JP2021161472A - 水電解装置 - Google Patents
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Abstract
Description
アニオン伝導膜については、種々の提案がなされている(例えば、非特許文献1〜14)。
即ち、本発明に係る水電解装置は、
陽極と、陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に配置されたアニオン伝導膜と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、
前記陰極又は陽極の少なくとも一方に、水又はアルカリ水溶液を供給する水供給部と、を備え、
前記アニオン伝導膜が、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリマー(A)を含む。
Ar1は、アニオン交換基を有する芳香族基、又はアニオン交換基を有する2以上の芳香環が単結合を介して連結した基であって、複数あるAr1は同一であっても異なっていてもよく、
Ar2は、アニオン交換基を有しない芳香族基、もしくは、アニオン交換基を有しない2以上の芳香族環が、単結合、又はスピロ原子を介して連結した基であって、複数あるAr2は同一であっても異なっていてもよく、
Ar1が有する芳香環と、Ar2が有する芳香環とは、単結合を介して連結している。
前記陽極が、アノード触媒層と、第1の拡散層とを有し、
前記陰極が、カソード触媒層と、第2の拡散層とを有する。
前記陽極上に第1の主電極を有し、
前記陰極上に第2の主電極を有し、
前記電源が、前記第1の主電極と、前記第2の主電極に接続されて、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する。
なお数値範囲を示す「〜」はその上限値及び下限値を含むものとする。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。また、本明細書において特に言及していない本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。
2H2O+2e−→2OH−+H2
水酸化物イオン(OH−)は、アニオン伝導膜5を透過して陽極10に移動する。陽極10では下記の反応が起こり、酸素ガスが発生する。
2OH−→H2O+1/2O2+2e−
発生した水素及び酸素は、各々セパレータ13及び23に設けられたガス流路14、24を通じてセル6から排出される。ガス流路は、例えば、図示しない気液分離器を介して貯蔵用タンク等に接続され、水素及び酸素は、各々、気液分離器で水が分離された後、貯蔵用タンク等に収容される。
アニオン伝導膜の厚みは特に限定されないが、例えば1〜100μmの範囲で適宜調整すればよく、2〜80μmが好ましい。
アノード触媒層中のポリマー(A)の割合は、水電解効率に優れる範囲で適宜調整すればよい。例えば、アノード触媒層全量100質量%に対して、80質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。
アノード触媒層11の厚みは特に限定されないが、例えば、0.01〜100μmとすることができ、0.01〜10μmが好ましい。
カソード触媒層21の触媒は、前記アノード触媒層11と同様のものが挙げられる。カソード触媒層21は水との接触面積や水やガスの拡散の点から、カーボン粒子に触媒となる金属粒子を担持させたものが好ましい。カソード触媒層21は、ポリマー(A)を有することが好ましい。カソード触媒層21が後述するポリマー(A)を含むことにより水酸化物イオンがアノード触媒に供給されやすくなり、水電解効率が向上する。
カソード触媒層中のポリマー(A)の割合は、水電解効率に優れる範囲で適宜調整すればよい。例えば、カソード触媒層全量100質量%に対して、80質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。
カソード触媒層21の厚みは特に限定されないが、例えば、0.01〜100μmとすることができ、0.01〜10μmが好ましい。
Ar1は、アニオン交換基を有する芳香族基、又はアニオン交換基を有する2以上の芳香環が単結合を介して連結した基であって、複数あるAr1は同一であっても異なっていてもよく、
Ar2は、アニオン交換基を有しない芳香族基、もしくは、アニオン交換基を有しない2以上の芳香族環が、単結合、又はスピロ原子を介して連結した基であって、複数あるAr2は同一であっても異なっていてもよく、
Ar1が有する芳香環と、Ar2が有する芳香環とは、単結合を介して連結している。
本明細書において、アニオン交換基とは、解離性を有しアニオン交換が可能な官能基であり、ポリマー(A)のアニオン伝導に寄与する。Ar1におけるアニオン交換基は、このような官能基の中から用途に応じて適宜選択することができる。アニオン交換基としては、4級アンモニウム基、イミダゾリウム基などがあげられ、4級アンモニウム基が好ましい。前記4級アンモニウム基は、さらに、アルカリ耐久性の観点から、4級アルキルアンモニウム基が好ましい。なお、当該4級アルキルアンモニウム基は、窒素原子に結合するアルキル基同士が結合して環構造を形成しているものを含むものであり、例えば、アザアダマンチル基、キヌクリジニウム基などであってもよい。
4級アンモニウム基の好ましい具体例としては、下記式(b1)〜式(b3)が挙げられる。また、イミダゾリウム基の好ましい具体例としては、下記式(b4)が挙げられる。なお各式中の波線は、Ar1が有する芳香環または後述する連結基への結合手を示す。
R12は、各々独立に、水素原子、炭素数1以上4以下の直鎖状または分岐状のアルキル基、もしくは、置換基としてアルキル基を有していてもよい芳香族基であり、
A−は、1価または2価以上のアニオンである。
また、Ar1は、アニオン交換基を有する2以上の芳香環が単結合を介して連結した基であってもよい。複数の環が単結合で連結した構造としては、例えば、ビフェニル、ターフェニルなどが挙げられる。
Ar2における2以上の芳香族環がスピロ原子を介して連結した基としては、例えば、下記式(c1)で表される基が挙げられる。また、2以上の芳香族環が単結合を介して連結した基としては、例えば、下記式(c2)〜式(c4)で表される基が挙げられる。なお波線は、Ar1との結合手を示す。
ポリマー(A1)は、下記一般式(1−1)で表される繰り返し単位を有する。
ポリマー(A2)は、下記一般式(1−2)で表される繰り返し単位を有する。
p2は{(Rb2から4級炭素までの炭素数)−1}を表し、1以上20以下の範囲で適宜調整すればよい。中でも1〜15が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6が更に好ましい。
ポリマー(A3)は、前記一般式(1)で表される繰り返し単位において、Ar2が下記式(2)で表される部分構造を両末端に有する。言い換えると、当該Ar2は、末端の炭素原子のα位にフルオロ基(−F)を有する芳香環を含む2価の基である。ここでAr2の末端とは、Ar1と結合する炭素原子をいう。なお、波線はAr1との結合手を表し、点線は芳香環の一部を省略していることを示す。
また、上記Rdにおける有機基としては、例えば、置換基(例えばハロゲノ基)を有していてもよい(置換基の炭素数を含まない)炭素数1〜20の直鎖状または分岐状のアルキル基が挙げられる。
ポリマー(A4)は、下記一般式(1−4)で表される繰り返し単位を有する。
ポリマー(A4)は、アニオン交換基を有するAr1と、3環以上の縮合環から構成されるAr2とが交互に繰り返された構造を有している。一般にイオン交換基を多く含むポリマーは膨潤しやすい傾向があるが、ポリマー(A4)は、Ar1とAr2とが交互に繰り返し、且つ、3環以上の縮合環がπ−πスタッキングすることにより、膨潤耐性に優れている。
当該縮合環の好ましい具体例としては、以下のものが挙げられる。なお波線は、Ar1との結合手を示す。また、水素原子は前記アニオン交換基を有しない基に置換されていてもよい。
R11及びR12における、炭素数1〜6のアルキル基は、直鎖又は分岐を有するアルキル基のいずれでもよい。具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、n−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられる。
ステップ(i):上記化合物(1)のトルエン溶液を準備し、アゾジカルボン酸ジエチル(DEAD)を加えて加熱還流することにより上記化合物(2)を得る。
ステップ(ii):これとは別に上記化合物(3)のN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)溶液を準備し、ビス(ピナコレート)ジボランと、酢酸カリウム(KOAc)と、[1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]パラジウム(II)ジクロリド(Pd(dppf)Cl2)を加えて90℃に加熱することにより、上記化合物(4)を得る。
ステップ(iii):得られた上記化合物(2)と上記化合物(4)のトルエン溶液に、リン酸三カリウム(K3PO4)と、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(Pd(PPH3)4)を加えて100℃に加熱することにより重合化して、上記化合物(5)を得る。
ステップ(iv)クロロベンゼン中に、得られた化合物(5)と、N−ブロモスクシンイミド(NBS)と、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を加えて混合し、110℃に加熱することにより上記化合物(6)を得る。
ステップ(v):得られた化合物(6)をDMF/THF(テトラヒドロフラン)混合溶媒中で、50℃に加熱することにより、上記化学式(7)で表される前駆体が得られる。
図2に示すスキーム1に従って、ポリマー(A)を合成した。なお、以下では、例えばスキーム1のステップ(i)をステップ(1−i)と記載し、他のステップもこれに順ずる。なお、スキーム1及び後述の各ポリマー中に示すnは、各構成単位の繰り返し単位数を意味する。
2口フラスコに、水酸化ナトリウム(200g)水溶液(600mL)と、n−テトラブチルアンモニウムクロリド(556mg)とを加え、窒素下にて撹拌した。次いで、別途、1,6−ジクロロヘキサン(31.0g,200mmol)に、2,7−ジブロモフルオレン(6.48g,20mmol)を加熱しながら溶解させて調製した溶液を、この2つ口フラスコに、シリンジにて加えた。
そして、90℃、窒素下にて、90分間、反応させた後、得られた反応液を室温(25℃)まで冷却させた。冷却した反応液中の有機相を分液ロートにてジクロロメタン(300mL)で抽出し、1Mの塩酸(50mL)と、水(200mL×2)とで洗浄した。得られた有機相中のジクロロメタンをエバポレーターにて除去し、さらに、減圧下、90℃にて、未反応の1,6−ジクロロヘキサンを除去した。得られた残渣をシリカゲルカラム(展開溶媒:ヘキサン:クロロホルム=9:1)にかけることで、目的の化合物I(7.63g,13.6mmol)を得た。
化合物Iの1H−NMRスペクトル
1H-NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.52 (2H, d), δ 7.47-7.43 (4H, m), δ 3.42 (4H, t), δ 1.93 (4H,m), δ 1.60 (4H, m), δ 1.19 (4H, m), δ 1.08 (4H, m), δ 0.58 (4H, m)
2口フラスコに、化合物I(1121mg,2mmol)、炭酸セシウム(1.96g,6mmol)、ピバル酸(204mg,2mmol)、トリス(2−メトキシフェニル)ホスフィン(14mg)およびPd2(dba)3・CHCl3錯体(10.4mg)を加え、更に、脱水テトラヒドロフラン(3mL)を加えて、窒素下にて撹拌した。続いて、別途、テトラフルオロフェニレン(309mg,2.06mmol)をテトラヒドロフラン(1mL)に溶解させて調製した溶液を、シリンジにて空気がなるべく入らないように、2口フラスコに加えた。これらの混合液を、窒素下、室温(25℃)にて45分反応させた後、95℃にて24時間反応させた。
得られた反応物(固形分)に、1M塩酸及びクロロホルムを加え、12時間、40℃で撹拌した後、分液ロートにて有機相を抽出した。抽出した有機相を水で洗浄した後、得られた有機相中の液体分をエバポレーターにて除去し、乾固させた。得られた残渣をクロロホルムに溶解させ、メタノール中で再沈殿させた。得られた沈殿物を濾過して液体分を除去したのち、固形分をヘキサンで洗浄した。更に、得られた固形分を真空乾燥させることで、目的のポリマーI−Cl(930mg)を得た。ポリマーI−Clの1H−NMRスペクトルを図3に示す。また、ポリマーI−Clに対して、GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)分析を行い、重量平均分子量(Mw)及び分子量分布(Mw/Mn)も測定した。
ポリマーI−Clの1H−NMRスペクトル
1H-NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.92 (2H, d), δ 7.57 (4H, m), δ 3.44 (4H, t), δ 2.06 (4H,m), δ 1.64 (4H, m), δ 1.27 (4H, m), δ 1.15 (4H, m),δ 0.80 (4H, m)
19F-NMR (400 MHz, CDCl3) δ-144.1
GPC (CHCl3): Mw=178000, Mw/Mn=5.91
ポリマーI−Cl(200mg)をクロロベンゼン(20mL)に溶解させた。なお、不溶性成分がある場合は、あらかじめ濾過して除いておいた。得られた溶液に、25質量%トリメチルアミンメタノール溶液(2mL)を加え、100℃にて3時間撹拌した。その後、ジメチルスルホキシド(10mL)を加え、さらに3時間撹拌した。エバポレーターにて反応液中の大部分のクロロベンゼンを除去した後、ジメチルスルホキシド(20mL)及び25質量%トリメチルアミンメタノール溶液(3mL)を加え、100℃にて2時間撹拌し、反応を完結させた。得られた反応液中のジメチルスルホキシドを、70℃にて、エバポレーターで除去し、乾固させた。乾固した残渣に水を加え、濾過し、得られた固形分に水を加え、80℃にて撹拌した。その後、室温(25℃)に冷却し、濾過を行い、得られた固形分を真空乾燥させることで、目的のポリマーPFOTFPh−C6(203mg)を得た。
ポリマーPFOTFPh−C6のNMRスペクトル
1H-NMR (400 MHz, CD3OD ): δ 8.07 (2H, d), δ 7.67 (4H, m), δ 3.25 (4H, br), δ 3.08 (9H, s), δ 2.21 (4H, br), δ 1.65 (4H, br), δ 1.23 (8H, br), δ 0.79 (4H, br)
19F-NMR (400 MHz, CD3OD): δ -146.1
前記合成例1のステップ(1−i)において、1,6−ジクロロヘキサンの代わりに、1,8−ジクロロオクタン200mmolを用いた以外は、実施例1と同様にして、目的のポリマーPFOTFPh−C8を得た。
ポリマーPFOTFPh−C8のNMRスペクトル
1H-NMR (CD3OD, 400MHz): δ 8.06 (2H, d), δ 7.67 (4H, m), δ 3.29 (4H, t), δ 3.19 (18H, s), δ 2.18 (4H, br), δ 1.71 (4H, m), δ 1.27 (8H, m), δ 1.16 (4H, m), δ 0.74 (4H, br)
19F-NMR (CDCl3, 400MHz): δ-146.1
前記合成例1のステップ(1−i)において、1,6−ジクロロヘキサンの代わりに、1,10−ジクロロデカン200mmolを用いた以外は、合成例1と同様にして、目的のポリマーPFOTFPh−C10を得た。
ポリマーPFOTFPh−C8のNMRスペクトル
1H-NMR (400MHz, CD3OD): δ 8.05 (2H, m), δ 7.67 (4H, m), δ 3.29 (4H, t), δ 3.11 (18H, t), δ 2.16 (4H, m), δ 1.74 (4H, m), δ 1.32-1.14 (24H, m), δ 0.72 (4H, m) 19F-NMR (CD3OD, 400MHz): δ-146.1
90mgのPFOTFPh−Cxポリマーを4mLのジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させた。得られたポリマー溶液をペトリディッシュ(φ7mm)に入れ、65℃のホットプレート上で溶媒を揮発させた。その後、60℃、真空乾燥器中で1時間乾燥させ、PFOTFPh−Cxのキャスト膜を得た。各キャスト膜の膜厚を表2に示す。
電極触媒とPFOTFPh−Cxポリマーをアルコール/水溶媒中に混合・分散させた触媒スラリーを調製した。電極触媒は、カソードに市販Pt/C(Pt=46.5wt%、TEC10E50E、田中貴金属工業製)を、アノードに市販IrO2(Alfa Aesar製)を用いた。触媒スラリーの組成は表3、4に示す。PFOTFPh−Cxポリマー(アイオノマー)量は、触媒層(Pt/CまたはIrO2 + アイオノマー)の25wt%になるように調整した。また、アイオノマーはキャスト膜と同じPFOTFPh−Cxポリマーを用いた(PFOTFPh−C6キャスト膜の場合、アイオノマーにPFOTFPh−C6を使用)。Pt/C触媒スラリーの分散はボールミル(150rpm、1時間)を用い、IrO2触媒スラリーの分散は超音波処理(1時間)を行った。分散処理後の触媒スラリーを、パルススプレー法により、PFOTFPh−Cxキャスト膜上に塗布し触媒層を形成し実施例1〜3のMEAを得た。得られたMEAの構成を図3に示す。
(1)1M KOH水溶液をアノードに供給した水電解試験
セル温度80℃、アノード側に1M KOH水溶液(流量 5mL・min−1)を供給し、固体アルカリ水電解セルの性能評価を行った。セル評価には、充放電装置(HJ1010SD8、北斗電工製)を用いた。PFOTFPh−C6,PFOTFPh−C8,PFOTFPh−C10を電解質膜および触媒層アイオノマーに用いたMEAの固体アルカリ水電解性能を図4(電流電圧曲線)および表6に示す。
PFOTFPh−Cxを用いた実施例1〜3のMEAはいずれも高い水電解性能を示した。IECの高いPFOTFPh−C6,PFOTFPh−C8を用いたMEAは、PFOTFPh−C10のMEAよりも僅かに高い性能を示した。続いて、1.5Vにおけるセル抵抗を電気化学インピーダンス測定(インピーダンスアナライザー Solartron 1260, ポテンショ/ガルバノスタットSorlartron 1287, Solartron Analytical製)から評価した。表6に示すように、PFOTFPh−C6, PFOTFPh−C8を用いたMEAのセル抵抗は、酸型PEFC(ナフィオン膜+Pt/C触媒層のMEAのセル抵抗 50−100mΩ・cm2)と同程度の低い値を示した。PFOTFPh−C10のMEAは、PFOTFPh−C6,PFOTFPh−C8に比べ、僅かに高い値であった。
・比較例1、5、6及び8:Tokuyama A201(市販品)
・比較例11:Fumasep FAA-3-50(市販品)
ここでは、アノード側に純水を供給し、固体アルカリ水電解セルの性能評価を行った。アノード側に水を供給する以外は、上記の1M KOH水溶液を供給した試験と同様の条件で実験を行った。また、前記非特許文献11〜14に開示されたアニオン伝導膜(非特許文献14は3種)を用いたMEA及びその水電解性能を表9に示す(この順番に比較例11(2)、12、13、14(1)〜(3)とする)。
PFOTFPh−Cxを用いたMEAに関して、セル温度80℃、アノード側に水(流量5mL・min−1)を供給し、固体アルカリ水電解試験を行った結果を図7と表8に示す。水を供給した場合、PFOTFPh−CxのMEAは、1M KOH水溶液供給と比べて、少し性能が下がるものの、未だに高い水電解性能を示した。特に、より高いOH−伝導性を有するPFOTFPh−C6,−C8を用いたMEAは、PFOTFPh−C10のMEAよりも高い性能を示した。さらに、水を供給し固体アルカリ水電解試験を行った比較例11(2)、12、13、14(1)〜14(3)の結果(図8)から、実施例1〜3のMEAは優れた水電解性能であることが確認された。また、表8に示すセル抵抗値は、1M KOH供給の2倍程度で十分低い値である。このことから、高いOH−伝導性を有するPFOTFPh−Cxを用いることで、KOHを供給しなくてもMEA内のOH−伝導が確保され、高い水電解性能を発現することが示された。
・比較例11:Fumasep FAA-3-50(市販品)
・比較例12:Tokuyama A201(市販品)
セル温度80℃、アノード側に水(流量 5mLmin−1)を供給し、0.2Acm−2の一定電流密度で固体アルカリ水電解運転を行い、MEAの安定性を評価した。ここではPFOTFPh−C10を用いたMEAに関して評価を行った。結果を図9に示す。図9から分かるように、100時間運転を行っても電圧は増加しなかった。このことから、水を供給した場合においても、PFOTFPh−Cxを用いたMEAは高い安定性を有することが示された。
Claims (5)
- 陽極と、陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に配置されたアニオン伝導膜と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、
前記陰極又は陽極の少なくとも一方に、水又はアルカリ水溶液を供給する水供給部と、を備え、
前記アニオン伝導膜が、下記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリマー(A)を含む、
水電解装置。
Ar1は、アニオン交換基を有する芳香族基、又はアニオン交換基を有する2以上の芳香環が単結合を介して連結した基であって、複数あるAr1は同一であっても異なっていてもよく、
Ar2は、アニオン交換基を有しない芳香族基、もしくは、アニオン交換基を有しない2以上の芳香族環が、単結合、又はスピロ原子を介して連結した基であって、複数あるAr2は同一であっても異なっていてもよく、
Ar1が有する芳香環と、Ar2が有する芳香環とは、単結合を介して連結している。 - 前記陰極が、炭素上に担持した金属粒子と、前記ポリマー(A)とを含むカソード触媒層を有する、請求項1に記載の水電解装置。
- 前記陽極が、金属粒子連結体と、前記ポリマー(A)とを含むアノード触媒層を有する、請求項1又は2に記載の水電解装置。
- 前記陽極が、アノード触媒層と、第1の拡散層とを有し、
前記陰極が、カソード触媒層と、第2の拡散層とを有する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の水電解装置。 - 前記陽極上に第1の主電極を有し、
前記陰極上に第2の主電極を有し、
前記電源が、前記第1の主電極と、前記第2の主電極に接続されて、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の水電解装置。
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WO2022186261A1 (ja) * | 2021-03-05 | 2022-09-09 | 国立大学法人東京工業大学 | ポリマー及びその製造方法、分離膜、電解質膜、燃料電池、水電解、並びに電解技術 |
WO2023085400A1 (ja) | 2021-11-12 | 2023-05-19 | 国立大学法人東京工業大学 | 膜、複合膜、膜電極接合体、及び水電解装置 |
WO2023190553A1 (ja) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | 旭化成株式会社 | 情報処理装置、電解装置、計画作成方法、及びプログラム |
WO2024080321A1 (ja) * | 2022-10-13 | 2024-04-18 | 国立大学法人東京工業大学 | 化合物、ポリマー、電解質膜、燃料電池、及び電解装置 |
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