JP7285104B2 - アンモニアの製造方法、および、アンモニアの製造装置 - Google Patents
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Description
A-1.アンモニア(NH3)の製造方法の原理:
図1は、本実施形態におけるアンモニアの製造方法の原理を説明するための模式図である。図1(A)に示すように、まず、複合物1を準備する。複合物1は、酸素イオン伝導性を有する伝導体10と、伝導体10に配置された電極20と、伝導体10に配置された導電性酸化物30と、を備える。具体的には、伝導体10は、酸素イオン伝導性を有する材料(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア))により形成された平板状部材である。電極20は、導電性材料(例えばPt(白金))により形成されており、伝導体10の一方の面(下面)に配置されている。なお、電極20は、例えば、箔状でもよいし、板状であってもよい。導電性酸化物30は、ヒドリドイオン(H-)を含有でき、かつ、導電性を有する酸化物(例えば、GDC(ガドリニウムドープセリア))により形成されており、伝導体10の他方の面(上面)に配置されている。なお、導電性酸化物30は、例えば、粉状であってもよいし、固形状(板状)であってもよい。
(アンモニア製造装置100の構成)
図2は、本実施形態におけるアンモニア製造装置100の構成を模式的に示す説明図である。図2には、方向を特定するためのZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を「上方向」といい、Z軸負方向を「下方向」というものとするが、アンモニア製造装置100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。
アンモニア製造装置100が起動されると、まず電気炉60によってチューブ10aの温度が所定温度(例えば400℃以上、1000℃以下)まで昇温される。チューブ10aの温度が所定温度に達した後、電圧印加部40によって、GDC粉末30aと電極20との間に電圧が印加される。これにより、GDC粉末30aを構成していた酸素イオンがチューブ10aを介して外側電極20a側に移動し、その結果、GDC粉末30aに酸素欠損が生じる。なお、電圧印加部40により印加される電圧は、電圧が印加されてない状態で発生する開回路電圧に対して0.01V~10Vだけ加えた値が好ましく、混合ガスGinに水蒸気を添加された場合は、電圧印加部40により印加される電圧は、水の解離電圧以上(例えば1.3V以上)であることが好ましい。
<化学式1>
N2+3H2=NH3+92kJ
このように、アンモニアの生成に水蒸気を用いない場合、発熱反応による温度上昇を抑制するために、チューブ10aの温度は、比較的に低い温度(例えば300℃)にすることが好ましい。しかし、チューブ10aの温度を低くするほど、ヒドリドイオンの触媒効果(活性)が低下するため、アンモニアの製造効率が低下する。これに対して、本実施形態におけるアンモニア製造装置100では、アンモニアの生成に、窒素と水素に加えて、水蒸気を用いるため、次の化学式2に示す吸熱反応によってアンモニアが生成される。
<化学式2>
N2+3H2O-(3/2)O2=2NH3-766kJ
アンモニアの生成反応が吸熱反応になる理由は、アンモニアの生成過程で、上記化学式1に示す発熱反応に加えて、次の化学式3に示す水蒸気の電気分解反応が起きるからであると考えられる。
<化学式3>
H20=H2+(1/2)O2-286kJ
このように、アンモニアの生成に水蒸気を用いる場合、非常に大きな吸熱反応が起きるため、チューブ10aの温度を、比較的に高い温度(例えば600℃以上、1000℃以下)にし、ヒドリドイオンの触媒効果が比較的に高い高温域でアンモニアを効率良く製造することができる。
図3は、性能評価の結果を示す説明図である。本性能評価では、上述のアンモニア製造装置100を用いて、本実施形態におけるアンモニアの製造方法によるアンモニアの生成量(mmolg-1h-1)について評価を行った。アンモニアの生成量は、アンモニア製造装置100により生成された生成ガスGoutについて、公知のガスクロマトグラフ(Gas Chromatography,GC)分析により、絶対検量線法を用いて測定した。分析条件は、次の通りである。
分析装置:Agilent 490マイクロGC
カラム:ジーエルサイエンス社製 Porapak Q4
キャリアガス:Heガス カラム温度80℃
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (4)
- 酸素イオン伝導性を有する伝導体と、前記伝導体に配置された電極と、前記伝導体に配置された導電性酸化物と、を備える複合物を準備する工程と、
前記複合物における前記導電性酸化物に水素元素を含む第1のガスと窒素と水蒸気とを含む混合ガスが供給される状態で、前記導電性酸化物の電位が前記電極の電位より低くなるように前記導電性酸化物と前記電極との間に電圧を印加する工程と、
を備える、
ことを特徴とするアンモニアの製造方法。 - 請求項1に記載のアンモニアの製造方法において、
前記導電性酸化物に対して、前記第1のガスの供給を開始した後に、窒素の供給を開始することにより、前記導電性酸化物に前記混合ガスが供給される状態にする、
ことを特徴とするアンモニアの製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載のアンモニアの製造方法において、
前記伝導体は、さらに、電子伝導性およびホール伝導性の少なくとも一方を有する、
ことを特徴とするアンモニアの製造方法。 - 酸素イオン伝導性を有する伝導体と、
前記伝導体に配置された電極と、
前記伝導体に配置される導電性酸化物と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
前記導電性酸化物に水素元素を含む第1のガスと窒素と水蒸気とを含む混合ガスを供給するガス供給部と、
を備える、
ことを特徴とするアンモニアの製造装置。
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