JP7713685B2 - Hydrogen and/or ammonia production apparatus and method - Google Patents
Hydrogen and/or ammonia production apparatus and methodInfo
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Description
本発明は、尿素、水から、水素及び/又はアンモニアを製造する装置、水素及び/又はアンモニアを製造する方法に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing hydrogen and/or ammonia from urea and water, and a method for producing hydrogen and/or ammonia.
水素は、燃料電池の燃料、e-fuel等の原料として有用である。また、アンモニアは、水素キャリア、化学肥料の原料であり、選択触媒還元(つまり、SCR)により、NOxなどの有害物質の除去に有用である。一方、尿素は、エネルギー密度が高く、安全に運搬、貯蔵が可能であり、また工場や生活排水などからも容易に入手できるため、水素やアンモニアを生成するための原料として着目されている。 Hydrogen is useful as fuel for fuel cells and as a raw material for e-fuels. Ammonia is a hydrogen carrier and a raw material for chemical fertilizers, and is useful for removing harmful substances such as NOx through selective catalytic reduction (SCR). Urea, on the other hand, has a high energy density, can be safely transported and stored, and can be easily obtained from factories and domestic wastewater, so it is attracting attention as a raw material for producing hydrogen and ammonia.
例えば、特許文献1では、テフロン(登録商標)膜、ポリピロピレン膜を分離器(換言すれば、隔膜、セパレータ)として用いて尿素の電解加水分解を生じさせる方法が提案されている。この方法により、尿素からアンモニアを生成することができる。 For example, Patent Document 1 proposes a method of electrolytic hydrolysis of urea using a Teflon (registered trademark) membrane or a polypropylene membrane as a separator (in other words, a diaphragm or separator). This method makes it possible to produce ammonia from urea.
近年、太陽光発電など電気の生成効率(具体的には、エネルギー変換効率)が高くなっており、再生可能エネルギー利用の拡大が見込まれている。そこで、電気(具体的には、電解反応)を利用した、例えば低エネルギーでのアンモニアや水素の新しい製造方法、製造装置の開発が望まれている。 In recent years, the efficiency of electricity generation (specifically, energy conversion efficiency) has increased through solar power generation and other sources, and the use of renewable energy is expected to expand. Therefore, there is a demand for the development of new methods and equipment for producing ammonia and hydrogen with low energy, for example, using electricity (specifically, electrolytic reactions).
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、尿素及び水から、水素及び/又はアンモニアを電気化学的に生成することができる水素及び/又はアンモニアの製造装置及び製造方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in consideration of these problems, and aims to provide a hydrogen and/or ammonia production device and production method that can electrochemically generate hydrogen and/or ammonia from urea and water.
本発明の一態様は、電極体(2)及び電解液(3)を有する電気化学セル(4)から構成される、水素及び/又はアンモニアの製造装置(1)であって、
上記電極体が、カソード極(21)と、隔膜(22)と、アノード極(23)とが順次積層された積層体から構成されており、
少なくとも上記アノード極が尿素と接触しており、
上記電解液がアルカリ性水溶液から構成されており、上記アノード極及び上記カソード極の少なくとも一方が上記電解液と接触しており、
上記隔膜がイオン交換膜から構成されている、水素/アンモニア製造装置にある。
One aspect of the present invention is a hydrogen and/or ammonia production device (1) comprising an electrochemical cell (4) having an electrode assembly (2) and an electrolyte (3),
the electrode body is composed of a laminate in which a cathode (21), a diaphragm (22), and an anode (23) are laminated in this order,
At least the anode is in contact with urea;
the electrolyte is an alkaline aqueous solution, and at least one of the anode and the cathode is in contact with the electrolyte;
In the hydrogen/ammonia production apparatus, the diaphragm is composed of an ion exchange membrane.
本発明の他の態様は、水素及び/又はアンモニアを製造する方法であって、
カソード極(21)と、イオン交換膜から構成される隔膜(22)と、アノード極(23)とを順次積層することにより電極体(2)を形成し、
該電極体の上記アノード極を尿素と接触させ、上記アノード極及び上記カソード極の少なくとも一方をアルカリ性水溶液から構成される電解液に接触させ、
上記カソード極及び上記アノード極間に電圧を印加することにより、水素及び/又はアンモニアを生成する、水素/アンモニアの製造方法にある。
Another aspect of the present invention is a method for producing hydrogen and/or ammonia, comprising the steps of:
A cathode (21), a diaphragm (22) made of an ion exchange membrane, and an anode (23) are sequentially stacked to form an electrode body (2);
the anode electrode of the electrode assembly is brought into contact with urea, and at least one of the anode electrode and the cathode electrode is brought into contact with an electrolyte solution composed of an alkaline aqueous solution;
The present invention relates to a method for producing hydrogen/ammonia, in which hydrogen and/or ammonia is produced by applying a voltage between the cathode and the anode.
上記製造装置は、上記構成を有し、隔膜がイオン交換膜から構成されている。そのため、イオン交換膜を介してカソード極からアノード極へ或いはアノード極からカソード極へ反応因子を直接送ることができる。反応因子は、具体的には、OH-、H+である。そして、カソード極では水素が生成され、アノード極ではアンモニアが生成される。このようにして、効率的に、水素及び/又はアンモニアを生成することができる。 The manufacturing apparatus has the above configuration, and the diaphragm is made of an ion exchange membrane. Therefore, the reaction factors can be directly sent from the cathode to the anode or from the anode to the cathode through the ion exchange membrane. The reaction factors are specifically OH- and H + . Then, hydrogen is produced at the cathode and ammonia is produced at the anode. In this way, hydrogen and/or ammonia can be efficiently produced.
上記製造方法では、上記電極体のアノード極を尿素と接触させ、上記電極体のアノード極及びカソード極の少なくとも一方をアルカリ性水溶液から構成される電解液に接触させる。そして、カソード極及びアノード極間に電圧を印加する。電圧の印加により、カソード極からアノード極へ或いはアノード極からカソード極へ反応因子を直接送ることができる。これにより、カソード極では水素が生成され、アノード極ではアンモニアが生成される。このようにして、効率的に、水素及び/又はアンモニアを生成することができる。 In the above manufacturing method, the anode of the electrode assembly is brought into contact with urea, and at least one of the anode and cathode of the electrode assembly is brought into contact with an electrolyte consisting of an alkaline aqueous solution. Then, a voltage is applied between the cathode and the anode. By applying the voltage, a reactant can be directly transferred from the cathode to the anode or from the anode to the cathode. As a result, hydrogen is produced at the cathode and ammonia is produced at the anode. In this manner, hydrogen and/or ammonia can be efficiently produced.
以上のごとく、上記態様によれば、尿素及び水から、水素及び/又はアンモニアを生成することができる水素/アンモニア製造装置及び水素/アンモニア製造方法を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above aspects, it is possible to provide a hydrogen/ammonia production apparatus and a hydrogen/ammonia production method capable of producing hydrogen and/or ammonia from urea and water.
In addition, the symbols in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate a correspondence with the specific means described in the embodiments described below, and do not limit the technical scope of the present invention.
(実施形態1)
水素及び/又はアンモニアの製造装置、及び製造方法に係る実施形態について、図1~図3を参照して説明する。図1~図3に例示されるように、水素/アンモニア製造装置1は、電気化学セル4から構成されている。電気化学セル4は、電極体2及び電解液3を有する。
(Embodiment 1)
An embodiment of a hydrogen and/or ammonia production apparatus and production method will be described with reference to Figures 1 to 3. As illustrated in Figures 1 to 3, a hydrogen/ammonia production apparatus 1 is composed of an electrochemical cell 4. The electrochemical cell 4 has an electrode body 2 and an electrolyte 3.
電極体2は、カソード極21と、隔膜22と、アノード極23とが順次積層された積層体から構成される。電極体2では、カソード極21と隔膜22とアノード極23とが一体的に形成されている。カソード極21と隔膜22との間、アノード極23と隔膜22との間には、別の層が形成されていてもよい。 The electrode body 2 is composed of a laminate in which a cathode 21, a diaphragm 22, and an anode 23 are stacked in order. In the electrode body 2, the cathode 21, the diaphragm 22, and the anode 23 are integrally formed. Another layer may be formed between the cathode 21 and the diaphragm 22, and between the anode 23 and the diaphragm 22.
水素/アンモニア製造装置1において、アノード極23は、尿素と接触する。また、アノード極23及びカソード極21の少なくとも一方が電解液3と接触する。つまり、アノード極23に電解液3を接触させてもよいし、カソード極21に電解液3を接触させてもよいし、カソード極21及びアノード極23の両方に電解液3を接触させてもよい。電解液3は、アルカリ性水溶液から構成される。また、隔膜22は、イオン交換膜から構成されており、イオン交換膜は、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜である。このように、水素/アンモニア製造装置1では、イオン交換膜の種類と、電解液を接触させる電極との組合せにバリエーションが存在する。 In the hydrogen/ammonia production device 1, the anode electrode 23 comes into contact with urea. At least one of the anode electrode 23 and the cathode electrode 21 comes into contact with the electrolytic solution 3. That is, the electrolytic solution 3 may come into contact with the anode electrode 23, the electrolytic solution 3 may come into contact with the cathode electrode 21, or the electrolytic solution 3 may come into contact with both the cathode electrode 21 and the anode electrode 23. The electrolytic solution 3 is composed of an alkaline aqueous solution. The diaphragm 22 is composed of an ion exchange membrane, and the ion exchange membrane is a cation exchange membrane or an anion exchange membrane. Thus, in the hydrogen/ammonia production device 1, there are variations in the combination of the type of ion exchange membrane and the electrode with which the electrolytic solution comes into contact.
尿素は、固体として供給されてもよいし、水溶液(つまり、尿素水)として供給されてもよい。水素/アンモニア製造装置1では、尿素はアノード極23側に供給される。固体の尿素を供給する場合には、アノード極23側をドライ環境にすることができるため(図2参照)、アノード極23側にて生成するアンモニアの回収が容易になる。図2に示すように、アノード極23側をドライ環境にする場合には、カソード極21に電解液3を接触させることにより、電気化学セル4が形成される。カソード極21と電解液3との接触は、例えばカソード極21を電解液3に浸漬することにより実現される。なお、ドライ環境とは、電解液3や尿素水などの液体が存在していない環境を意味するが、例えば大気中に含まれる水分を含むことは許容される。 Urea may be supplied as a solid or as an aqueous solution (i.e., urea water). In the hydrogen/ammonia production device 1, urea is supplied to the anode electrode 23 side. When solid urea is supplied, the anode electrode 23 side can be made into a dry environment (see FIG. 2), which makes it easier to recover ammonia generated on the anode electrode 23 side. As shown in FIG. 2, when the anode electrode 23 side is made into a dry environment, an electrochemical cell 4 is formed by contacting the cathode electrode 21 with the electrolyte 3. The contact between the cathode electrode 21 and the electrolyte 3 is achieved, for example, by immersing the cathode electrode 21 in the electrolyte 3. Note that a dry environment means an environment in which no liquid such as the electrolyte 3 or urea water exists, but it is acceptable for the electrolyte 3 to contain moisture contained in the air.
好ましくは、カソード極21は、アルカリ性水溶液から構成される電解液3と接触していることがよい(図2、図3参照)。この場合には、アルカリ性水溶液の水から水素が生成される。 Preferably, the cathode 21 is in contact with the electrolyte 3, which is an alkaline aqueous solution (see Figures 2 and 3). In this case, hydrogen is produced from the water in the alkaline aqueous solution.
また、アノード極23側に尿素の水溶液を供給する場合には、アノード極23側に尿素を含む電解液3を供給することができる(図1、図3参照)。この場合には、図1に示すように、カソード極21側をドライ環境にすることもできる。これにより、カソード極21側にて生成する水素の回収が容易になる。また、生成した水素ガスが液体中で気泡となり電極表面を覆い反応を阻害することを防ぐ効果も期待できる。また、Arガスなどの不活性ガスを外部から導入することにより、カソード極21側のドライ環境から水素を外部に容易に取り出すことができるからである。 When an aqueous solution of urea is supplied to the anode electrode 23 side, an electrolyte solution 3 containing urea can be supplied to the anode electrode 23 side (see Figures 1 and 3). In this case, the cathode electrode 21 side can be made into a dry environment as shown in Figure 1. This makes it easier to collect hydrogen generated on the cathode electrode 21 side. It is also expected to prevent the generated hydrogen gas from forming bubbles in the liquid, covering the electrode surface and inhibiting the reaction. Also, by introducing an inert gas such as Ar gas from the outside, hydrogen can be easily extracted from the dry environment on the cathode electrode 21 side to the outside.
また、アノード極23とカソード極21との両方を、尿素を含む電解液3に接触させてもよい(図3参照)。つまり、アノード極23と、カソード極21とを、尿素を含む電解液3に浸漬してもよい。 Also, both the anode electrode 23 and the cathode electrode 21 may be brought into contact with the electrolyte solution 3 containing urea (see FIG. 3). In other words, the anode electrode 23 and the cathode electrode 21 may be immersed in the electrolyte solution 3 containing urea.
電解液3には、アルカリ性水溶液(つまり、塩基性水溶液)が用いられる。電解液3としては、アルカリ金属の水酸化物及び/又はアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液を用いることができる。pHを14以上にすることができるという観点から、アルカリ性水溶液は、KOH水溶液であることが好ましい。アルカリ性水溶液のpHは高い方が、尿素の酸化が促進され電流密度が上がり水素生成速度も向上するという効果が得られる。
なお、アノード極23と電解液3とを接触させる場合には、上記のごとく、尿素を含有するアルカリ性水溶液を用いることができる。
An alkaline aqueous solution (i.e., a basic aqueous solution) is used as the electrolytic solution 3. An aqueous solution of an alkali metal hydroxide and/or an alkaline earth metal hydroxide can be used as the electrolytic solution 3. From the viewpoint of being able to adjust the pH to 14 or more, the alkaline aqueous solution is preferably a KOH aqueous solution. A higher pH of the alkaline aqueous solution has the effect of promoting the oxidation of urea, increasing the current density, and improving the rate of hydrogen production.
When the anode 23 is brought into contact with the electrolyte 3, an alkaline aqueous solution containing urea can be used as described above.
25℃における電解液3のpHは8以上であることが好ましい。この場合には、尿素の酸化が十分に促進され電流密度が上がり水素生成速度も向上する。この効果がより向上するという観点から、25℃における電解液3のpHは12以上であることがより好ましく、14以上であることがさらに好ましい。 The pH of the electrolyte 3 at 25°C is preferably 8 or higher. In this case, the oxidation of urea is sufficiently promoted, the current density increases, and the rate of hydrogen production also improves. From the viewpoint of further improving this effect, the pH of the electrolyte 3 at 25°C is more preferably 12 or higher, and even more preferably 14 or higher.
アノード極23としては、Fe、Co、Ru、Rh、Ni、Ir、Pt、Cuからなる群より選択される少なくとも1種の金属を用いることができる。また、カソード極21としては、Pt、Ir、Pd、Ru、Niからなる群より選択される少なくとも1種の金属を用いることができる。アノード極23を構成する金属の種類を変更することにより、尿素、尿素水の電解によって、生成される生成物にバリエーションを生じさせてアンモニア以外の生成物を生じさせたり、アンモニアの生成量を増やすことができる。また、アンモニアの生成量の増大、水素の生成量の増大の観点から、アノード極23は、チタンメッシュと、このチタンメッシュ上に形成された上記金属の析出物とから構成される電極であることが好ましい。また、水素が生成し易くなるという観点から、カソード極21は、ケッチェンブラック等の炭素材料から構成される導電剤と、上記金属との複合体であることが好ましい。 At least one metal selected from the group consisting of Fe, Co, Ru, Rh, Ni, Ir, Pt, and Cu can be used as the anode electrode 23. At least one metal selected from the group consisting of Pt, Ir, Pd, Ru, and Ni can be used as the cathode electrode 21. By changing the type of metal constituting the anode electrode 23, it is possible to vary the products generated by the electrolysis of urea and urea water, thereby generating products other than ammonia, and to increase the amount of ammonia generated. From the viewpoint of increasing the amount of ammonia generated and the amount of hydrogen generated, it is preferable that the anode electrode 23 is an electrode composed of a titanium mesh and a deposit of the above metal formed on the titanium mesh. From the viewpoint of facilitating hydrogen generation, it is preferable that the cathode electrode 21 is a composite of a conductive agent composed of a carbon material such as Ketjen black and the above metal.
アノード極23からのアンモニアの生成量がより向上するという観点から、アノード極23としては、Ru及び/又はNiを用いることが好ましく、Niを用いることがより好ましい。また、カソード極21から十分に水素を生成させるという観点からは、アノード極23としては、Rh、Co、Feからなる群より選択される少なくとも1種を用いることが好ましく、Co及び/又はFeを用いることがより好ましく、Feを用いることがさらに好ましい。 From the viewpoint of further improving the amount of ammonia produced from the anode electrode 23, it is preferable to use Ru and/or Ni as the anode electrode 23, and it is more preferable to use Ni. Also, from the viewpoint of sufficiently producing hydrogen from the cathode electrode 21, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of Rh, Co, and Fe as the anode electrode 23, it is more preferable to use Co and/or Fe, and it is even more preferable to use Fe.
アノード極23は、卑金属を含有することが好ましい。この場合には、貴金属を用いずに、アノード極23を形成することができ、製造コストの低減が可能になる。そして、水素/アンモニア製造装置1では、アノード極23に貴金属を用いなくとも、アノード極23において水素を生成することができる。また、アノード極23が卑金属を含有する場合には、製造コストを低減すことができる。また、この場合には、卑金属種を選択することにより生成物の種類、生成量を制御することができる。 The anode 23 preferably contains a base metal. In this case, the anode 23 can be formed without using a precious metal, which allows for reduced manufacturing costs. In the hydrogen/ammonia production device 1, hydrogen can be produced in the anode 23 without using a precious metal in the anode 23. Furthermore, when the anode 23 contains a base metal, manufacturing costs can be reduced. Furthermore, in this case, the type and amount of product can be controlled by selecting the base metal species.
隔膜22は、イオン交換膜から構成される。イオン交換膜としては、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜を用いることができる。 The diaphragm 22 is made of an ion exchange membrane. The ion exchange membrane may be a cation exchange membrane or an anion exchange membrane.
図1に示すように、隔膜22が陽イオン交換膜から構成されている場合には、アノード極23とカソード極21との間に電圧を印加すると陽イオン交換膜を介して反応因子のH+がアノード極23からカソード極21へと送られる。このとき、アノード極23側では、下記の式<2.1>、<2.2>、<2.3>、<2.4>の反応が起こる。つまり、尿素と水との共電解により、アンモニアなどのNHx種、NCO種、N2、CO2などが生成する。生成反応は、式<2.1>に示されるように、尿素と水との反応により水素イオン(つまり、プロトン)が生成する反応がトリガーとなって進行するため、式<2.1>の反応が始まること重要である。イオン交換膜として、陽イオン交換膜を用いる場合には、陽イオン交換膜により、反応因子である水素イオンがアノード極23からカソード極21に送られるため、トリガー反応が進行する。このようにして、以降のアンモニア生成反応、水素生成反応が進行していると考えられる。また、さらに、アノード極23側では、式<2.5>の反応により、酸素が生成する。そして、アノード極23側では、電子、プロトンが生成する。電子は外部回路を通じてカソード極21側に移動し、プロトンは、陽イオン交換膜を通じてカソード極21側に移動する。カソード極21では、式<2.6>に示されるように、電子とプロトンが反応して水素が生成する。なお、式<2.1>~<2.6>において、SHEは、標準水素電極を表し、電極電位E0は、標準水素電極での換算値を表す。 As shown in FIG. 1, when the diaphragm 22 is made of a cation exchange membrane, when a voltage is applied between the anode 23 and the cathode 21, H + as a reaction factor is sent from the anode 23 to the cathode 21 through the cation exchange membrane. At this time, the reactions of the following formulas <2.1>, <2.2>, <2.3>, and <2.4> occur on the anode 23 side. That is, NH x species such as ammonia, NCO species, N 2 , CO 2 , and the like are generated by co-electrolysis of urea and water. As shown in formula <2.1>, the generation reaction proceeds when a reaction of urea and water to generate hydrogen ions (i.e., protons) is triggered, so it is important that the reaction of formula <2.1> starts. When a cation exchange membrane is used as the ion exchange membrane, hydrogen ions as a reaction factor are sent from the anode 23 to the cathode 21 by the cation exchange membrane, so the trigger reaction proceeds. It is believed that the subsequent ammonia production reaction and hydrogen production reaction proceed in this manner. Furthermore, oxygen is produced on the anode electrode 23 side by the reaction of formula <2.5>. Then, electrons and protons are produced on the anode electrode 23 side. The electrons move to the cathode electrode 21 side through an external circuit, and the protons move to the cathode electrode 21 side through a cation exchange membrane. At the cathode electrode 21, the electrons and protons react to produce hydrogen as shown in formula <2.6>. In formulas <2.1> to <2.6>, SHE represents the standard hydrogen electrode, and the electrode potential E 0 represents a converted value at the standard hydrogen electrode.
図2に示すように、隔膜22が陰イオン交換膜から構成されている場合には、アノード極23とカソード極21との間に電圧を印加すると陰イオン交換膜を介して反応因子のOH-がカソード極21からアノード極23へと送られる。このとき、アノード極23側では、下記の式<3.1>、<3.2>、<3.3>の反応が起こる。<3.3>の反応は、さらに、<3.3.1>~<3.3.4>の反応を起こす。つまり、アノード極23側では、OH-と尿素との反応により、窒素、二酸化炭素などが生成し、尿素からアンモニアが生成する。生成反応は、式<3.1>に示されるように、尿素と水酸化物イオンとの反応がトリガーとなって進行するため、式<3.1>の反応が始まること重要である。イオン交換膜として陰イオン交換膜を用いる場合には、陰イオン交換膜により、反応因子である水酸化物イオンがカソード極21からアノード極23に送られるため、トリガー反応が進行する。このようにして、以降のアンモニア生成反応、水素生成反応が進行すると考えられる。また、アノード極23側では、電子が生成する。電子は外部回路を通じてカソード極21側に移動する。そして、カソード極21では、式<3.4>に示されるように、水と電子とが反応して水素が生成する。なお、式<3.1>~<3.4>において、SHEは、標準水素電極を表し、電極電位E0は、標準水素電極での換算値を表す。 As shown in FIG. 2, when the diaphragm 22 is made of an anion exchange membrane, when a voltage is applied between the anode 23 and the cathode 21, the reaction factor OH - is sent from the cathode 21 to the anode 23 through the anion exchange membrane. At this time, the reactions of the following formulas <3.1>, <3.2>, and <3.3> occur on the anode 23 side. The reaction of <3.3> further causes the reactions of <3.3.1> to <3.3.4>. That is, on the anode 23 side, nitrogen, carbon dioxide, etc. are generated by the reaction of OH - with urea, and ammonia is generated from urea. As shown in formula <3.1>, the reaction of urea with hydroxide ions is a trigger to proceed with the production reaction, so it is important that the reaction of formula <3.1> starts. When an anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane, the reaction factor hydroxide ions are sent from the cathode 21 to the anode 23 by the anion exchange membrane, and the trigger reaction proceeds. It is believed that the subsequent ammonia production reaction and hydrogen production reaction proceed in this manner. Electrons are produced on the anode electrode 23 side. The electrons move to the cathode electrode 21 side through an external circuit. Then, at the cathode electrode 21, water reacts with the electrons to produce hydrogen, as shown in formula <3.4>. In formulas <3.1> to <3.4>, SHE stands for standard hydrogen electrode, and the electrode potential E 0 stands for a converted value at the standard hydrogen electrode.
上記反応式に示されるように、水素/アンモニア製造装置1では、カソード極21側で水素が生成し、アノード極23側でアンモニアが生成する。上記製造装置1では、電極体2によりアノード極23側とカソード極21側とが分断されていることが好ましい。この場合には、カソード極21側で発生する水素と、アノード極23側で発生するアンモニアとが混合されることを防止できる。そのため、水素、アンモニアを別々に回収し易くなる。 As shown in the above reaction formula, in the hydrogen/ammonia production device 1, hydrogen is produced on the cathode 21 side, and ammonia is produced on the anode 23 side. In the production device 1, it is preferable that the anode 23 side and the cathode 21 side are separated by the electrode body 2. In this case, it is possible to prevent the hydrogen generated on the cathode 21 side and the ammonia generated on the anode 23 side from being mixed together. This makes it easier to recover the hydrogen and ammonia separately.
具体的には、水素/アンモニア製造装置1では、電極体2のカソード極21側にカソード反応室を形成し、アノード極23側にアノード反応室を形成し、カソード反応室とアノード反応室とを電極体2により分断させることができる。これにより、カソード反応室で生成する水素、アノード反応室で生成するアンモニアをそれぞれ別々に回収することができる。 Specifically, in the hydrogen/ammonia production device 1, a cathode reaction chamber is formed on the cathode electrode 21 side of the electrode body 2, and an anode reaction chamber is formed on the anode electrode 23 side, and the cathode reaction chamber and anode reaction chamber can be separated by the electrode body 2. This makes it possible to separately recover the hydrogen produced in the cathode reaction chamber and the ammonia produced in the anode reaction chamber.
イオン交換膜は、陰イオン交換膜であることが好ましい。イオン交換膜が陽イオン交換膜である場合には、尿素水の電解反応から生成するアンモニウムイオンが陽イオン交換膜中でイオン交換され、陽イオン交換膜の電気抵抗を増大させる。その結果、陽イオン交換膜がダメージを受け、経時的にその機能を失っていく。そのため、アンモニア、水素を十分に生成することができなくなる。これに対し、イオン交換膜が陰イオン交換膜である場合には、アンモニウムイオンがイオン交換されることがなく、電気抵抗の増大が起こらない。そのため、アンモニア、水素を持続的に生成することができ、これにより生成量が増大する。 The ion exchange membrane is preferably an anion exchange membrane. If the ion exchange membrane is a cation exchange membrane, ammonium ions produced from the electrolytic reaction of the urea water are ion-exchanged in the cation exchange membrane, increasing the electrical resistance of the cation exchange membrane. As a result, the cation exchange membrane is damaged and loses its function over time. As a result, ammonia and hydrogen cannot be produced sufficiently. In contrast, if the ion exchange membrane is an anion exchange membrane, ammonium ions are not ion-exchanged, and the electrical resistance does not increase. As a result, ammonia and hydrogen can be produced continuously, thereby increasing the amount produced.
陰イオン交換膜は、イミダゾリウムリガンド、ピリジニウムリガンド、及びホスホニウムリガンドからなる群より選択される少なくとも1種のリガンドを含むポリマーから構成されていることが好ましい。より具体的には、陰イオン交換膜は、リガンド部と、該リガンド部と化学結合した骨格部とを有するポリマーから構成されており、リガンド部がイミダゾリウム基、ピリジニウム基、及びホスホニウム基からなる群より選択される少なくとも1種の官能基又はその塩から構成されていることが好ましい。官能基の安定性および塩基強度の観点から、リガンドは、イミダゾリウムリガンドであることが好ましい。換言すれば、リガンド部は、イミダゾリウム基又はその塩から構成されていることが好ましい。骨格部は、例えばポリスチレン、スチレンジビニルベンゼン共重合体などのスチレン系樹脂;ポリヒドロキシメタクリレート等のアクリル系樹脂;ポリビニルアルコールなどから構成される。 The anion exchange membrane is preferably composed of a polymer containing at least one ligand selected from the group consisting of imidazolium ligands, pyridinium ligands, and phosphonium ligands. More specifically, the anion exchange membrane is composed of a polymer having a ligand portion and a skeleton portion chemically bonded to the ligand portion, and the ligand portion is preferably composed of at least one functional group or a salt thereof selected from the group consisting of an imidazolium group, a pyridinium group, and a phosphonium group. From the viewpoint of the stability and base strength of the functional group, the ligand is preferably an imidazolium ligand. In other words, the ligand portion is preferably composed of an imidazolium group or a salt thereof. The skeleton portion is composed of, for example, a styrene-based resin such as polystyrene or a styrene-divinylbenzene copolymer; an acrylic resin such as polyhydroxymethacrylate; polyvinyl alcohol, etc.
本形態の水素/アンモニア製造装置1では、隔膜22がイオン交換膜から構成されている。そのため、イオン交換膜を介してカソード極21からアノード極23へ或いはアノード極23からカソード極21へ反応因子を直接送ることができる。これにより、電極の反応点の局所pHを制御することが可能になる。具体的には、上記式<2.1>、式<3.1>の反応により、カソード極21での局所的なプロトン濃度の増大、アノード極23での局所的なOH-濃度の増大を誘発させることができる。そのため、電解液のpHに寄らない反応を起こすことが可能になる。より具体的には、たとえばイオン交換膜として陰イオン交換膜を用いた場合には、アノード極23においてOH-が生成されるため、アノード極23表面で局所的にpHが増大した環境が形成される。そのため、電解液のpHが、たとえ中性付近(たとえばpHが8~12)であってもアンモニア、水素の生成反応が進行し、水素、アンモニアの生成が可能になる。
このように、本形態の水素/アンモニア製造装置1によれば、カソード極21では水素が生成され、アノード極23ではアンモニアが生成される。このようにして、水素及びアンモニアの少なくとも一方、又は両方を効率的に生成することができる。
In the hydrogen/ammonia production device 1 of this embodiment, the diaphragm 22 is composed of an ion exchange membrane. Therefore, it is possible to directly send a reaction factor from the cathode 21 to the anode 23 or from the anode 23 to the cathode 21 through the ion exchange membrane. This makes it possible to control the local pH at the reaction point of the electrode. Specifically, the reactions of the above formulas <2.1> and <3.1> can induce a local increase in proton concentration at the cathode 21 and a local increase in OH − concentration at the anode 23. Therefore, it becomes possible to cause a reaction that is not dependent on the pH of the electrolyte. More specifically, for example, when an anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane, OH − is generated at the anode 23, so that an environment in which the pH is locally increased is formed on the surface of the anode 23. Therefore, even if the pH of the electrolyte is near neutral (for example, pH is 8 to 12), the ammonia and hydrogen production reaction proceeds, making it possible to produce hydrogen and ammonia.
In this manner, according to the hydrogen/ammonia production apparatus 1 of this embodiment, hydrogen is produced at the cathode 21, and ammonia is produced at the anode 23. In this manner, at least one of hydrogen and ammonia, or both, can be efficiently produced.
次に、水素及び/又はアンモニアを製造する方法について説明する。この方法は、上記製造装置により容易に実現されるが、本開示の製造方法は、上記製造装置を用いる方法に限定されるわけではない。水素/アンモニアの製造方法は、電極形成工程、組立工程、印加工程によって行われる。 Next, a method for producing hydrogen and/or ammonia will be described. This method can be easily realized by the above-mentioned production apparatus, but the production method disclosed herein is not limited to the method using the above-mentioned production apparatus. The hydrogen/ammonia production method is performed by an electrode formation process, an assembly process, and an application process.
電極形成工程では、カソード極21と隔膜22とアノード極23とを順次積層する。これにより、カソード極21と隔膜22とアノード極23との積層体から構成される電極体2を形成する。カソード極21、隔膜22、アノード極23については、上述の通りである。 In the electrode formation process, the cathode 21, the diaphragm 22, and the anode 23 are sequentially stacked. This forms the electrode body 2, which is composed of a laminate of the cathode 21, the diaphragm 22, and the anode 23. The cathode 21, the diaphragm 22, and the anode 23 are as described above.
組立工程では、電極体2のアノード極23を尿素と接触させ、アノード極23及びカソード極21の少なくとも一方をアルカリ性水溶液から構成される電解液3に接触させる。これにより、電極体2及び電解液3によって電気化学セル4が構築される。尿素、電解液3については、上述の通りである。 In the assembly process, the anode 23 of the electrode assembly 2 is brought into contact with urea, and at least one of the anode 23 and the cathode 21 is brought into contact with the electrolyte 3 composed of an alkaline aqueous solution. In this way, an electrochemical cell 4 is constructed by the electrode assembly 2 and the electrolyte 3. The urea and the electrolyte 3 are as described above.
印加工程では、カソード極21及びアノード極23間に電圧を印加する。これにより、カソード極21から水素が生成し、アノード極23からアンモニアが生成する。 In the application process, a voltage is applied between the cathode 21 and the anode 23. This causes hydrogen to be produced from the cathode 21 and ammonia to be produced from the anode 23.
本形態の製造方法では、電極体2のアノード極23を尿素と接触させ、電極体2のアノード極23及びカソード極21の少なくとも一方をアルカリ性水溶液から構成される電解液3に接触させる。そして、カソード極21及びアノード極23間に電圧を印加する。電圧の印加により、カソード極21からアノード極23へ或いはアノード極23からカソード極21へ反応因子を直接送ることができる。これにより、電極の反応点の局所pHを制御することが可能になる。このように、上記製造装置と同様の効果を発揮できる。そして、カソード極21では水素が生成され、アノード極23ではアンモニアが生成される。このようにして、効率的に、水素及びアンモニアの少なくとも一方、あるいは両方を生成することができる。 In the manufacturing method of this embodiment, the anode 23 of the electrode body 2 is brought into contact with urea, and at least one of the anode 23 and the cathode 21 of the electrode body 2 is brought into contact with the electrolyte 3 composed of an alkaline aqueous solution. Then, a voltage is applied between the cathode 21 and the anode 23. By applying the voltage, a reaction factor can be directly sent from the cathode 21 to the anode 23 or from the anode 23 to the cathode 21. This makes it possible to control the local pH at the reaction point of the electrode. In this way, the same effect as that of the manufacturing device described above can be achieved. Then, hydrogen is generated at the cathode 21, and ammonia is generated at the anode 23. In this way, at least one of hydrogen and ammonia, or both, can be efficiently generated.
(実験例1)
本例は、陰イオン交換膜を用いた水素/アンモニア製造装置1により、水素、アンモニアを生成する例である。本例では、水素/アンモニア製造装置1におけるアノード極23の材質を変更しながらその影響を調べる。なお、実験例1以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Experimental Example 1)
This example is an example in which hydrogen and ammonia are produced by a hydrogen/ammonia production apparatus 1 using an anion exchange membrane. In this example, the influence of changing the material of the anode electrode 23 in the hydrogen/ammonia production apparatus 1 is examined. Note that, among the symbols used in Experimental Example 1 and subsequent examples, the same symbols as those used in the previously described embodiments represent the same components, etc. as those in the previously described embodiments, unless otherwise specified.
本例では、図4に示すごとく水素/アンモニア製造装置1を構築した。具体的には、まず、三井化学社製の尿素水であるAdBlue(ドイツ自動車工業会(つまり、VDA)5BIBの登録商標)を準備した。この尿素水の尿素濃度は32.5wt%である。この尿素水に、1M相当のKOHを溶解させて、尿素を含有するアルカリ性水溶液(つまり、電解液3)を作製した。アルカリ性水溶液のpHは14以上である。次いで、1室型の容器40内に、30mLの電解液3を入れ、アノード極23と隔膜22とカソード極21とが一体的に形成された電極体2を電解液3に浸漬した。 In this example, a hydrogen/ammonia production device 1 was constructed as shown in FIG. 4. Specifically, first, AdBlue (a registered trademark of the German Association of the Automotive Industry (i.e., VDA) 5BIB), a urea solution manufactured by Mitsui Chemicals, was prepared. The urea concentration of this urea solution was 32.5 wt%. 1 M of KOH was dissolved in this urea solution to prepare an alkaline aqueous solution containing urea (i.e., electrolyte 3). The pH of the alkaline aqueous solution was 14 or higher. Next, 30 mL of electrolyte 3 was placed in a one-chamber container 40, and the electrode body 2, in which the anode 23, the diaphragm 22, and the cathode 21 were integrally formed, was immersed in the electrolyte 3.
カソード極21としては、ケッチェンブラックとPtとの混合物から構成される電極を用いた。アノード極23としては、Fe、Co、Ru、Rh、又はNiをチタンメッシュにそれぞれ析出させた電極を用いた。つまり、アノード極23として、Fe/Ti触媒、Co/Ti触媒、Ru/Ti触媒、Rh/Ti触媒、Ni/Ti触媒を用いた。隔膜22としては、Dioxide Materials社製の陰イオン交換膜であるSustainion(登録商標)X-37を用いた。本例の水素/アンモニア製造装置1では、電極体2と、これを浸漬する電解液3とから電気化学セル4が構築されている。 The cathode 21 was an electrode made of a mixture of Ketjen black and Pt. The anode 23 was an electrode in which Fe, Co, Ru, Rh, or Ni was deposited on a titanium mesh. That is, the anode 23 was made of an Fe/Ti catalyst, a Co/Ti catalyst, a Ru/Ti catalyst, a Rh/Ti catalyst, or a Ni/Ti catalyst. The diaphragm 22 was made of Sustainion (registered trademark) X-37, an anion exchange membrane manufactured by Dioxide Materials. In the hydrogen/ammonia production device 1 of this example, an electrochemical cell 4 is constructed from an electrode body 2 and an electrolyte 3 in which the electrode body 2 is immersed.
カソード極21、アノード極23は、電気化学測定装置5(具体的には、ポテンショスタット/ガルバノスタット)に電気的に接続されている。具体的には、アノード極23は、試料極(試料極は作用極とも呼ばれる)として電気化学測定装置5に接続され、カソード極21は、対極として電気化学測定装置5に接続されている。 The cathode electrode 21 and the anode electrode 23 are electrically connected to an electrochemical measurement device 5 (specifically, a potentiostat/galvanostat). Specifically, the anode electrode 23 is connected to the electrochemical measurement device 5 as a sample electrode (the sample electrode is also called a working electrode), and the cathode electrode 21 is connected to the electrochemical measurement device 5 as a counter electrode.
図4に示すように、容器40内の電解液3には、ポリテトラフルオロエチレン(つまり、PTFE)から構成されるチューブ611が挿入されており、このチューブは、鉛直方向における容器40の上部に形成されたガス導入口61に接続されている。また、容器40の上部には、ガス取り出し口62が形成されており、ガス取り出し口62は、ガスクロマトグラフィの試料測定部に連結されている。図4における「GC」はガスクロマトグラフィを表す。 As shown in FIG. 4, a tube 611 made of polytetrafluoroethylene (i.e., PTFE) is inserted into the electrolyte 3 in the container 40, and this tube is connected to a gas inlet 61 formed at the top of the container 40 in the vertical direction. In addition, a gas outlet 62 is formed at the top of the container 40, and the gas outlet 62 is connected to a sample measurement section of the gas chromatography. "GC" in FIG. 4 stands for gas chromatography.
次に、マグネチックスターラを用いて電解液3を撹拌しながら、ガス導入口61から容器40内にHeを吹き込み、容器40内の空気をHeに置換した。Heの吹き込み条件は、0.1MPa、20mL/minである。 Next, while stirring the electrolyte 3 using a magnetic stirrer, He was blown into the container 40 from the gas inlet 61 to replace the air in the container 40 with He. The He blowing conditions were 0.1 MPa and 20 mL/min.
Heによるガス置換を60分以上継続して行いながら、開回路電圧を測定した。次いで、アノード極23とカソード極21間の印加電圧を2.0Vに制御し、定電圧電解を2時間行うことにより、尿素水電解活性を評価した。評価は、平均電流密度と、酸素のファラデー効率(つまり、FE(O2))、酸素の生成速度(つまり、r(O2))を測定することにより行った。その結果を図5~図7に示す。なお、図7は、チタンメッシュにNiを析出させた電極をアノード極23として用いた場合における、電流密度と水素の電流効率の経時変化を示すものである。 The open circuit voltage was measured while continuing the gas replacement with He for 60 minutes or more. Next, the voltage applied between the anode 23 and the cathode 21 was controlled to 2.0 V, and constant voltage electrolysis was performed for 2 hours to evaluate the urea water electrolysis activity. The evaluation was performed by measuring the average current density, the faradaic efficiency of oxygen (i.e., FE(O 2 )), and the oxygen production rate (i.e., r(O 2 )). The results are shown in Figs. 5 to 7. Fig. 7 shows the change over time in the current density and the current efficiency of hydrogen when an electrode in which Ni is deposited on a titanium mesh is used as the anode 23.
本例の水素/アンモニア製造装置1では、上記の式<3.1>~<3.4>の反応が起こると考えられる。つまり、アノード極23では、式<3.1>に従って尿素と水の共電解によりN2、CO2が生成する。また、式<3.2>に従って水電解により、O2の生成反応が進行する。そして、アノード極23で生成した電子が電気化学セル4の外部回路を通じて、カソード極21に移動し、式<3.4>に従ってカソード極21で水と電子が反応してH2生成反応が進行する。電解は、上記のように定電圧で実施した。例えばカソード極21としてPt/KBを用いた場合には、H2生成反応に高い活性を示し、高電流密度領域でも過電圧が小さいことが一般に知られている。そのため本例では両極間電圧をアノード電位とみなして実験を行った。 In the hydrogen/ammonia production device 1 of this example, the reactions of the above formulas <3.1> to <3.4> are considered to occur. That is, in the anode electrode 23, N 2 and CO 2 are generated by co-electrolysis of urea and water according to formula <3.1>. In addition, the generation reaction of O 2 proceeds by water electrolysis according to formula <3.2>. Then, the electrons generated in the anode electrode 23 move to the cathode electrode 21 through the external circuit of the electrochemical cell 4, and the water and the electrons react in the cathode electrode 21 according to formula <3.4> to cause the H 2 generation reaction. The electrolysis was performed at a constant voltage as described above. For example, when Pt/KB is used as the cathode electrode 21, it is generally known that it shows high activity in the H 2 generation reaction and has a small overvoltage even in a high current density region. Therefore, in this example, the experiment was performed by regarding the voltage between the two electrodes as the anode potential.
本例では、上記のように、平均電流密度、O2等の生成物の生成速度、及び生成物の選択率(具体的には、ファラデー効率)により、電極触媒活性を評価した。N2生成反応が全て式<3.1>に従って進行すると仮定し、ファラデー効率を6電子反応と仮定して式(I)に基づいてファラデー効率FEを算出した。なお、式(I)において、Yは生成物収量(単位:mol)、nは反応電子数(単位:-)、Qは通電電荷量(単位:C)を示す。
FE(%)=100×Y×n×F/Q ・・・(I)
In this example, as described above, the electrode catalyst activity was evaluated by the average current density, the production rate of products such as O2 , and the product selectivity (specifically, the Faraday efficiency). Assuming that all N2 production reactions proceed according to formula <3.1>, and assuming that the Faraday efficiency is a 6-electron reaction, the Faraday efficiency FE was calculated based on formula (I). In formula (I), Y represents the product yield (unit: mol), n represents the number of reaction electrons (unit: -), and Q represents the amount of current charge (unit: C).
FE (%) = 100 x Y x n x F/Q ... (I)
上記の式<3.1>で示すような尿素水の電解反応が進行すれば、尿素(つまり、(NH2)2CO)と等量のN2とCO2が生成するはずであるが,本例では強塩基性の電解液3を用いているため、CO2は水溶液(つまり電解液3)中に溶解する。したがって、ガスクロマトグラフィで検出されるCO2は、生成されるCO2のうちの一部である。そこで、N2生成反応の選択率を尿素水電解反応の選択率とみなし、水電解によるO2生成反応の選択率と比較して触媒活性を評価した。つまり、図6に示すように、O2の生成速度、選択率を調べることにより、水素の生成速度、アンモニアの生成速度、水素の選択率、アンモニアの選択率の評価を行うことができる。 If the electrolysis reaction of urea water as shown in the above formula <3.1> progresses, N2 and CO2 should be generated in amounts equal to urea (i.e., ( NH2 ) 2CO ), but since a strongly basic electrolyte 3 is used in this example, CO2 dissolves in the aqueous solution (i.e., electrolyte 3). Therefore, the CO2 detected by gas chromatography is only a part of the CO2 generated. Therefore, the selectivity of the N2 generation reaction was regarded as the selectivity of the urea water electrolysis reaction, and the catalytic activity was evaluated by comparing it with the selectivity of the O2 generation reaction by water electrolysis. In other words, as shown in Figure 6, the hydrogen generation rate, ammonia generation rate, hydrogen selectivity, and ammonia selectivity can be evaluated by investigating the O2 generation rate and selectivity.
図5、図6より理解されるように、アノード極23にFe/Ti触媒を用いた場合には、50Acm-2近い電流密度を示した。また、この場合には、O2のファラデー効率が80%を超えており、700μmolh-1に近い生成速度があることから、電解により主に水素の生成を進行させることができる。その一方で、アンモニアの生成を抑えることができる。つまり、Fe/Ti触媒を用いた場合には、水素を優先的に生成させることができる。Co/Ti触媒、Rh/Ti触媒がこれに準ずる。 As can be seen from FIG. 5 and FIG. 6, when the Fe/Ti catalyst was used for the anode 23, a current density of nearly 50 A cm −2 was observed. In this case, the Faraday efficiency of O 2 exceeded 80%, and the production rate was close to 700 μmol h −1 , so that the production of hydrogen can be promoted mainly by electrolysis. On the other hand, the production of ammonia can be suppressed. In other words, when the Fe/Ti catalyst is used, hydrogen can be produced preferentially. Co/Ti catalyst and Rh/Ti catalyst are equivalent to this.
図5、図6より理解されるように、アノード極23にNi/Ti触媒を用いた場合には、150Acm-2近い電流密度を示した。一方、O2のファラデー効率が0であり、O2の生成がない。電解により水素生成とともに、アンモニア生成を進行させることができる。Ru/Ti触媒がこれに準ずる。 As can be seen from Figures 5 and 6, when Ni/Ti catalyst was used for the anode 23, a current density of nearly 150 Acm -2 was observed. On the other hand, the Faraday efficiency of O2 was 0, and no O2 was produced. Ammonia production can be promoted along with hydrogen production by electrolysis. Ru/Ti catalyst is similar to this.
図7より理解されるように、アノード極23にNi/Ti触媒を用いた場合には、2時間後にも100mAcm-2を上回る高い電流密度を示した。また、カソード極21側で水素が生成速度5mmolh-1、100%の電流効率で生成し、尿素水電解による高効率な水素生成が進行した。
また、ガスクロマトグラフ分析により、アノード極23側では気相中にN2と少量のCO2の生成が観測された。なお、上記したように生成したCO2の大部分はアルカリ性水溶液(つまり、電解液3)中に溶解したと考えられる。また、ガスクロマトグラフ分析で出口ガスを分析したところ、NO2やNOなどの有害化合物はほとんど観測されなかった。
7, when the Ni/Ti catalyst was used for the anode 23, a high current density exceeding 100 mA cm -2 was observed even after 2 hours. Moreover, hydrogen was generated at the cathode 21 side at a generation rate of 5 mmol h -1 and a current efficiency of 100%, and highly efficient hydrogen generation by urea water electrolysis proceeded.
In addition, gas chromatographic analysis revealed that N2 and a small amount of CO2 were generated in the gas phase on the anode electrode 23 side. As described above, it is believed that most of the generated CO2 was dissolved in the alkaline aqueous solution (i.e., the electrolyte 3). In addition, when the outlet gas was analyzed by gas chromatographic analysis, almost no harmful compounds such as NO2 or NO were observed.
また、アノード極23として、Ir/KB、Ru/KB、Rh/KB、Pt/KB、Ni/KB、Co/KB、Fe/KB、Fe/Ti、Pt/Ti、Ru/Ti、Rh/Ti、Ni/Ti、Ti-meshを用い、アノード極23とカソード極21との間の印加電圧を1.5Vにした点を除いて上記と同様の実験を行うことにより、尿素水の電解を行ったときの平均電流密度の測定結果を図8に示す。なお、Ir/KBは、ケッチェンブラックにイリジウムを析出させた電極を意味し、Fe/Tiは、チタンメッシュに鉄を析出させた電極を意味する。他の電極についても同様である。 Figure 8 shows the average current density measurement results when electrolysis of urea water was performed by performing the same experiment as above, except that Ir/KB, Ru/KB, Rh/KB, Pt/KB, Ni/KB, Co/KB, Fe/KB, Fe/Ti, Pt/Ti, Ru/Ti, Rh/Ti, Ni/Ti, and Ti-mesh were used as the anode 23, and the voltage applied between the anode 23 and the cathode 21 was 1.5 V. Note that Ir/KB refers to an electrode in which iridium is deposited on Ketjen Black, and Fe/Ti refers to an electrode in which iron is deposited on a titanium mesh. The same applies to the other electrodes.
図8より理解されるように、各種遷移金属、貴金属をアノード極23に用いた場合、Ni/Ti触媒が尿素水の電解改質反応に極めて高い活性を示した。したがって、尿素から、アンモニア、水素を生成するためには、アノード極23にNi/Ti電極を用いることが好ましいといえる。 As can be seen from FIG. 8, when various transition metals and precious metals were used for the anode 23, the Ni/Ti catalyst showed extremely high activity in the electrolytic reforming reaction of urea water. Therefore, it can be said that it is preferable to use a Ni/Ti electrode for the anode 23 in order to produce ammonia and hydrogen from urea.
(実験例2)
本例では、電解液中のKOH濃度が尿素転化率に与える影響を調べた。まず、実験例1と同様の水素/アンモニア製造装置1を作製した。アノード極23としては、Ni/Tiを用いた。室温(25℃)の条件下で電解液中のKOH濃度を0、1M、又は3Mとし、カソード極とアノード極間に、1.5V、1.8V、又は2Vの電圧を2時間印加したときにおける、尿素転化率を測定、算出した。その結果を図9に示す。
(Experimental Example 2)
In this example, the effect of the KOH concentration in the electrolyte on the urea conversion rate was investigated. First, a hydrogen/ammonia production device 1 similar to that in Experimental Example 1 was fabricated. Ni/Ti was used as the anode 23. Under room temperature (25° C.) conditions, the KOH concentration in the electrolyte was set to 0, 1 M, or 3 M, and a voltage of 1.5 V, 1.8 V, or 2 V was applied between the cathode and anode for 2 hours, and the urea conversion rate was measured and calculated. The results are shown in FIG. 9.
なお、尿素転化率は、下記式(I)に基づいて算出した。
尿素転化率=反応に使用された尿素の物質量/尿素の総物質量・・・(I)
尿素の総物質量は、尿素水の尿素濃度(本例では、32.5wt%)から算出される。
「反応に使用された尿素の物質量」は、通電量とO2のファラデー効率(つまり、FE)とから、下記の式(II)により算出される。
使用された尿素の物質量=通電量/96485×(1-O2のFE)/6
この尿素転化率は、通電量から酸素発生の電気量を差し引いた残りの電気量がすべて尿素の電気分解に使用され、つまりは上記した式<3.1>における6電子反応が進行したと仮定して求めた見かけの転化率である。
The urea conversion rate was calculated based on the following formula (I).
Urea conversion rate = amount of urea used in the reaction / total amount of urea (I)
The total substance amount of urea is calculated from the urea concentration of the urea water (32.5 wt % in this example).
The "amount of urea used in the reaction" is calculated from the amount of current and the Faraday efficiency of O2 (i.e., FE) according to the following formula (II).
Amount of urea used = amount of electricity / 96485 x (1-FE of O2 ) / 6
This urea conversion rate is an apparent conversion rate calculated on the assumption that the remaining amount of electricity, obtained by subtracting the amount of electricity for oxygen generation from the amount of electricity passed, is entirely used for the electrolysis of urea, that is, the six-electron reaction in the above formula <3.1> has proceeded.
図9より理解されるように、本例の水素/アンモニア製造装置1では、1Mという低いKOH濃度の電解液でも十分に尿素水電解反応が進行していることがわかる。つまり、低濃度のKOH水溶液でも尿素水電解反応により、アノード極23からアンモニアが生成し、カソード極21から水素が生成する。これは、隔膜22としてアニオン交換膜を用いることにより、KOH濃度が低くても、局所的にはpHが上昇し尿素水電解反応が促進されるためであると考えられる。 As can be seen from FIG. 9, in the hydrogen/ammonia production device 1 of this example, the urea water electrolysis reaction proceeds sufficiently even in an electrolyte with a low KOH concentration of 1M. In other words, even in a low-concentration KOH aqueous solution, ammonia is produced from the anode 23 and hydrogen is produced from the cathode 21 through the urea water electrolysis reaction. This is thought to be because, by using an anion exchange membrane as the diaphragm 22, the pH increases locally even when the KOH concentration is low, accelerating the urea water electrolysis reaction.
(実験例3)
本例は、陽イオン交換膜を用いた水素/アンモニア製造装置1により、水素、アンモニアを生成する例である。本例では、図10に示す水素/アンモニア製造装置1を構築した。
(Experimental Example 3)
This example is an example in which hydrogen and ammonia are produced by a hydrogen/ammonia production device 1 using a cation exchange membrane. In this example, a hydrogen/ammonia production device 1 shown in FIG. 10 was constructed.
まず、実験例1と同様にして尿素を含有するアルカリ性水溶液(つまり、電解液3)を作製した。次いで、アノード極23と隔膜22とカソード極21とが一体的に形成された電極体2を作製し、電極体2を容器40(具体的には、第1容器40)内に挿入し、容器40内の空間を2つに分断した。より具体的には、電極体2の隔膜22により、容器40内を分断した。アノード極23は、Pt-Black__から構成されており、カソード極21は、Ptから構成されている。なお、Pt-Blackは、プラチナの黒色粉末のことである。また、隔膜22としては、Chemours社製の陽イオン交換膜であるNafion(登録商標)117を用いた。 First, an alkaline aqueous solution containing urea (i.e., electrolyte 3) was prepared in the same manner as in Experimental Example 1. Next, an electrode body 2 was prepared in which an anode 23, a diaphragm 22, and a cathode 21 were integrally formed, and the electrode body 2 was inserted into a container 40 (specifically, a first container 40) to divide the space inside the container 40 into two. More specifically, the diaphragm 22 of the electrode body 2 divided the inside of the container 40. The anode 23 was made of Pt-Black__, and the cathode 21 was made of Pt. Note that Pt-Black is a black powder of platinum. The diaphragm 22 was made of Nafion (registered trademark) 117, a cation exchange membrane manufactured by Chemours.
容器40内のアノード極23側には、電解液3(具体的には、第1電解液3)を注入した。一方、容器40内のカソード極21はドライ環境に曝されている。電解液3には、ポリテトラフルオロエチレン(つまり、PTFE)から構成されるチューブが611挿入されており、このチューブ611は、鉛直方向における容器40上部に形成されたガス導入口61(具体的には、第1ガス導入口61)に接続されている。 Electrolyte solution 3 (specifically, first electrolyte solution 3) was injected into the anode electrode 23 side of the container 40. Meanwhile, the cathode electrode 21 in the container 40 is exposed to a dry environment. A tube 611 made of polytetrafluoroethylene (i.e., PTFE) is inserted into the electrolyte solution 3, and this tube 611 is connected to a gas inlet 61 (specifically, first gas inlet 61) formed at the top of the container 40 in the vertical direction.
また、アノード極23側における容器40上部には、第1ガス取り出し口621が形成されており、第1ガス取り出し口621は、ガスクロマトグラフィの試料測定部に連結されている。一方、容器40内のカソード極21側には、第2ガス導入口63が設けられている。本例の水素/アンモニア製造装置1では、カソード極21側で生成する水素を送り出すために、第2ガス導入口63からArガスが導入される。 A first gas outlet 621 is formed in the upper part of the container 40 on the anode electrode 23 side, and the first gas outlet 621 is connected to a sample measurement section of the gas chromatography. On the other hand, a second gas inlet 63 is provided on the cathode electrode 21 side in the container 40. In the hydrogen/ammonia production apparatus 1 of this example, Ar gas is introduced from the second gas inlet 63 to send out hydrogen generated on the cathode electrode 21 side.
また、カソード極21側における容器40の上部には、第2ガス取り出し口622が形成されており、第2ガス取り出し口622は、ガスクロマトグラフィの試料測定部に連結されている。なお、図10では、ガスクロマトグラフィの図示を省略している。 A second gas outlet 622 is formed in the upper part of the container 40 on the cathode electrode 21 side, and the second gas outlet 622 is connected to the sample measurement section of the gas chromatography. Note that the gas chromatography is not shown in FIG. 10.
図10に示すように、隔膜22は、鉛直方向Vの下部から容器40外に延設されており、隔膜22は、容器40外に設けられた第2容器49内の第2電解液39に浸漬されている。第2電解液39は、1NのH2SO4水溶液である。さらに、このH2SO4水溶液には、参照極としてのAg/AgCl電極25が挿入されている。 10, the diaphragm 22 extends from the lower portion in the vertical direction V to the outside of the container 40, and is immersed in a second electrolytic solution 39 in a second container 49 provided outside the container 40. The second electrolytic solution 39 is a 1N H2SO4 aqueous solution. Furthermore, an Ag/AgCl electrode 25 serving as a reference electrode is inserted into the H2SO4 aqueous solution.
カソード極21、アノード極23は、Ag/AgCl電極25は、電気化学測定装置5(つまり、ポテンショスタット/ガルバノスタット)に電気的に接続されている。具体的には、アノード極23は、試料極(試料極は作用極とも呼ばれる)として電気化学測定装置5に接続され、カソード極21は、対極として電気化学測定装置5に接続され、Ag/AgCl電極25は参照極として電気化学測定装置5に接続されている。本例の水素/アンモニア製造装置1では、3極式の電気化学セル4が構築されている。 The cathode 21, anode 23, and Ag/AgCl electrode 25 are electrically connected to an electrochemical measurement device 5 (i.e., potentiostat/galvanostat). Specifically, the anode 23 is connected to the electrochemical measurement device 5 as a sample electrode (the sample electrode is also called a working electrode), the cathode 21 is connected to the electrochemical measurement device 5 as a counter electrode, and the Ag/AgCl electrode 25 is connected to the electrochemical measurement device 5 as a reference electrode. In the hydrogen/ammonia production device 1 of this example, a three-electrode electrochemical cell 4 is constructed.
次に、マグネチックスターラを用いて電解液3を撹拌しながら、第1ガス導入口61から容器40内にHeを吹き込み容器40内の空気をHeに置換した。なお、Heの吹き込み条件は、実験例1と同様である。 Next, while stirring the electrolyte 3 using a magnetic stirrer, He was blown into the container 40 from the first gas inlet 61 to replace the air in the container 40 with He. The conditions for blowing He were the same as in Experimental Example 1.
Heによるガス置換を60分以上継続して行いながら、開回路電圧を測定した。次いで、アノード極23とカソード極21の間の印加電圧を1.4Vに制御し、定電圧電解を2時間行うことにより、尿素水電解反応を進行させた。このとき、電気化学測定装置5により、インピーダンスを測定した。インピーダンスの経時変化を図11に示す。 The open circuit voltage was measured while continuing the gas replacement with He for 60 minutes or more. Next, the voltage applied between the anode 23 and the cathode 21 was controlled to 1.4 V, and constant voltage electrolysis was performed for 2 hours to allow the urea water electrolysis reaction to proceed. At this time, the impedance was measured using the electrochemical measurement device 5. The change in impedance over time is shown in Figure 11.
本例では、SPE電解法による室温での尿素水電解反応によって、アノード極23側でHNCOが生成していることが確認された。また、式<3.3>によれば、尿素水電解反応により、アノード極23でアンモニアが生成しているといえる。さらに、式<2.5>によれば、尿素水電解反応により、カソード極21で水素が生成しているといえる。 In this example, it was confirmed that HNCO was produced at the anode electrode 23 side by the urea water electrolysis reaction at room temperature by the SPE electrolysis method. Furthermore, according to formula <3.3>, it can be said that ammonia was produced at the anode electrode 23 by the urea water electrolysis reaction. Furthermore, according to formula <2.5>, it can be said that hydrogen was produced at the cathode electrode 21 by the urea water electrolysis reaction.
また、図11より理解されるように、本例では、経時的に電気抵抗が増大している。
これは、尿素水溶液中のNH4
+がイオン交換により陽イオン交換膜中にトラップされたためであると考えられる。つまり、隔膜22に陽イオン交換膜を用いると、経時的に膜が劣化するおそれがある。したがって、隔膜22としては、陰イオン交換膜が好ましい。
As can be seen from FIG. 11, in this example, the electrical resistance increases over time.
This is believed to be because NH 4 + in the urea aqueous solution is trapped in the cation exchange membrane by ion exchange. In other words, if a cation exchange membrane is used for the diaphragm 22, the membrane may deteriorate over time. Therefore, an anion exchange membrane is preferable as the diaphragm 22.
(実験例4)
本例は、水素/アンモニア製造装置1から生成されるアンモニアの濃度を直接的に検出した例である。まず、アノード極23として、Niをチタンメッシュに析出させた電極を用いて、実験例1と同様の水素/アンモニア製造装置1を構築した(図4参照)。
(Experimental Example 4)
This example is an example of directly detecting the concentration of ammonia produced by the hydrogen/ammonia production apparatus 1. First, a hydrogen/ammonia production apparatus 1 similar to that of Experimental Example 1 was constructed using an electrode in which Ni was deposited on a titanium mesh as the anode electrode 23 (see FIG. 4).
この水素/アンモニア製造装置1を用い、定電圧電解を2時間行うことにより、尿素水電解を実施した。尿素水電解の方法及び条件は、電極間の印加電圧を1.8V、電解液のKOH濃度を3Mにした点を除いては実験例1と同様である。 Urea water electrolysis was carried out by performing constant voltage electrolysis for 2 hours using this hydrogen/ammonia production device 1. The method and conditions for urea water electrolysis were the same as those in Experimental Example 1, except that the voltage applied between the electrodes was 1.8 V and the KOH concentration of the electrolyte was 3 M.
2時間の定電圧電解の後、電解液30mLを測定試料として採取し、測定試料中のアンモニア濃度を東興化学社製のアンモニア電極「Ti9001」を用いて測定した。濃度測定は、アンモニア標準液による検量線を用いて行った。本例における平均電流密度の結果、及びアンモニア濃度の結果を図12に示す。 After 2 hours of constant voltage electrolysis, 30 mL of the electrolyte was collected as a measurement sample, and the ammonia concentration in the measurement sample was measured using a Toko Chemical Industry Co., Ltd. ammonia electrode "Ti9001". The concentration was measured using a calibration curve based on an ammonia standard solution. The average current density results and ammonia concentration results for this example are shown in Figure 12.
図12より理解されるように、本例では電流密度が高く、尿素水電解が効率よく進行し、さらに、アンモニアも十分に生成されていた。したがって、高効率にアンモニアが生成されていることがわかる。
このように、本例では、アンモニア電極によりアンモニアの生成が確認された。
12, in this example, the current density was high, the urea water electrolysis proceeded efficiently, and ammonia was also produced in sufficient amounts. Therefore, it is understood that ammonia was produced with high efficiency.
Thus, in this example, the generation of ammonia was confirmed by the ammonia electrode.
(実験例5)
本例は、印加電圧に対する尿素水電解反応の依存性を評価した例である。まず、アノード極23として、Niをチタンメッシュに析出させた電極を用いて、実験例1と同様の水素/アンモニア製造装置1を構築した(図4参照)。
(Experimental Example 5)
This example is an example for evaluating the dependency of the urea water electrolysis reaction on the applied voltage. First, a hydrogen/ammonia production device 1 similar to that of Experimental Example 1 was constructed using an electrode in which Ni was deposited on a titanium mesh as the anode electrode 23 (see FIG. 4).
この水素/アンモニア製造装置1を用い、実験例1と同様にして、尿素水電解を実施した。尿素水電解の方法及び条件は、電極間の印加電圧を変更した点を除いては実施例1と同様である。具体的には、本例では、30分毎に電圧を1.3Vから1.6Vまで0.1Vずつ上昇させた。つまり、1.3Vで30分間の尿素水電解を行った後、電圧を0.1Vずつ1.6Vまで上げながら各電圧で30分間尿素水電解を行った。本実験における経過時間と電流密度と印加電圧の関係を図13に示す。図13に示すように、各電圧での尿素水電解間には、5分間の電圧非印加時間を設けてある。本例での印加電圧と電流密度との関係を図14に実線グラフとして示した。 Using this hydrogen/ammonia production device 1, urea water electrolysis was carried out in the same manner as in Experimental Example 1. The method and conditions for urea water electrolysis were the same as in Example 1, except that the voltage applied between the electrodes was changed. Specifically, in this example, the voltage was increased from 1.3 V to 1.6 V in increments of 0.1 V every 30 minutes. In other words, after urea water electrolysis was carried out for 30 minutes at 1.3 V, the voltage was increased in increments of 0.1 V up to 1.6 V, and urea water electrolysis was carried out for 30 minutes at each voltage. The relationship between the elapsed time, the current density, and the applied voltage in this experiment is shown in FIG. 13. As shown in FIG. 13, a 5-minute period of no voltage application was provided between urea water electrolysis at each voltage. The relationship between the applied voltage and the current density in this example is shown as a solid line graph in FIG. 14.
また、上述の尿素水電解の比較用として、尿素が添加されていない電解液を用いて同様の実験(具体的には、水の電気分解)を行った。その結果、(つまり、印加電圧と電流密度との関係)を図14に破線グラフとして示す。 In addition, for comparison with the above-mentioned urea water electrolysis, a similar experiment (specifically, water electrolysis) was conducted using an electrolyte solution without added urea. The results (i.e., the relationship between applied voltage and current density) are shown as a dashed line graph in Figure 14.
図14より知られるように、尿素が添加されていない電解液よりも尿素が添加された電解液では、より低電位で電流密度が高くなり、電気分解が起こっている。つまり、尿素水電解は低電位で起こるため、尿素水を原料することにより、低エネルギーでアンモニアや水素を生成することができる。 As can be seen from Figure 14, the current density is higher at a lower potential in an electrolyte with urea added than in an electrolyte without urea added, and electrolysis occurs. In other words, since urea water electrolysis occurs at a low potential, ammonia and hydrogen can be produced with low energy by using urea water as a raw material.
(実験例6)
本例は、隔膜22として陰イオン交換膜を用い、電極の一方をドライ環境に曝した水素/アンモニア製造装置1により、水素、アンモニアを生成する例である。水素、アンモニアの生成は、尿素の分解活性を評価することにより行った。
(Experimental Example 6)
In this example, an anion exchange membrane is used as the diaphragm 22, and hydrogen and ammonia are produced by a hydrogen/ammonia production device 1 in which one of the electrodes is exposed to a dry environment. The production of hydrogen and ammonia was performed by evaluating the decomposition activity of urea.
本例では、図15に示す水素/アンモニア製造装置1を構築した。具体的には、まず、実験例1と同様にして尿素を含有するアルカリ性水溶液(つまり、電解液3)を作製した。また、外壁がPTFEから構成されていた容器40内に、アノード極23と隔膜22とカソード極21とが一体的に形成された電極体2を挿入し、容器40内の空間を2つに分断した。つまり、電極体2の隔膜22により、容器40内を分断した。隔膜22としては実験例1と同様の陰イオン交換膜を用いた。また、アノード極23は、Ni/Tiから構成されており、カソード極21は、Pt/KBから構成されている。アノード極23、カソード極21は、それぞれ電源55に電気的に接続されている。 In this example, the hydrogen/ammonia production device 1 shown in FIG. 15 was constructed. Specifically, first, an alkaline aqueous solution containing urea (i.e., electrolyte 3) was prepared in the same manner as in Experimental Example 1. In addition, an electrode body 2 in which an anode electrode 23, a diaphragm 22, and a cathode electrode 21 were integrally formed was inserted into a container 40 whose outer wall was made of PTFE, and the space inside the container 40 was divided into two. In other words, the inside of the container 40 was divided by the diaphragm 22 of the electrode body 2. The diaphragm 22 was the same anion exchange membrane as in Experimental Example 1. In addition, the anode electrode 23 was made of Ni/Ti, and the cathode electrode 21 was made of Pt/KB. The anode electrode 23 and the cathode electrode 21 were each electrically connected to a power source 55.
図15に示すように、容器40内のアノード極23側には、電解液3が注入され、容器40内のカソード極21はドライ環境に曝されている。電解液3としては、実験例1と同様のものを用いた。なお、以降の説明では、容器40内においてアノード極23に面し、電解液3が満たされている側をアノード室231(つまり、図15における左室)といい、カソード極21に面し、ドライ環境に曝されている側をカソード室211(つまり、図15における右室)という。 As shown in FIG. 15, the electrolyte 3 is poured into the anode electrode 23 side of the container 40, and the cathode electrode 21 in the container 40 is exposed to a dry environment. The electrolyte 3 used was the same as in Experimental Example 1. In the following explanation, the side of the container 40 facing the anode electrode 23 and filled with the electrolyte 3 is referred to as the anode chamber 231 (i.e., the left chamber in FIG. 15), and the side facing the cathode electrode 21 and exposed to a dry environment is referred to as the cathode chamber 211 (i.e., the right chamber in FIG. 15).
アノード室231には、チューブ611が挿入されており、チューブ611を通して電解液3にHeを流通させた。また、アノード室231には、第1ガス取り出し口621が形成されており、第1ガス取り出し口621には、構成の図示を省略するがガスクロマトグラフィに接続された多方弁(具体的には6方弁)、膜流量計が順次接続されている。一方、カソード室211には、第2ガス導入口63及び第2ガス取り出し口622が設けられており、第2ガス導入口63及び第2ガス取り出し口622を通じてカソード室211内に不活性ガス(具体的にはAr)を流通させた。 A tube 611 was inserted into the anode chamber 231, and He was passed through the tube 611 to the electrolytic solution 3. A first gas outlet 621 was also formed in the anode chamber 231, and a multi-way valve (specifically, a six-way valve) and a membrane flowmeter (not shown) connected to a gas chromatograph were connected to the first gas outlet 621 in sequence. On the other hand, a second gas inlet 63 and a second gas outlet 622 were provided in the cathode chamber 211, and an inert gas (specifically, Ar) was passed through the second gas inlet 63 and the second gas outlet 622 into the cathode chamber 211.
アノード極23は、金線によって電気化学測定装置(具体的には、ポテンショスタット/ガルバノスタット)の動作極端子と電位測定端子に電気的に接続され、カソード極21は、金線によって電気化学測定装置の対極端子と参照極端子に電気的に接続されている。なお、図15では電気化学測定装置の図示を省略している。 The anode 23 is electrically connected to the working electrode terminal and potential measurement terminal of an electrochemical measurement device (specifically, a potentiostat/galvanostat) by gold wires, and the cathode 21 is electrically connected to the counter electrode terminal and reference electrode terminal of the electrochemical measurement device by gold wires. Note that the electrochemical measurement device is not shown in Figure 15.
カソード室211内に不活性ガスを十分に吹き込んで空気を不活性ガスで置換した後、印加電圧を2.0Vに制御して実験例1と同様にして定電圧電解を2時間行うことにより、尿素水電解活性を評価した。評価は、水素、窒素、及び酸素のファラデー効率(つまり、FE(H2)、FE(N2)、FE(O2))、水素、窒素、及び酸素の生成速度(つまり、r(H2)r(N2)r(O2))を測定することにより行った。その結果を図17~図19に示す。また、本例での電流密度の経時変化を図16に示す。 After sufficient inert gas was blown into the cathode chamber 211 to replace the air with the inert gas, the applied voltage was controlled to 2.0 V and constant voltage electrolysis was performed for 2 hours in the same manner as in Experimental Example 1 to evaluate the urea water electrolysis activity. The evaluation was performed by measuring the Faraday efficiencies of hydrogen, nitrogen, and oxygen (i.e., FE(H 2 ), FE(N 2 ), FE(O 2 )) and the production rates of hydrogen, nitrogen, and oxygen (i.e., r(H 2 ), r(N 2 ), r(O 2 )). The results are shown in Figures 17 to 19. Also, the change in current density over time in this example is shown in Figure 16.
図17より知られるように、カソード極21における水素のファラデー効率FE(H2)は、100%であり、水素の生成速度r(H2)も速い。このことから、本例の水素/アンモニア製造装置1では、カソード極21から、水素が高効率に十分生成されることがわかる。
また、図18から理解されるように、窒素生成の電流効率が30%程度と低くなっており、窒素やアンモニア以外の窒素化合物が反応溶液中に生成していることがわかる。
また、図19から理解されるように、酸素生成の電流効率は6%程度と低く、尿素が効率的に酸化されていることがわかる。
17, the Faraday efficiency FE( H2 ) of hydrogen at the cathode 21 is 100%, and the hydrogen production rate r( H2 ) is also fast. From this, it is understood that hydrogen is produced efficiently and sufficiently from the cathode 21 in the hydrogen/ammonia production apparatus 1 of this embodiment.
Furthermore, as can be seen from FIG. 18, the current efficiency of nitrogen production is low at about 30%, and it is found that nitrogen compounds other than nitrogen and ammonia are produced in the reaction solution.
Furthermore, as can be seen from FIG. 19, the current efficiency of oxygen generation is low at about 6%, and it is understood that urea is efficiently oxidized.
このように、イオン交換膜として陰イオン交換膜を使用し、カソード極側をドライ環境としても、尿素水電解により、水素、アンモニアの生成が可能であることがわかる。 In this way, it can be seen that even if an anion exchange membrane is used as the ion exchange membrane and the cathode side is in a dry environment, hydrogen and ammonia can be produced by urea water electrolysis.
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the spirit of the present invention.
1 水素/アンモニア製造装置
2 電極体
21 カソード極
22 隔膜
23 アノード極
3 電解液
4 電気化学セル
Reference Signs List 1 Hydrogen/ammonia production device 2 Electrode body 21 Cathode 22 Diaphragm 23 Anode 3 Electrolyte 4 Electrochemical cell
Claims (11)
上記電極体が、カソード極(21)と、隔膜(22)と、アノード極(23)とが順次積層された積層体から構成されており、
少なくとも上記アノード極が尿素と接触しており、
上記電解液がアルカリ性水溶液から構成されており、上記アノード極及び上記カソード極の少なくとも一方が上記電解液と接触しており、
上記隔膜がイオン交換膜から構成されている、水素/アンモニア製造装置。 A hydrogen and/or ammonia production device (1) comprising an electrochemical cell (4) having an electrode body (2) and an electrolyte (3),
the electrode body is composed of a laminate in which a cathode (21), a diaphragm (22), and an anode (23) are laminated in this order,
At least the anode is in contact with urea;
the electrolyte is an alkaline aqueous solution, and at least one of the anode and the cathode is in contact with the electrolyte;
A hydrogen/ammonia production apparatus, wherein the diaphragm is composed of an ion exchange membrane.
カソード極(21)と、イオン交換膜から構成される隔膜(22)と、アノード極(23)とを順次積層することにより電極体(2)を形成し、
該電極体の上記アノード極を尿素と接触させ、上記アノード極及び上記カソード極の少なくとも一方をアルカリ性水溶液から構成される電解液に接触させ、
上記カソード極及び上記アノード極間に電圧を印加することにより、水素及び/又はアンモニアを生成する、水素/アンモニアの製造方法。 1. A method for producing hydrogen and/or ammonia, comprising the steps of:
A cathode (21), a diaphragm (22) made of an ion exchange membrane, and an anode (23) are sequentially stacked to form an electrode body (2);
the anode electrode of the electrode assembly is brought into contact with urea, and at least one of the anode electrode and the cathode electrode is brought into contact with an electrolyte solution composed of an alkaline aqueous solution;
A method for producing hydrogen/ammonia, comprising applying a voltage between the cathode and the anode to produce hydrogen and/or ammonia.
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