、例えば、金属メッシュを含む。アノード102の電極材料には、例えば、Ir、IrO2、Ru、RuO2、Co、CoOx、Cu、CuOx、Fe、FeOx、FeOOH、FeMn、Ni、NiOx、NiOOH、NiCo、NiCe、NiC、NiFe、NiCeCoCe、NiLa、 NiMoFe、 NiSn、 NiZn、 SUS、Au、Ptを挙げることができる。
(Basic structure and material of anode 102)
The anode 102 is a gas diffusion electrode including a gas diffusion layer. The gas diffusion layer includes, for example, a metal mesh. Examples of the electrode material of the anode 102 include Ir, IrO2 , Ru, RuO2 , Co, CoOx, Cu, CuOx, Fe, FeOx, FeOOH, FeMn, Ni, NiOx, NiOOH, NiCo, NiCe, NiC, NiFe, NiCeCoCe, NiLa, NiMoFe, NiSn, NiZn, SUS, Au, and Pt.
<固体電解質103>
固体電解質103は、カソード101とアノード102との間に接触状態にて介在する。ここで、固体電解質103は、特に高分子膜に限定される訳ではないが、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜が好適であり、陰イオン交換膜がより好適である。陽イオン交換膜としては、例えば、フッ素樹脂母体にスルホン基を導入した強酸性陽イオン交換膜、Nafion 117、Nafion115、Nafion212やNafion 350(デュポン社製)、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体母体にスルホン基を導入した強酸性陽イオン交換膜、又はネオセプタ CMX(徳山曹達社製)等を用いることができる。また、陰イオン交換膜としては、例えば、4級アンモニウム基、1級アミノ基、2級アミノ基、3級アミノ基、更にこれらのイオン交換基が複数混在した陰イオン交換膜が挙げられる。具体例としては、例えば、ネオセプタ(登録商標)ASE、AHA、AMX、ACS、AFN、AFX(トクヤマ社製)、セレミオン(登録商標) AMV、AMT、DSV、AAV、ASV、AHO、AHT、APS4(旭硝子社製)等を用いることができる。
<Solid Electrolyte 103>
The solid electrolyte 103 is interposed between the cathode 101 and the anode 102 in contact with each other. Here, the solid electrolyte 103 is not particularly limited to a polymer membrane, but is preferably a cation exchange membrane or an anion exchange membrane, and more preferably an anion exchange membrane. As the cation exchange membrane, for example, a strongly acidic cation exchange membrane in which a sulfone group is introduced into a fluororesin matrix, such as Nafion 117, Nafion 115, Nafion 212, or Nafion 350 (manufactured by DuPont), a strongly acidic cation exchange membrane in which a sulfone group is introduced into a styrene-divinylbenzene copolymer matrix, or Neocepta CMX (manufactured by Tokuyama Soda Co., Ltd.), can be used. As the anion exchange membrane, for example, a quaternary ammonium group, a primary amino group, a secondary amino group, a tertiary amino group, or an anion exchange membrane in which a plurality of these ion exchange groups are mixed can be used. Specific examples include Neocepta (registered trademark) ASE, AHA, AMX, ACS, AFN, AFX (manufactured by Tokuyama Corporation), Selemion (registered trademark) AMV, AMT, DSV, AAV, ASV, AHO, AHT, APS4 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc.
<集電板104>
集電板104としては、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼(SUS)、ニッケルメッキ鋼、真鍮等の金属材料が挙げられ、中でも加工し易さとコストの点から銅が好ましい。負極集電板の形状は、集電板104が金属材料の場合は、例えば、金属箔、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチングメタル、発泡メタル等が挙げられる。
<Current collector plate 104>
Examples of the current collector 104 include metal materials such as copper (Cu), nickel (Ni), stainless steel (SUS), nickel-plated steel, and brass, and among these, copper is preferred from the viewpoints of ease of processing and cost. When the current collector 104 is made of a metal material, examples of the shape of the negative electrode current collector include metal foil, metal plate, metal thin film, expanded metal, punched metal, and foamed metal.
ここで、図1に示すように、集電板104には、カソード101にガス(原料ガスや生成ガス)を供給および回収するためのガス供給孔104-1およびガス回収孔104-2が設けられている。当該ガス供給孔104-1および当該ガス回収孔104-2により、カソード101に均一且つ効率よく原料ガスを送り込み生成ガス(未反応原料ガスを含む)を排出することが可能となる。尚、当該図では、ガス供給孔およびガス回収孔がそれぞれ1個ずつ設けられているが、その数・場所・大きさは限定されず、適宜設定される。加えて、集電板104が通気性のあるものである場合には、ガス供給孔およびガス回収孔は必ずしも必要無い。 As shown in FIG. 1, the current collector 104 is provided with a gas supply hole 104-1 and a gas recovery hole 104-2 for supplying and recovering gas (raw material gas and generated gas) to the cathode 101. The gas supply hole 104-1 and the gas recovery hole 104-2 make it possible to uniformly and efficiently feed raw material gas to the cathode 101 and discharge generated gas (including unreacted raw material gas). Note that, although one gas supply hole and one gas recovery hole are provided in the figure, the number, location, and size are not limited and are set appropriately. In addition, if the current collector 104 is breathable, the gas supply hole and the gas recovery hole are not necessarily required.
尚、カソード101が電子を伝達する役割を持っている場合には、集電板104は必ずしも必要無い。 Furthermore, if the cathode 101 has the role of transmitting electrons, the collector plate 104 is not necessarily required.
<支持板105>
支持板105は、アノードを支持する役割を果たす。したがって、アノードの厚み・剛性等により、求められる支持板105の剛性も変わる。また、当該支持板105は、アノードからの電子を受け取るべく、電気伝導性を有している必要がある。支持板105の材料としては、例えば、Ti、SUS、Niを挙げることができる。
<Support Plate 105>
The support plate 105 plays a role of supporting the anode. Therefore, the required rigidity of the support plate 105 varies depending on the thickness and rigidity of the anode. The support plate 105 must also have electrical conductivity in order to receive electrons from the anode. Examples of materials for the support plate 105 include Ti, SUS, and Ni.
ここで、図1に示すように、支持板105には、アノード102に原料ガス(H2O等)を送り込むためのガス流路105-1が設けられている。当該ガス流路により、アノード102に均一且つ効率よく原料ガスを送り込むことが可能となる。尚、当該図では、8個のガス流路が設けられているが、その数・場所・大きさは限定されず、適宜設定される。 1, the support plate 105 is provided with a gas flow path 105-1 for feeding a source gas (H 2 O, etc.) to the anode 102. The gas flow path makes it possible to feed the source gas uniformly and efficiently to the anode 102. In the figure, eight gas flow paths are provided, but the number, location, and size of the gas flow paths are not limited and may be set appropriately.
尚、本形態では、アノード102と支持板105を別体のものとして説明したが、アノード102と支持板105とが一体構造であってもよい(即ち、支持機能を持った、一体型アノード102として構成してもよい)。In this embodiment, the anode 102 and the support plate 105 are described as separate entities, but the anode 102 and the support plate 105 may be of an integral structure (i.e., they may be configured as an integrated anode 102 with a support function).
<電圧印加部106>
電圧印加部106は、図1に示すように、集電板104と支持板105に電圧を印加することを通じ、カソード101とアノード102との間に電圧を印加する役割を担う。ここで、前記のように、集電板104は導電体であるため、カソード101に電子を供給する一方、支持板105も導電体であるため、アノード102からの電子を受け取ることになる。尚、前記のように集電板104が必要無い場合においては、カソード101と支持板105との間に電圧は印加される。また、電圧印加部106には、適切な電圧を印加するために、図示しない制御部が電気的に接続されていてもよい。
<Voltage application unit 106>
1, the voltage application unit 106 applies a voltage between the cathode 101 and the anode 102 by applying a voltage to the current collector 104 and the support plate 105. As described above, the current collector 104 is a conductor and therefore supplies electrons to the cathode 101, while the support plate 105 is also a conductor and therefore receives electrons from the anode 102. In addition, in the case where the current collector 104 is not required as described above, a voltage is applied between the cathode 101 and the support plate 105. In addition, a control unit (not shown) may be electrically connected to the voltage application unit 106 in order to apply an appropriate voltage.
<反応ガス供給部>
本開示における固体電解質形電解装置100には、図示しない反応ガス供給部が、固体電解質形電解装置100の外側に備えられていてもよい。すなわち、面101-2に反応ガスであるCO2が供給されればよく、図示しない配管などを介して反応ガス供給部からガス供給孔104-1に反応ガスが供給されてもよいし、集電板104の、カソード101との接触面104-Bとは反対側の面104-Aに反応ガスが吹付けられるように設けられていてもよい。また、この反応ガスは、工場から排出される工場排出ガスを用いることが、環境面から好適である。
<Reaction gas supply unit>
The solid electrolyte electrolysis device 100 in the present disclosure may be provided with a reaction gas supply unit (not shown) on the outside of the solid electrolyte electrolysis device 100. That is, it is sufficient that CO 2 , which is a reaction gas, is supplied to the surface 101-2, and the reaction gas may be supplied from the reaction gas supply unit to the gas supply hole 104-1 via a pipe (not shown) or the like, or the reaction gas may be sprayed onto the surface 104-A of the current collector 104 opposite to the contact surface 104-B with the cathode 101. From an environmental perspective, it is preferable to use factory exhaust gas discharged from a factory as the reaction gas.
≪CO生成方法≫
次に、上述した固体電解質形電解装置100を用いたCO生成方法について、図3を用いて説明する。
<CO generation method>
Next, a method for producing CO using the above-mentioned solid electrolyte electrolysis device 100 will be described with reference to FIG.
<反応ガス供給工程S301>
まず、図示しない反応ガス供給部によって、原料としての反応ガスであるCO2が気相状態にて固体電解質形電解装置100へ供給される。このとき、CO2は集電板104に設けられたガス供給孔104-1を介してカソード101に供給される(S301)。
<Reaction gas supply process S301>
First, CO2 , which is a reactant gas serving as a raw material, is supplied in a gas phase state by a reactant gas supply unit (not shown) to the solid electrolyte electrolysis device 100. At this time, CO2 is supplied to the cathode 101 through the gas supply hole 104-1 provided in the current collector plate 104 (S301).
<CO,H2生成工程S302>
次に、カソード101に供給されたCO2は、カソード101表面において、還元反応により、固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、上述した式(1)及び式(2)の還元反応が起き、固体電解質として陰イオン交換膜を使用した場合には、上述した式(3)及び式(4)の還元反応が起きることで、COとH2を少なくとも含んだ合成ガスを生成する(S302)。
<CO, H2 production process S302>
Next, the CO2 supplied to the cathode 101 undergoes a reduction reaction on the surface of the cathode 101. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the reduction reactions of the above-mentioned formulas (1) and (2) occur. When an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte, the reduction reactions of the above-mentioned formulas (3) and (4) occur, thereby generating a synthesis gas containing at least CO and H2 (S302).
<生成ガス回収工程S303>
次に、生成されたCOとH2を含んだ合成ガスは、集電板104に設けられたガス回収孔104-2を介して図示しないガス回収装置に送られ、所定のガス毎に回収されることとなる(S303)。
<Produced gas recovery step S303>
Next, the synthesis gas containing the generated CO and H2 is sent to a gas recovery device (not shown) through gas recovery holes 104-2 provided in the current collector 104, and is recovered in predetermined gas fractions (S303).
≪用途≫
図4に示すように、上述したような本開示に係る固体電解質形電解装置に対して、例えば工場より排出されたCO2ガスを原料として、電圧印加部106への太陽電池等の再生可能エネルギーを利用することで、所望の生成割合による少なくともCOとH2を含有した合成ガスを生成することが可能となる。このようにして生成された合成ガスは、FT合成やメタネーション等の手法により燃料基材や、化学品原料を生成することができる。
<Application>
As shown in Fig. 4, for the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure as described above, it is possible to generate a synthesis gas containing at least CO and H2 in a desired production ratio by using, for example, CO2 gas discharged from a factory as a raw material and utilizing renewable energy such as a solar cell for the voltage application unit 106. The synthesis gas thus generated can be used to generate a fuel base material or a chemical raw material by a method such as FT synthesis or methanation.
以下に、上述した本実施形態を用いた場合の実施例および比較例を挙げて具体的に説明する。 Below, we will provide specific examples and comparative examples of the use of the above-mentioned embodiment.
図1に示す固体電解質形電解装置100を組み立て(支持板=3mmのTi板)、表1-3に、使用したカソード触媒と固体塩基材料毎の合成ガス生成結果を示した。The solid electrolyte electrolysis device 100 shown in Figure 1 was assembled (support plate = 3 mm Ti plate), and the synthesis gas production results for each cathode catalyst and solid base material used are shown in Table 1-3.
表1は、固体電解質103として陰イオン交換膜を用い、カソード触媒に銀(Ag)を用い、各固体塩基をカソード101に添加した場合の固体電解質形電解装置100における実験データを示している。Table 1 shows experimental data for a solid electrolyte electrolysis device 100 in which an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, silver (Ag) is used as the cathode catalyst, and each solid base is added to the cathode 101.
表1の実験条件は、アノード材料として白金メッシュを用い、カソード材料としてAgを塗布することで薄膜形成されたカーボンペーパー、アノード電解液として飽和KHCO3水溶液、集電板104と支持板105に印加する印加電圧を3.5Vとした。このとき、固体塩基は、単位面積あたりの質量が約5.33mg/cm2となるように添加した。 The experimental conditions in Table 1 were as follows: platinum mesh was used as the anode material, carbon paper coated with Ag to form a thin film was used as the cathode material, a saturated KHCO3 aqueous solution was used as the anode electrolyte, and the voltage applied to the current collector 104 and the support plate 105 was 3.5 V. The solid base was added so that the mass per unit area was about 5.33 mg/ cm2 .
実験結果の評価は、判定基準として固体塩基を添加しない場合のCOの部分電流密度(mA/cm2)の測定値を判定基準とし、当該測定値に対して2%以上の向上が見られた結果に対して△、10%以上の向上が見られた結果に対して○、50%以上の向上が見られた結果に対して◎の記号を付与し、合成ガス(特にCO)の生成効率を向上させることができると判定した。なお、部分電流密度とは、特定の化合物を生成するために使われた電子の量を表す物理量であり、値が大きいほど、生成量が多いことを意味している。 The experimental results were evaluated using the measured value of the partial current density (mA/ cm2 ) of CO when no solid base was added as the judgment criterion, with results showing an improvement of 2% or more from the measured value being given the symbol △, results showing an improvement of 10% or more being given the symbol ○, and results showing an improvement of 50% or more being given the symbol ◎, and it was judged that the production efficiency of synthetic gas (particularly CO) could be improved. Note that the partial current density is a physical quantity that indicates the amount of electrons used to produce a specific compound, and the larger the value, the greater the amount produced.
まず、判定基準1として、固体塩基の添加を行わなかった場合(未添加の場合)、COの部分電流密度は、6.05mA/cm2であった。また、H2のファラデー効率(Faraday Efficiency:FE)は、3.19%、COのFEは57.62%、H2の部分電流密度は0.33mA/cm2であった。陰イオン交換膜を用いた本実験においては、これらの測定値を基準値として判断する。 First, as judgment criterion 1, when no solid base was added (no addition), the partial current density of CO was 6.05 mA/cm 2. In addition, the Faraday efficiency (FE) of H 2 was 3.19%, the FE of CO was 57.62%, and the partial current density of H 2 was 0.33 mA/cm 2. In this experiment using an anion exchange membrane, these measured values are judged as standard values.
実施例1として、KHCO3を添加した場合、H2のFEは、26.87%、COのFEは54.28%、H2の部分電流密度は3.07mA/cm2、COの部分電流密度は、6.2mA/cm2であった。このため、実施例1は、判定基準1のCOの部分電流密度に対して約2.5%の向上となり、COの生成効率を大きくは向上させることができなかった。これは、KHCO3が水溶性であり、カソードにおける反応によって生じたH2Oに溶けてしまい、塩基効果が十分に得られなかったためと考えられる。 In Example 1, when KHCO 3 was added, the FE of H 2 was 26.87%, the FE of CO was 54.28%, the partial current density of H 2 was 3.07 mA/cm 2 , and the partial current density of CO was 6.2 mA/cm 2. Therefore, in Example 1, the partial current density of CO in Criterion 1 was improved by about 2.5%, and the CO generation efficiency could not be significantly improved. This is thought to be because KHCO 3 is water-soluble and dissolves in H 2 O generated by the reaction at the cathode, and the base effect was not sufficiently obtained.
次に実施例2として、MgOを添加した場合、H2のFEは、20.85%、COのFEは77.19%、H2の部分電流密度は2.72mA/cm2、COの部分電流密度は、10.08mA/cm2であった。このため、実施例2は、判定基準1のCOの部分電流密度は約66.6%の向上となり、COの生成効率を向上させることができた。 Next, in Example 2, when MgO was added, the FE of H2 was 20.85%, the FE of CO was 77.19%, the partial current density of H2 was 2.72 mA/ cm2 , and the partial current density of CO was 10.08 mA/ cm2 . Therefore, in Example 2, the partial current density of CO in the judgment criterion 1 was improved by about 66.6%, and the generation efficiency of CO could be improved.
次に実施例3として、Sr(OH)2を添加した場合、H2のFEは、4.15%、COのFEは54.61%、H2の部分電流密度は0.71mA/cm2、COの部分電流密度は、9.28mA/cm2であった。このため、実施例3は、判定基準1のCOの部分電流密度は約53.4%の向上となり、COの生成効率を向上させることができた。 Next, in Example 3, when Sr(OH) 2 was added, the FE of H2 was 4.15%, the FE of CO was 54.61%, the partial current density of H2 was 0.71mA/ cm2 , and the partial current density of CO was 9.28mA/ cm2 . Therefore, in Example 3, the partial current density of CO in the judgment criterion 1 was improved by about 53.4%, and the generation efficiency of CO could be improved.
次に実施例4として、BaCO3を添加した場合、H2のFEは、26.36%、COのFEは58.17%、H2の部分電流密度は3.81mA/cm2、COの部分電流密度は、8.25mA/cm2であった。このため、実施例4は、判定基準1のCOの部分電流密度は約36.4%の向上となり、COの生成効率を向上させることができた。 Next, in Example 4, when BaCO3 was added, the FE of H2 was 26.36%, the FE of CO was 58.17%, the partial current density of H2 was 3.81mA/ cm2 , and the partial current density of CO was 8.25mA/ cm2 . Therefore, in Example 4, the partial current density of CO in the judgment criterion 1 was improved by about 36.4%, and the generation efficiency of CO was improved.
次に実施例5として、Y2O3を添加した場合、H2のFEは、23.51%、COのFEは58.78%、H2の部分電流密度は3.43mA/cm2、COの部分電流密度は、8.58mA/cm2であった。このため、実施例5は、判定基準1のCOの部分電流密度は約41.8%の向上となり、COの生成効率を向上させることができた。 Next , in Example 5, when Y2O3 was added, the FE of H2 was 23.51%, the FE of CO was 58.78%, the partial current density of H2 was 3.43mA/ cm2 , and the partial current density of CO was 8.58mA/ cm2 . Therefore, in Example 5, the partial current density of CO in the judgment criterion 1 was improved by about 41.8%, and the generation efficiency of CO could be improved.
次に実施例6として、La2O3を添加した場合、H2のFEは、8.4%、COのFEは64.09%、H2の部分電流密度は0.88mA/cm2、COの部分電流密度は、7.57mA/cm2であった。このため、実施例6は、判定基準1のCOの部分電流密度は約25.1%の向上となり、COの生成効率を向上させることができた。 Next , in Example 6, when La2O3 was added, the FE of H2 was 8.4%, the FE of CO was 64.09%, the partial current density of H2 was 0.88mA/ cm2 , and the partial current density of CO was 7.57mA/ cm2 . Therefore, in Example 6, the partial current density of CO in the judgment criterion 1 was improved by about 25.1%, and the generation efficiency of CO could be improved.
表2は、固体電解質103として陽イオン交換膜(Nafion117)を用い、カソード触媒に銅(Cu)または(Ag)を用い、各固体塩基をカソード101に添加した場合の固体電解質形電解装置100における実験データを示している。Table 2 shows experimental data for a solid electrolyte electrolysis device 100 using a cation exchange membrane (Nafion 117) as the solid electrolyte 103, copper (Cu) or (Ag) as the cathode catalyst, and adding each solid base to the cathode 101.
表2の実験条件は、アノード材料として白金メッシュを用い、カソード材料としてAgを塗布することで薄膜形成されたカーボンペーパー、アノード電解液として0.1mol/Lの硫酸、集電板104と支持板105に印加する印加電圧を5Vとして実験した。このとき、固体塩基は、単位面積あたりの質量が約5.33mg/cm2となるように添加した。 The experimental conditions in Table 2 were as follows: platinum mesh was used as the anode material, carbon paper coated with Ag to form a thin film as the cathode material, 0.1 mol/L sulfuric acid was used as the anode electrolyte, and the voltage applied to the current collector 104 and the support plate 105 was 5 V. At this time, the solid base was added so that the mass per unit area was about 5.33 mg/ cm2 .
実験結果の評価は、カソード触媒をCuとし、固体塩基を添加しない場合のCOの1時間当たりの生成量(μmol/h)の測定値を判定基準2とし、カソード触媒をAgとし、固体塩基を添加しない場合のCOの1時間当たりの生成量(μmol/h)の測定値を判定基準3とし、当該測定値よりも多くCOが生成された結果に対して、COの生産効率を向上させることができると判定した。The experimental results were evaluated as follows: the measured amount of CO produced per hour (μmol/h) when the cathode catalyst was Cu and no solid base was added was used as judgment criterion 2; the measured amount of CO produced per hour (μmol/h) when the cathode catalyst was Ag and no solid base was added was used as judgment criterion 3; and it was determined that the CO production efficiency could be improved when more CO was produced than the measured values.
まず、判定基準2として、カソード触媒にCuを用い、固体塩基の添加を行わなかった場合(未添加の場合)、COの生成活性は、0μmol/hであった。First, as judgment criterion 2, when Cu was used as the cathode catalyst and no solid base was added (no addition), the CO production activity was 0 μmol/h.
次に実施例6として、カソード触媒にCuを用い、KHCO3を添加した場合、COの生成活性は、0.2μmol/hとなり、COの生成効率を向上させることができた。 Next, in Example 6, when Cu was used as the cathode catalyst and KHCO 3 was added, the CO production activity was 0.2 μmol/h, and the CO production efficiency was improved.
次に実施例7として、カソード触媒にCuを用い、NaOHを添加した場合、COの生成活性は、1.4μmol/hとなり、COの生成効率を向上させることができた。Next, in Example 7, when Cu was used as the cathode catalyst and NaOH was added, the CO production activity was 1.4 μmol/h, and the CO production efficiency was improved.
次に実施例8として、カソード触媒にCuを用い、La2O3を添加した場合、COの生成活性は、5.6μmol/hとなり、COの生成効率を向上させることができた。 Next, in Example 8, when Cu was used as the cathode catalyst and La 2 O 3 was added, the CO production activity was 5.6 μmol/h, and the CO production efficiency was improved.
次に、判定基準3として、カソード触媒にAgを用い、固体塩基の添加を行わなかった場合(未添加の場合)、COの生成活性は、0μmol/hであった。Next, as judgment criterion 3, when Ag was used as the cathode catalyst and no solid base was added (no addition), the CO production activity was 0 μmol/h.
次に実施例9として、カソード触媒にAgを用い、La2O3を添加した場合、COの生成活性は、2.7μmol/hとなり、COの生成効率を向上させることができた。 Next, in Example 9, when Ag was used as the cathode catalyst and La 2 O 3 was added, the CO production activity was 2.7 μmol/h, and the CO production efficiency was improved.
表3には、固体電解質として陰イオン交換膜を用い、カソード触媒(Cu-In)を用い、MgO固体塩基をカソードに添加した場合の固体電解質形電解装置における実験データを示している。Table 3 shows experimental data for a solid electrolyte electrolysis device using an anion exchange membrane as the solid electrolyte, a cathode catalyst (Cu-In), and adding MgO solid base to the cathode.
実験条件は、アノード材料として白金メッシュを用いて、カソード材料としてCu-Inが表面領域に薄膜形成されたカーボンペーパー、アノード電解液として飽和KHCO3水溶液、集電板と支持板に印加する電圧を3.5Vとした。固体塩基の添加量は5mg/cm2となるように添加した。 The experimental conditions were as follows: platinum mesh was used as the anode material, carbon paper with a thin film of Cu-In formed on the surface region was used as the cathode material, a saturated KHCO3 aqueous solution was used as the anode electrolyte, and the voltage applied to the current collector and support plate was 3.5 V. The amount of solid base added was 5 mg/ cm2 .
Cu-In触媒では、MgO固体塩基を添加した場合、未添加よりも、COの部分電流密度が26%向上した。塩基添加効果が十分にあると考えられる。
In the case of the Cu-In catalyst, when the MgO solid base was added, the partial current density of CO was improved by 26% compared to when no base was added. It is considered that the effect of adding the base is sufficient.
Claims (7)
前記触媒を担持する電極材料と、
少なくとも前記電極材料の表面上に局所的に存在する固体塩基と、
を有し、
前記触媒が前記電極材料の表面に薄膜状に形成されており、
前記固体塩基が、KHCO 3 、アルカリ土類金属の酸化物、Sr(OH) 2 、BaCO 3 、希土類金属の酸化物及びNaOHからなる群から選択される少なくとも1つである、電極。 A catalyst for generating at least carbon monoxide by a reduction reaction of a reaction gas;
An electrode material supporting the catalyst;
a solid base present locally on at least the surface of the electrode material;
having
The catalyst is formed in a thin film on a surface of the electrode material,
The electrode, wherein the solid base is at least one selected from the group consisting of KHCO 3 , an oxide of an alkaline earth metal, Sr(OH) 2 , BaCO 3 , an oxide of a rare earth metal, and NaOH.
前記カソードと1対の電極を構成するアノードと、
前記カソードと前記カソードとの間に接触状態にて介在する固体電解質と、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する電圧印加部と
を有し、
前記触媒が前記電極材料の表面に薄膜状に形成されており、
前記カソードが、KHCO 3 、アルカリ土類金属の酸化物、Sr(OH) 2 、BaCO 3 、希土類金属の酸化物、及びNaOHからなる群から選択される少なくとも1つである固体塩基を更に有し、
前記固体塩基が、前記電極材料の表面上に局所的に存在する固体電解質形電解装置。 a cathode having a catalyst that generates at least carbon monoxide by a reduction reaction of a raw material gas and an electrode material that supports the catalyst;
an anode forming a pair of electrodes with the cathode;
a solid electrolyte interposed between the cathode and the cathode in contact therewith;
a voltage application unit that applies a voltage between the cathode and the anode;
The catalyst is formed in a thin film on a surface of the electrode material,
the cathode further comprises a solid base, which is at least one selected from the group consisting of KHCO 3 , an oxide of an alkaline earth metal, Sr(OH) 2 , BaCO 3 , an oxide of a rare earth metal, and NaOH;
A solid electrolyte electrolysis device in which the solid base is present locally on the surface of the electrode material.
前記反応ガスが前記カソードに接触し還元反応が生じることによって、少なくとも一酸化炭素を含む合成ガスを生成する工程と、
前記合成ガスを回収する工程と、
を有する合成ガス生成方法。 supplying a reactant gas to a solid electrolyte electrolysis device comprising: a cathode having a catalyst and an electrode material supporting the catalyst; an anode forming a pair of electrodes with the cathode; a solid electrolyte interposed between the cathode and the anode in contact with each other; and a voltage application unit applying a voltage between the cathode and the anode, the catalyst being formed in a thin film on a surface of the electrode material; the cathode further comprising a solid base which is at least one selected from the group consisting of KHCO 3 , an oxide of an alkaline earth metal, Sr(OH) 2 , BaCO 3 , an oxide of a rare earth metal, and NaOH, the solid base being locally present on the surface of the electrode material;
a step of contacting the reaction gas with the cathode to cause a reduction reaction, thereby producing a synthesis gas containing at least carbon monoxide;
recovering the synthesis gas;
A method for producing synthesis gas comprising:
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