(57)【要約】  本発明は、液体環境中で気相反応物から化学物質を製造する電気化学セルに関する。電気化学セルは、膜電極アセンブリ構造を有し、かつアノード、イオン交換膜およびカソードを含む。膜電極アセンブリは、生成される化学物質の抽出および処理を促進するために液体溶液に直接接触しており、かつ気体反応物は、液体を通って、膜電極アセンブリに送達される。本発明は、化学物質の合成において使用するための方法および電気化学セルに関する。本発明は、使用される電気触媒、および膜電極アセンブリ、ＭＥＡ中へのそれらの組み込みに関する。本発明は、膜電極アセンブリ中で使用される電極、特に、気体拡散層、および液体浸漬膜電極アセンブリ中への気相反応物の輸送方法にも関する。
2019512596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのイオン交換膜（４）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのカソード（５、６）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのアノード（２、３）と、前記カソード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（６）と、前記アノード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（２）とを含む膜電極アセンブリ構造において、１つ以上の電気化学セル（１）を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも１つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、気体分散器（１５）が、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面の１ｃｍ以内に配置される、装置またはデバイス。
【請求項２】
前記気体が、触媒層（３、５）まで前記気体拡散層（２、６）中に方向づけられる、請求項１に記載の気体分散器（１５）を有する装置。
【請求項３】
前記化合物が、前記セルの前記カソード側面における酸素還元によって製造される過酸化水素である、請求項１または２に記載の装置またはデバイス。
【請求項４】
酸素源が、空気、空気から抽出された酸素または酸素供給源である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項５】
前記液体が水溶液である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項６】
前記液体が流動する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項７】
前記カソードが気体拡散電極である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項８】
前記カソード触媒が、銀、炭素、金、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｄ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｈｇ、Ｐｄ−Ｈｇ、Ａｇ−Ｈｇ、Ｃｕ−Ｈｇ、Ｃｏ含有材料、グラフェンまたは他の炭素ベース構造、遷移金属または遷移後金属でドープされたグラフェン、遷移金属もしくは遷移後金属を含有するポルフィリン、またはそのいずれかの組合せを含む群から選択される、請求項７に記載の気体拡散電極を有する装置。
【請求項９】
前記アノード触媒が、イリジウム、ルテニウム、白金、金またはその混合物を含む群から選択され、かつ触媒がコーティングされた膜として適用される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項１０】
少なくとも１つのイオン交換膜（４）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのカソード（５、６）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのアノード（２、３）と、前記カソード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（６）と、前記アノード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（２）とを含む膜電極アセンブリ構造において、１つ以上の電気化学セル（１）を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも１つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、前記膜が、カソード反応またはアノード反応または両方のために適切な触媒材料によってコーティングされて、触媒がコーティングされた膜を形成し、かつ前記カソード反応が、過酸化水素への酸素還元である、装置またはデバイス。
【請求項１１】
前記カソード触媒が、銀、炭素、金、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｄ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｈｇ、Ｐｄ−Ｈｇ、Ａｇ−Ｈｇ、Ｃｕ−Ｈｇ、Ｃｏ含有材料、グラフェンまたは他の炭素ベース構造、遷移金属もしくは遷移後金属でドープされたグラフェン、遷移金属または遷移後金属を含有するポルフィリン、またはそのいずれかの組合せを含む群から選択される、請求項１０に記載の触媒がコーティングされた膜を有する装置。
【請求項１２】
少なくとも１つのイオン交換膜（４）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのカソード（５、６）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのアノード（２、３）と、前記カソード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（６）と、前記アノード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（２）とを含む膜電極アセンブリ構造において、１つ以上の電気化学セル（１）を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも１つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、それによって、前記電気化学セルに供給される気体は酸素を含有し、かつ酸素は、前記電気化学セルに供給され、並列または連続して連結され得る同一または他のセル中でのその利用のために再循環される、装置またはデバイス。
【請求項１３】
少なくとも１つのイオン交換膜（４）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのカソード（５、６）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのアノード（２、３）と、前記カソード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（６）と、前記アノード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（２）とを含む膜電極アセンブリ構造において、１つ以上の電気化学セル（１）を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも１つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、かつ前記電気化学的に合成された過酸化水素は、水線（１９）または適切な貯留槽（２０）中に局所的に導入される、装置またはデバイス。
【請求項１４】
空気および表面殺菌を提供するために、前記合成された過酸化水素を蒸発させる、請求項１３に記載の装置またはデバイス。
【請求項１５】
ヒドロキシル基の形成を促進するために、前記合成された過酸化水素を紫外線光またはオゾンと組み合わせる、請求項１３に記載の装置またはデバイス。
【請求項１６】
少なくとも１つのイオン交換膜（４）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのカソード（５、６）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのアノード（２、３）と、前記カソード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（６）と、前記アノード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（２）とを含む膜電極アセンブリ構造において、１つ以上の電気化学セル（１）を使用して、電気化学的手段によって化合物を製造する方法であって、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬される方法において、気体分散器（１５）が、前記電極の近位に位置し、かつ直接、前記セルの前記カソードまたはアノードまたは両側面へと前記液体を通して前記反応物気体を供給することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
説明：
本発明は、液体環境中の気相反応物からの化学物質の生成のための改善された特性を有する電気化学セルに関する。この電気化学セルは、膜電極アセンブリ構造を有し、かつアノード、イオン交換膜およびカソードを含む。膜電極アセンブリは、生成される化学物質の抽出および処理を促進するために液体溶液に直接接触しており、かつ気体反応物は、液体を通って、膜電極アセンブリに送達される。
【０００２】
本発明は、化学物質の合成における使用のための新規プロセスおよび電気化学セルにも関する。本発明は、使用される電気触媒、および膜電極アセンブリ、ＭＥＡ中へのそれらの組み込みに関する。本発明は、膜電極アセンブリ中で使用される電極、特に、気体拡散層、および液体浸漬膜電極アセンブリ中への気相反応物の輸送方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明の背景
電気化学的方法は、小型反応器を使用して、現場で、即座に化学物質を合成するための実行可能な戦略である。例えば、それらは、今日、水処理および殺虫剤用途において使用される塩素ベースの化合物（例えば、次亜塩素酸ナトリウム）の合成のため、またはＣＯ２からのＣＯの合成のために利用されている。
【０００４】
典型的に、電気化学セルは、３つの部分：アノード、電解質およびカソードから構成される。アノードにおいて酸化反応が生じ、帯電した種が電解質を通って輸送し、カソードにおいて還元反応が生じる。
【０００５】
特に興味深いものは、この数十年間のイオン交換膜をベースとする電解質の開発である。これらは、大規模な処理を必要とし、危険である可能性があり、究極的には、生成した生成物の分離を複雑にする可能性のある液体電解質と置き換えらえる。本文献における電気化学セルという用語は、膜電極アセンブリを示し、したがって、電解質はイオン交換膜である。触媒がコーティングされた膜および気体拡散電極を含む膜電極アセンブリを構築するための標準的な技術は、当業者に周知である（例えば、Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology and Applications, Wiley VCH, 2014を参照のこと）。膜電極アセンブリは、いずれかの側面上の２層以上の膜および２層以上の気体拡散層を含むことが可能である。
【０００６】
電解質としてのイオン交換膜の使用はエネルギー用途のため、例えば、燃料電池および電気分解装置において広範囲であるが、これまでのところ、反応生成物の容易な分離を可能にするにもかかわらず、化学物質の合成のための使用は限定されていた。このような限定された使用の理由の１つは、電気化学セルの触媒層において合成された化学物質を膜電極アセンブリから抽出する必要があるということである。気相反応物がセルに供給される必要がある場合、これは特に困難であり、文献で提案されたほとんどの解決策は、純粋に反応物および生成物の拡散に依存するものである（例えば、Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology and Applications, Wiley VCH, 2014を参照）。
【０００７】
生成物の抽出を促進するために、一部の実施者により液体溶液中に電極を浸漬することが考え出された。その場合、生成物は液体中に溶解し、それを通して拡散する。これは、液体電解質において広く実施されている（例えば、米国特許第６，７１２，９４９号、Gopalを参照のこと）が、これらの電極が拡大可能性および生成物分離に関して表す利点にもかかわらず、膜ベースの電気化学セルにおいて利用されない。
【０００８】
膜電極アセンブリ構造において、イオン交換膜の近辺で形成した生成物は、気体拡散層を通って抽出される必要がある。例えば、触媒分散体からの粒子は、気体拡散層に存在することが可能であり、化学的または電気化学的手段によって出る途中で生成物を分解することができる。
【０００９】
膜電極アセンブリが、液体環境において利用されない主な理由の１つは、酸素、水素、ＣＯまたはＣＨ４などの気体反応物が、水溶液を含むほとんどの液体中で非常に低い溶解性を有するということである。例えば、水中の酸素溶解性は、標準的条件下で４０ｍｇ／Ｌのみである。次に、これは、電極における反応物の入手可能性を制限し、典型的に、ｃｍ２あたり数ｍＡに限定される、達成可能な電流密度を制限する。これは、電流密度が３０ｍＡ／ｃｍ２までの値に達する、Liらによる報告（Drinking Water Purification by Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide in a Power-Producing PEM Fuel Cell, ChemSusChem 2013）において例示される。
【００１０】
Yamanakaらは、過酸化水素への酸素還元において取り組まれた問題を軽減する試みを報告している（Neutral H202 Synthesis by Electrolysis of Water and 02, Angewandte Chemie 2008）。この研究において、電気化学セルカソードの半分は気体酸素に曝露され、他の半分は液体電解質に浸漬される。この方法を使用して、２０〜６０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度が達成可能である。しかしながら、過酸化水素へのファラデー効率は２６％であり、電極からの過酸化水素除去が困難であることを示し得る。
【００１１】
液体中の気体の限定された質量の輸送と関連する問題を解決するために当業者に採用される通常の方法は、限定された液体相互作用で、完全気体環境中で電気化学セルを作動することである。
【００１２】
化学物質の製造に関するこの戦略の例は、英国特許出願第２０１２／０５２３１６号に見出される。この文献中、過酸化水素の製造を目的とした燃料電池が記載される。過酸化水素が、加圧された湿潤酸素を使用して、（膜からの、または触媒において生成される水以外の）液体の水の存在がない反応器のカソードにおいて生成される。電流密度は、この場合、８０ｍＡ／ｃｍ２に接近するが、過酸化水素へのファラデー効率は記載されていない。
【００１３】
類似の例は、米国特許第７，８９２，４０８Ｂ２号であり、この明細書は、液体の水の存在がないカソードへの気体酸素または空気供給原料を使用する過酸化水素生成のための電気分解装置セルを開示する。電流密度は、この場合、２００〜３００ｍＡ／ｃｍ２である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
発明の概要
本発明は、上記の従来の技術の観点で作成され、かつその目的は、膜電極アセンブリ構造における化学物質の電気化学的製造を促進することである。本発明を使用して、膜電極アセンブリから生成物の抽出を強化することが可能である。本発明は、気体反応物の改善された利用も可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の態様において、本発明は、電気化学セルへの気体相反応物の強化された質量輸送および生成物の容易な抽出を提供する。これは、膜電極アセンブリ型電気化学セル中での気体反応物からの生成物の電気化学的合成のために非常に有用である。気体は、液体溶液中の対流および気体拡散層によって電気化学セルに送達される。
【００１６】
セルのアノードおよび／またはカソードと直接接触する液体溶液の存在は、液体へのそれらの拡散を促進することによって、生成物の抽出を容易にする。
【００１７】
第２の態様において、本発明は、過酸化水素発生に関して改善された特性を有する、触媒がコーティングされた膜を提供する。これによって、触媒層中の生成物の滞留時間が減少し、それらの抽出を促進する膜に隣接する非常に薄い触媒層が可能となる。
【００１８】
第３の態様において、本発明は、１つまたは複数の電気化学セルにおける気体使用を最適化する方法を提供する。
【００１９】
第４の態様において、電気化学セルは、カソード酸素還元によって過酸化水素を発生し、発生した過酸化水素は、限定されないが、殺菌および漂白を含む使用のために水線中に導入される。本方法を使用して発生した過酸化水素はまた、部屋または表面殺菌のために蒸発させても、強化された殺菌特性のために、紫外線光またはオゾンなどの他の殺菌方法と組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】膜電極アセンブリとしての電気化学セルの概略図を表す。
【図２】気体分散器および気体拡散層の間に液体を有する電気化学セル設計の概略図を示す。気体分散器は、気体の対流によって触媒層に反応物を供給する。
【図３】カソードにおける酸素還元によって過酸化水素を製造する膜電極アセンブリの実験結果を示す。溶存酸素を有し、かつ本発明を使用する、同膜電極アセンブリの電流密度が示される。
【図４】膜電極アセンブリへの気体送達システムの概略図である。ポイント１０として示されるフレームは、膜電極アセンブリに取り付けられており、これは、次いで、気体送達システムを含んでいても、または含まなくてもよい、ポイント１２の類似フレームによって他の側面から押しつけられる。気体は、ポイント１１によって示される気体分散器を通して電極中に直接送達され、反対側面上のピラーは、逆圧を提供する（ポイント１３）。
【図５】膜電極アセンブリを包囲する気体送達システムの概念を示す概略図である。ポイント番号１４は、流動液または停滞液のいずれかのために使用される体積を示し、ポイント１５は、終端において流動化媒体を有してもよい、チャネルを通しての気体分散器を示し、かつポイント１は、液体中に浸漬された膜電極アセンブリを示す。
【図６】本発明において特徴とする開口を有する気体拡散層の概略図を示す。
【図７】２つの異なる様式で調製された２種の膜電極アセンブリの概略図を示す。気体拡散電極（従来技術）、および本発明において開示された、触媒がコーティングされた膜。
【図８】触媒がコーティングされた膜を調製する方法を説明するブロックフローダイアグラムである。
【図９】連続する１つ以上の電気化学セルに気体がどのように接続することが可能であるかを示す図である。
【図１０】１つ以上の電気化学セルにおいて気体がどのように再循環することが可能であるかを示す図である。この方法によって、気体は、利用を制御しながら、いずれかの化学量論的組成で送達可能である。
【図１１】局所的に発生した過酸化水素が、局所的使用のために水線または貯留槽にどのように添加されることが可能であるかを示す図である。ポイント番号１６は、本明細書に記載される電気化学セルからなる、過酸化水素発生器を示す。ポイント１７は、電気化学セルへの水インプットを示し、ポイント１８は、過酸化水素を含有する水線を示し、ポイント１９は、過酸化水素溶液の貯蔵のための貯留槽を示し、かつポイント２０は、存在していても、またはしていなくてもよい紫外線光またはオゾン供給源を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
発明の詳細な説明
本発明は、膜電極アセンブリ構造における新規電気化学セル設計および反応物の改善された輸送方法に関する。膜電極アセンブリは、図１に示されるように、膜のいずれかの側面に対して押しつけられる、カソードおよびアノードからなる。ポイント番号１は、膜電極アセンブリである。ポイント番号２は、アノード気体拡散層または集電体を示し、ポイント番号３は、アノード触媒層を示す。これらは一緒に、電池のアノードを形成する。ポイント番号４は、イオン交換膜、好ましくは、カチオン交換ペルフッ素化膜である。ポイント番号５は、カソード触媒層であり、ポイント番号６は、カソード気体拡散層または集電体である。これらは一緒に、電池のカソードを形成する。特に、本発明は、反応物の改善された質量輸送のための方法および電気化学セル中の生成物に関する。本発明は、電極において発生した生成物の容易な抽出を可能にする方法にも関する。本発明は、さらに、気体反応物の最適化された使用にも関する。
【００２２】
したがって、本発明は、電気化学セルから生成物の抽出を促進するために電極のすぐ近くに液体溶液を提供する。液体溶液は、静的または流動的であることが可能であるが、好ましくは、流動的である。液体溶液は、好ましくは、９０％より多い水から構成される。液体溶液の温度は、−２０〜５００℃、好ましくは、０〜１００℃の間である。
【００２３】
本発明は、液体中での気体溶解性および拡散がセル中の電流密度を制限しない様式で、液体溶液を通して、かつ電極中に気体反応物を送達する方法も提供する。気体は、気体分散器を通して電気化学セルに送達される。適切な気体分散器の例は、気体の分散を促進するために、液体溶液または電気化学セルと接触する適切な流動化媒体を有していてもよいチューブまたは他の適切な気体導管であることが可能である。好ましくは、気体分散器は、気体が電極中に方向付けられる様式で、電極の０〜１ｃｍ、より好ましくは、０〜０．３ｃｍの間に配置される。本発明を使用して、液体中の気体拡散よりも対流が勝り、反応物の質量輸送が強化される。適切な気体反応物は、当業者に周知であり、いくつかの例としては、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、プロペン、酸素などが含まれる。気体分散器によって被覆された好ましい電極領域は、１０〜９０％、なおより好ましくは、３０〜７０％である。
【００２４】
本発明は、膜電極アセンブリからなる電気化学セル中での化合物の電気化学的製造のためのデバイスに関する。この膜電極アセンブリは、少なくとも、気体反応物を必要とする膜の側面において、少なくとも部分的に液体溶液中に浸漬される。明快さのために、膜電極アセンブリは、部分的に、または完全に溶液に浸漬されてもよい。図２は、膜電極アセンブリの半分上への気体送達システムの図を示す（ポイント番号７）。ポイント番号８は、好ましくは、番号９で示された液体層中を気体が横切ることを可能にする多孔質材料を通して送達される気体分散器を示す。形成された気泡は、気体拡散層５上および触媒層６中へと進む。４は、アノードおよびカソードを分離するイオン交換膜を表す。従来技術以上の本発明の利点は、図３に示されるように、電極における実質的により高い電流密度を可能にするが、生成物は液体によって容易に運搬除去が可能である、液体溶液を通っての気体反応物の強化された質量輸送である。膜電極アセンブリの電極は、触媒がコーティングされた膜または気体拡散電極、あるいはその２つの混合物であることが可能である。一例として、カソード側面上に気体拡散電極を有し、かつアノード側面上に触媒がコーティングされた膜を有する膜電極アセンブリが可能である。
【００２５】
図４は、電気化学セルに連結可能な気体分散器を含有するフレームを示す。ポイント１０によって記されたフレームは、膜電極アセンブリの片側面に対して押しつけられて、かつこれは、液体および気体送達経路で利用可能な体積を有する。ポイント１１によって記された構造は、気体分散器を収容し、気体の分散を強化するための一片の多孔質材料または他の適切な流動化媒体を含有していてもよい。わずかな気体過剰圧力によって、気体は、多孔質材料中に送られ、非常に効率的に気体拡散層中に向けられる。ポイント１２によって記されたフレームは、電気化学セルの他の側面上で使用される。このフレームは、逆圧のためのポイント１３の構造を有し、かつ上記された気体送達システムを含んでいても、または含んでいなくてもよい。図５は、気体送達システムの側面図を示す。ポイント１４は、液体のための体積を示し、ポイント１は、膜電極アセンブリを示し、ポイント１５は、気体分散器を示す。気体分散器は、チューブであってもよく、流動化媒体として作用するための１つ以上の多孔質層を含有してもよい。これらは、液体中への気体の分散を促進するために有用である。この構造において、ＭＥＡの近位の気体チャネルが、改善された気体送達を提供しながらも、ＭＥＡが、発生した生成物の最適な抽出のために液体中に部分的または完全に浸漬されることが可能である。
【００２６】
改善された気体送達を可能にする方法と組み合わせることが可能である本発明の別態様は、電極において発生した生成物の抽出を促進する気体拡散層の利用である。膜電極アセンブリ中の少なくとも１つの気体拡散層は、炭素、チタンまたは他の適切な材料から製造され、かつ規則的、半規則的またはランダムであることが可能であるパターンでの開口（例えば、通り穴）を提供する。穴の形状は、本発明に関して重要ではなく、かつそれらの寸法は、好ましくは、１μｍ〜５０００μｍである。図６は、例証として、円形で示された、気体拡散層中の穴の概略図を示す。このような穴の分布を有する気体拡散層は、分子への障壁のない経路を提供することによって、電極において発生した生成物の抽出を促進する。この気体拡散層は、気体拡散電極、触媒がコーティングされた膜または両方と組み合わせることが可能である。特定の様式で受け取られたか、または変性された気体拡散層をさらに処理して、水との相互作用を変化させることが可能である。例えば、当業者に周知の様式で、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または他のフルオロカーボンポリマー（例えば、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニル）を添加することによって、疎水性を増進することが可能である。親水性は、親水性分子を添加することによって、類似の様式で増進することができる。
【００２７】
上記本発明と組み合わせることが可能である、触媒層からの生成物の除去効率を増加させる別の戦略は、電極において発生した生成物の抽出を促進するために、選択された領域において、（ガス拡散電極を形成する）気体拡散層上または（触媒がコーティングされた膜を形成する）膜上に触媒を選択的に堆積させることである。これは、気体拡散における生成物の滞留時間を減少させることも可能であり、それによって、電極によるそれらの可能性のある分解が最小化される。この選択的コーティングは、例えば、触媒インキを堆積させる時にパターンを使用することによって達成することができる。例として、パターンは、５〜８０％の開口面積、および１０〜１００００μｍのコーティングされた領域間の距離を有することが可能である。
【００２８】
本発明のさらに別の態様において、触媒は、触媒がコーティングされた膜として適用される。そのように、触媒材料は、膜の近位に濃縮され、良好なイオン接触を有する。重要なことに、この方法を使用することによって、触媒層は薄くなり、このことは、抽出プロセス間に触媒において製造された化合物の分解を最小化するため、好ましい。化合物の製造のために触媒がコーティングされた膜を使用することは、特に、そのような化合物が液体形態である場合、触媒層中の化合物の滞留時間を減少するために有利であり、かつそれは、触媒利用の改善および担持量の削減も可能にする。触媒がコーティングされた膜およびガス拡散電極の概略図を図７に示す。触媒がコーティングされた膜は、反応のために適切な触媒を含む。例えば、反応が過酸化水素への酸素還元である場合、上記触媒は、銀、炭素、金、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｄ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｈｇ、Ｐｄ−Ｈｇ、Ａｇ−Ｈｇ、Ｃｕ−Ｈｇ、Ｃｏ含有材料、他の炭素ベース構造、グラフェンまたは遷移金属（限定されないが、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、銅、銀、金、白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウムを含む）もしくは遷移後金属（post-transition metals）でドープされたグラフェンベース化合物、遷移金属（限定されないが、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、銅、銀、金、白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウムを含む）もしくは遷移後金属を含有するポルフィリン、またはそのいずれかの組合せであることが可能である。触媒がコーティングされた膜は、気体拡散電極と組み合わせることも可能である。気体拡散電極は、片側面または両側面上で触媒によってコーティングされることが可能である。そのような様式において、触媒層は、膜、液体溶液または両方と対面する。
【００２９】
図８は、触媒がコーティングされた膜を調製する方法を示す。この方法は、次の３ステップ：第１に、触媒イオノマーの混合物を調製して、触媒インキを形成すること；第２に、触媒インキをイオン交換膜に塗布し、触媒層を形成すること；第３に、膜の両側面に気体拡散層を付加し、熱および圧力処理を適用し、膜への気体拡散層の接着を促進することからなる。好ましくは、第３段階の間に適用された温度は、６０〜２００℃であり、かつ圧力は、２０〜２０００ｋｇ／ｃｍ２である。
【実施例】
【００３０】
実施例
実施例１
過酸化水素の電気化学的合成
過酸化水素の電気化学的合成は、使用点付近での化学物質の分散発生のために有望である。これは、大規模な化学プラントでのみ効率的に実行可能である、大規模プロセスの工業的過酸化水素合成、アントラキノンプロセスのための現法の限界を克服するであろう。生産プラントから、過酸化水素は、３０〜７０％の溶液まで濃縮され（危険物としてラベル付けされて）、使用点まで輸送され、そこで、それは典型的に処理可能な濃度まで希釈する必要がある。これらはｐｐｍから数％の範囲である可能性もある。そのような輸送および希釈プロセスは、最終使用者に大規模な輸送計画および複雑性をもたらし、有効かつ環境上好ましい化学物質としての過酸化水素の魅力的な特性にもかかわらず、塩素またはホルムアルデヒドなどのそれらのプロセスのための他の選択肢に目が向けられる。現場で過酸化水素を発生させる方法は、輸送計画の負担を排除することによって、化学物質の使用を単純化し、必要とされる低濃度および高純度での過酸化水素の直接的適用を促進するであろう。過酸化水素の濃度が危険レベルを超えないであろうため、これによって、プロセスの安全性も改善されるであろう。このように合成された過酸化水素は、正確に濃度を制御しながら、水または他の液状の溶存酸素レベルを強化するために使用することも可能であろう。
【００３１】
過酸化水素が使用され、かつその分散発生が強い利益を提供することが可能であるいくつかの用途としては、パルプおよび製紙工業での漂白、農業および食品産業（水産養殖、動物飲用水、灌漑用水処理）、地方自治体および住宅用水処理、廃水処理、土壌改善、スイミングプールでの殺虫剤または殺菌剤、または保健衛生のための医療、および表面および部屋殺菌剤が挙げられる。局所的に製造された過酸化水素は、図１１に示されるように、水線中に直接導入されるか、または水線中への導入の前に貯留槽で貯蔵されることができる。さらに、水処理などのこれらの用途のいくつかにおいて、現場で合成された過酸化水素は、より強い酸化の可能性を有するヒドロキシル基の形成を促進する、オゾンなどの他の試薬または紫外線放射と組み合わせることが可能である。このような見通しは、図１１で例証される。基が過酸化水素自体よりも強力である殺菌剤であることが知られているため、これは殺菌用途に関して非常に有益であろう。オゾンなどの他の試薬または紫外線光と組み合わせることが可能である、そのような現場での過酸化水素発生器は、スイミングプール、部屋殺菌、洗濯設備および水処理設備で使用することが可能である。これらの用途のいくつかにおいて、さらに下流の必要な濃度レベルに従って過酸化水素発生を促進するための任意のセンサーを含むことが可能である。適切な任意のセンサーによって、例えば、酸化還元電位または過酸化水素センサーによって、フィードバック機構が実行され、過酸化水素発生器の処理能力を制御することが可能である。
【００３２】
過酸化水素は、水および酸素を反応物として使用する電気化学的プロセスによって現場で合成されることが可能である。電気化学的発生は、必要とされる希釈濃度で直接的に、現場で、即座に、過酸化水素を発生する小型デバイスにおいて達成可能である。そのようなデバイスは、３つの別個の部分：アノード、膜およびカソードを有する。水の酸化がアノードにおいて生じ、酸素およびプロトンをもたらす。プロトンは、イオン交換膜を通ってカソードに輸送され、そこで適切な触媒の表面において、酸素と再び結合し、過酸化水素が得られる。イオン交換膜は、典型的に、ポリマー電解質膜であるが、炭化水素膜または他の適切なカチオン交換膜であることも可能である。
【００３３】
半電池反応は、次の通りである：
アノード：２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード：２Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ２
【００３４】
化学的または電気化学的に生じる可能性のある過酸化水素分解を最小化することは重要である：
２Ｈ２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２
Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→２Ｈ２Ｏ
【００３５】
水以外のプロトン供給源、例えば、水素、メタン、メタノールなどをアノードにおいて使用することも可能である。これらは当業者に明白である。
【００３６】
過酸化水素合成のために電気化学セルにおいて本発明を使用することによって、改善された特性が示される。カソード気体拡散層付近およびそれを通る液体の存在が、電極付近の過酸化水素の滞留時間を減少させ、それによって、その分解が最小化される。同時に、図２および図４に示されるように、酸素含有気体がカソード電極に送達される。これによって、触媒層近位の液体および気体種の両方の迅速な移動が誘発され、かつこれは、迅速な質量輸送条件に有利に作用する。これらは２つの目標：ａ）電極への酸素の効果的な輸送；ｂ）化学的または電気化学的手段のいずれかによるその分解を最小化する、電極において製造された過酸化水素の滞留時間の減少にとって重要である。
【００３７】
加えて、液体が、気体拡散層の付近で、および／またはそれを通して流動する場合、迅速な質量輸送にさらに有利に作用し、かつ非流動液体以上に好ましい。好ましくは、液体は、９０％より多い水から構成されており、なおより好ましくは、それは水である。
【００３８】
本発明の別の態様において、図２および図５に示されるように、空気（または別の適切な酸素源）は、気体拡散層中および触媒層に気体が方向付けられる様式で、近位でセルのカソード側面に供給される。これによって、セルのカソード側面への酸素種の質量輸送が強化され、高い電流密度を促進する。
【００３９】
さらに別の態様において、図６に示されるように、カソード側面において使用された気体拡散層は、製造される過酸化水素の抽出を促進するために変更される。これらの穴は、気体拡散層を形成する高密度の炭素繊維ネットワークが除去されたため、触媒および気体拡散層からの過酸化水素の輸送を促進する。加えて、穴は容易に液体によって充てんされ、これも過酸化水素の除去のために有益である。この様式でパターン化された気体拡散は、適切な触媒でコーティングすることが可能である。
【００４０】
別の態様において、図７に示されるように、カソード電極は、触媒がコーティングされた膜からなる。これによって、触媒層と膜との直接接触が保証され、かつ気体拡散層中への触媒インキの分散が回避される。触媒自体が、抽出後の過酸化水素を分解し得るため、これは好ましい。触媒層を、膜に隣接する領域に限定することによって、この作用は最小化される。適切な触媒材料としては、銀、炭素、金、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｄ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｈｇ、Ｐｄ−Ｈｇ、Ａｇ−Ｈｇ、Ｃｕ−Ｈｇ、Ｃｏ含有材料、グラフェンまたは他の炭素ベース構造、遷移金属または遷移後金属でドープされたグラフェン、遷移金属または遷移後金属を含有するポルフィリン、あるいはそのいずれかの組合せなどの、過酸化水素への酸素還元に関して既知のものが含まれる。
【００４１】
別の態様において、酸素含有気体は、カソードに送達されて、出口を通してハウジングを出る。この時点で、図９に示されるように、気体は同一セルのカソードに、または別のセルのカソードに戻るように方向付けられてもよい。これは、空気（例えば、酸素濃縮器から得られた気体）より高い酸素濃度を有する気体を使用する場合、特に有益である。これは、初期の電気化学セルで使用されなかったいずれの酸素の利用も可能にする。図１０に示されるように、１つのみのセルがある場合、気体をガスタンク中に蓄積することが可能であり、セル中に供給することが可能であり、気体がセルを出たら、それをガスタンクに再循環することが可能であり、そこから、気体をセル中に再導入することが可能である。いくつかの電気化学セルがある場合、気体が第１のセルに供給され、第１のセルを出て、第２のセルに入り、そこから第３のセルに方向付けられるか、またはガスタンク中に再循環される様式で、同一方法を利用することが可能である。水および気体を分離するための相分離器が２つの電池の間で利用されてもよい。この方法は、不明確な数のセルのために利用することが可能であり、唯一の律速因子は気体の圧力である。
【００４２】
電気化学セルのアノードにおいて製造された酸素気体は、気体線のいずれかの点において、カソード気体供給原料と合流させることも可能である。これによって、カソード気体供給原料のより高い酸素濃度も可能となり得る。
【００４３】
実施例のセルにおいて、カソードは、適切な触媒、イオノマー溶液、適切な溶媒（典型的にアルコール）および水からなるインキから製造される。インキの固体含有量は、１：５〜４：５の触媒比、１：５〜４：５のイオノマー比を有し、かつ０〜４：５、好ましくは、１：２０〜４：５の比率でＰＴＦＥを含有し得る。またインキは、０〜４：５の比率で、Triton、第四アンモニウム化合物、または他の適切なポリマーなどの適切な界面活性剤も含有してもよい。インキは気体拡散層上に適用される（得られる電極は、気体拡散電極として知られている）。さらに、コーティングは、気体拡散層の片側面または両側面上で実施することが可能である。代わりに、カソードは、インキがイオン交換膜上に直接噴霧され、気体拡散層がその後付加される、触媒がコーティングされた膜からなることも可能である。
【００４４】
本実施例のアノードは、水酸化アノードであり、かつ当業者に周知の触媒がコーティングされた膜構造で調製される（例えば、Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology and Applications, Wiley VCH, 2014を参照のこと）。適切な材料を含む水酸化以外のアノード反応は、本実施例に影響を及ぼすことなく使用することが可能である。
【００４５】
アノードおよびカソードは、イオン交換膜上のいずれかの側面上で押しつけられて、電気化学セルハウジングに組み込まれる。ハウジングの区画には水が充てんされ、酸素含有気体がシステムのカソード側面に注入される。本実施例において、気体分散器およびカソード気体拡散層との間の距離は、＜１ｍｍである。実験は室温で実行され、かつ気体の圧力は、０〜５０バール、好ましくは、０〜５バールで変動可能である。典型的な実験において、０．５〜２．５Ｖ、好ましくは、１．５〜２．２Ｖの電位差がアノードおよびカソードの間に適用され、電流が観測され、これは、電気化学反応が生じていることを示す。好ましくは、電流は３０ｍＡ／ｃｍ２より高く、なおより好ましくは、５０ｍＡ／ｃｍ２より高い。実験を特定の時間量で実行するが、水をアノードおよびカソード区画の両方に流動させ、過マンガン酸滴定またはインジケーターストリップであることが可能である適切な方法によって、カソードにおいて製造された過酸化水素濃度を決定した。この過酸化水素は、その後の使用のために貯留槽中で蓄積されるか、または直接利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年10月24日(2018.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのイオン交換膜（４）と、
適切な触媒を有する少なくとも１つのカソード（５、６）と、
適切な触媒を有する少なくとも１つのアノード（２、３）であって、前記カソード（５、６）および前記アノード（２、３）は、前記イオン交換膜（４）のいずれかの側面に対して押しつけられており、かつ前記アノード（２、３）は、前記イオン交換膜（４）のいずれかの側面に対して押しつけられている、アノード（２、３）と、
前記カソード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（６）と、
前記アノード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（２）と
を含む膜電極アセンブリ構造において、１つまたはそれ以上の電気化学セル（１）を含む、電気化学的手段によって化合物を製造する装置またはデバイスであって、
前記セル（１）の前記カソードまたはアノードまたは両側面が、気体反応物を必要とする少なくとも前記膜の前記側面上において、少なくとも部分的に液体中に浸漬され、かつ少なくとも１つの気体反応物が前記カソードまたはアノードまたは両方に供給され、気体分散器（８、１５）が、前記セル（１）の前記カソードまたはアノードまたは両側面の１ｃｍ以内に配置され、かつ前記液体が水溶液である、装置またはデバイス。
【請求項２】
気体が、触媒層（３、５）まで前記気体拡散層（２、６）中に方向づけられる、請求項１に記載の気体分散器（８、１５）を有する装置。
【請求項３】
前記化合物が、前記セルの前記カソード側面における酸素還元によって製造される過酸化水素である、請求項１または２に記載の装置またはデバイス。
【請求項４】
酸素源が、空気、空気から抽出された酸素または酸素供給源である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項５】
前記液体が流動する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項６】
前記カソードが気体拡散電極である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項７】
前記カソード触媒が、銀、炭素、金、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｄ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｈｇ、Ｐｄ−Ｈｇ、Ａｇ−Ｈｇ、Ｃｕ−Ｈｇ、Ｃｏ含有材料、グラフェンまたは他の炭素ベース構造、遷移金属または遷移後金属でドープされたグラフェン、遷移金属もしくは遷移後金属を含有するポルフィリン、またはそのいずれかの組合せを含む群から選択される、請求項６に記載の気体拡散電極を有する装置。
【請求項８】
前記アノード触媒が、イリジウム、ルテニウム、白金、金またはその混合物を含む群から選択され、かつ触媒がコーティングされた膜として適用される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項９】
前記膜が、カソード反応のために適切な触媒材料によってコーティングされて、触媒がコーティングされた膜を形成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項１０】
前記カソード触媒が、銀、炭素、金、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｄ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｈｇ、Ｐｄ−Ｈｇ、Ａｇ−Ｈｇ、Ｃｕ−Ｈｇ、Ｃｏ含有材料、グラフェンまたは他の炭素ベース構造、遷移金属もしくは遷移後金属でドープされたグラフェン、遷移金属または遷移後金属を含有するポルフィリン、またはそのいずれかの組合せを含む群から選択される、請求項９に記載の触媒がコーティングされた膜を有する装置。
【請求項１１】
前記電気化学セルに供給された前記気体が酸素を含有し、かつ酸素が、前記電気化学セルに供給され、並列または連続して連結され得る同一または他のセル中でのその利用のために再循環される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項１２】
前記電気化学的に合成された過酸化水素が、水線（１９）または適切な貯留槽（２０）中に局所的に導入される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置またはデバイス。
【請求項１３】
空気および表面殺菌を提供するために、前記合成された過酸化水素を蒸発させる、請求項１２に記載の装置またはデバイス。
【請求項１４】
ヒドロキシル基の形成を促進するために、合成された過酸化水素を紫外線光またはオゾンと組み合わせる、請求項１２に記載の装置またはデバイス。
【請求項１５】
少なくとも１つのイオン交換膜（４）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのカソード（５、６）と、適切な触媒を有する少なくとも１つのアノード（２、３）と、前記カソード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（６）と、前記アノード側面上の少なくとも１つの気体拡散層または集電体（２）とを含む膜電極アセンブリ構造において、１つ以上の電気化学セル（１）を使用して、電気化学的手段によって化合物を製造する方法であって、前記セル（１）の前記カソードまたはアノードまたは両側面が、少なくとも部分的に液体中に浸漬される方法において、気体分散器（８、１５）が、前記セル（１）の前記カソードまたはアノードまたは両側面の１ｃｍ以内に配置され、かつ直接、前記セル（１）の前記カソードまたはアノードまたは両側面へと前記液体を通して反応物気体を供給することを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2019512596.tif 000014
2019512596.tif 000015
2019512596.tif 000016
2019512596.tif 000017