[发明专利]膜电极接合体以及有机氢化物制造装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于以电化学方式制造有机氢化物的膜电极接合体以及有机氢化物制造装置。

背景技术

随着二氧化碳等引起的地球变暖变得严重，氢代替化石燃料作为新时代能源受到关注。氢燃料在燃料消耗时所排出的物质只有水，不排出二氧化碳，所以对环境的负担小。另一方面，由于氢在常温常压下为气体，所以输送、储存、供给系统成为大课题。

近年来，作为安全性、搬运性和储存能力优异的氢储存方法，使用了环己烷、甲基环己烷、十氢化萘那样的烃的有机氢化物系统受到关注。这些烃由于在常温下为液体，因此搬运性优异。例如，甲苯和甲基环己烷为具有相同碳原子数的环状烃，但甲苯为烃彼此的结合为双键的不饱和烃，与此相对，甲基环己烷为不具有双键的饱和烃。通过甲苯的氢化反应得到甲基环己烷，通过甲基环己烷的脱氢反应得到甲苯。即，通过利用这些烃的氢化反应和脱氢反应，可以实现氢的储存及其供给。

为了制造甲基环己烷等有机氢化物，需要首先制造氢，使该氢与甲苯在催化剂上进行反应。即，现有的工艺为在水电解装置等中产生氢，在氢化反应装置中使氢与甲苯反应来生成有机氢化物这样的两步工艺。

所以，制造有机氢化物需要多个装置，产生装置复杂化这样的问题。此外，由于制造氢后到氢化反应为止为气体状的氢，因此关于储存、搬运产生问题。如果将氢制造装置和氢化反应装置相邻建造，则可解决上述问题，但有建造和运用成本的问题，综合的能量效率也降低。另外，需要装置的大型化，因此还有设置场所受限这样的问题。

相对于两步工艺，提出了使用单一装置一步制造有机氢化物的技术（例如专利文献1、非专利文献1）。这些技术以电化学方式制造有机氢化物。例如，在专利文献1中，在选择性透过氢离子的氢离子透过性电解质膜的两侧分别配置金属催化剂，向一方供给水或水蒸汽，向另一方供给被氢化物，使在阳极侧通过水或水蒸汽的电解而生成的氢离子在阴极侧与被氢化物发生氢化反应来制造有机氢化物。使用甲苯作为被氢化物的情况下的阳极、阴极各自的反应式如下所示。

H₂O→2H⁺+（1/2）O₂+2e^-···（1）

C₇H₈+6H⁺+6e^-→C₇H₁₄····（2）

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-45449号公报

非专利文献

非专利文献1：Catalysis Today,56,307(2000)

发明内容

发明所要解决的课题

但是，这些有机氢化物制造方法中，难以得到高能量效率。

本发明的目的是提供即使在使用单一装置一步制造有机氢化物的情况下，也可得到高能量效率的膜电极接合体以及有机氢化物制造装置。

用于解决课题的方法

作为实现上述目的的一个实施方式，涉及一种膜电极接合体，其是由还原作为被氢化物的芳香族烃的阴极催化剂层、和氧化水的阳极催化剂层以夹持质子导电性的固体高分子电解质膜的方式配置而成的膜电极接合体，其特征在于，前述阴极催化剂层由还原前述被氢化物而反应为氢化物的催化剂金属、担载前述催化剂金属的载体、以及质子导电性的固体高分子电解质构成，在前述载体表面导入有减弱对前述被氢化物的润湿性的官能团。

此外，涉及一种有机氢化物制造装置，其特征在于，具备前述膜电极接合体、向前述阴极催化剂层供给前述被氢化物的构件、以及向前述阳极催化剂层供给水或水蒸汽的构件。

另外，涉及一种有机氢化物制造装置，其具有：阴极催化剂层；阳极催化剂层；以及隔板，该隔板向前述阴极催化剂层供给作为被氢化物的芳香族烃并取出有机氢化物，向前述阳极催化剂层供给H₂O并排出氧气和水，所述有机氢化物制造装置的特征在于，前述阴极催化剂层配置在固体高分子电解质膜的一个面上，前述阳极催化剂层配置在前述固体高分子电解质膜的另一个面上，前述阴极催化剂层包含还原前述被氢化物而反应为氢化物的催化剂金属、以及担载前述催化剂金属的载体，前述载体在其表面具有减弱对前述被氢化物的润湿性的官能团。

发明的效果