(57)【要約】  アノード領域およびカソード領域はイオン選択性高分子電解質膜によって分離されている、アノード領域内のアノードと、カソード領域内のカソードと、アノードと連通する流動流体内のアノード液とを含む電解槽であって、  前記アノード液は、水と、電解槽の作動時にアノードで少なくとも部分的に酸化され、アノードでのそのような酸化の後、水との反応によって少なくとも部分的に還元される酸化還元メディエーター対とを含む電解槽。【選択図】図１
2013543056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード領域およびカソード領域はイオン選択性高分子電解質膜によって分離されている、前記アノード領域内のアノードと、前記カソード領域内のカソードと、前記アノードと連通する流動流体内のアノード液とを含む電解槽であって、前記アノード液は、水と、電解槽の作動時に前記アノードで少なくとも部分的に酸化され、前記アノードでのそのような酸化の後、水との反応によって少なくとも部分的に還元される酸化還元メディエーター対とを含み、前記反応は、前記アノード領域に含まれる触媒によって推し進められる電解槽。
【請求項２】
前記触媒は、前記アノードおよび／または前記膜の表面に備えられる請求項１に記載の電解槽。
【請求項３】
前記触媒は、アノード液流路内の固定床に備えられる請求項１または２に記載の電解槽。
【請求項４】
前記触媒は、前記アノード液に溶解または懸濁されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項５】
前記触媒は、第６〜９族の遷移金属の１個以上の原子を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項６】
前記第６〜９族の遷移金属は、マンガン、オスミウム、ロジウム、ルテニウム、タングステンおよび／またはイリジウムである請求項５に記載の電解槽。
【請求項７】
前記酸化還元メディエーター対は、１．２５Ｖを超える酸化還元電位を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項８】
前記酸化還元メディエーター対は、１．３Ｖ〜１．８Ｖの酸化還元電位を有する請求項１〜７のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項９】
前記酸化還元メディエーター対は、セリウムを含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項１０】
前記アノード領域は、分離ゾーンが備えられ、前記アノード液から少なくともいくらかの酸素ガスを除去する請求項１〜９のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項１１】
前記分離ゾーンは、ガスおよび液体相を分離する空洞形成手段を含む請求項１０に記載の電解槽。
【請求項１２】
前記分離ゾーンは、さらに、酸素ガス出口を含む請求項１０または１１に記載の電解槽。
【請求項１３】
さらに、コンデンサおよび／またはデミスタを含み、これらは前記酸素ガス出口の上流、下流または酸素ガス出口内に備えられてもよい請求項１２に記載の電解槽。
【請求項１４】
前記アノードは、非多孔性、部分的に多孔性または多孔性である請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項１５】
前記アノードは、複合電極である請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電解槽。
【請求項１６】
電解槽を操作する方法であって、
ａ）アノード領域およびカソード領域はイオン選択性高分子電解質膜によって分離されている、電解槽の前記アノード領域内のアノードと、前記カソード領域内のカソードとを提供するステップと、
ｂ）水と酸化還元メディエーター対とを含むアノード液を提供するステップと、
ｃ）前記アノード液を前記アノードに接触させ、該アノード液を、該アノードで少なくとも部分的に酸化させ、該アノードでのそのような酸化の後、水との反応によって少なくとも部分的に還元させるステップであって、該反応は、前記アノード領域に含まれる触媒によって推し進められるステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽に関し、該電解槽の構成成分および、該電解槽を使用するための組成物および試薬用の構成成分に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばリフォーミングプロセスのように、水素ガスの大量生産のために最も一般的に使用される技術では、供給原料として化石燃料が使用される。近年、化石燃料の入手および使用に関する環境コストへの懸念が高まり、したがって、代わりとなる原料を利用する工業プロセスが望まれている。
【０００３】
炭化水素供給原料からの水素ガス製造の更なる問題は、得られる水素ガスが、高純度の水素ガスが必要とされる用途における使用に適さないことである。
【０００４】
より高い純度の水素は、水を電気分解することにより得られる。水を電気分解する技術、すなわち、電流を使用して水を構成要素である水素と酸素とに分離することは、数百年の間知られている。
【０００５】
その最も単純な形態では、水の電気分解は、アノードおよび電源に接続するカソードを水に挿入することによって行われる。酸素（Ｏ２）ガスはアノードで放出され、水素（Ｈ２）ガスはカソードで放出される。放出される酸素および水素ガスの体積に影響を及ぼす要因は多く存在する。
【０００６】
製造される水素ガスの体積を増やすために、電解質が水に加えられてもよい。Ｈ＋より電極電位が低いカチオンを持つ電解質を選択することが好ましく、したがって、一般的に、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋およびＣｓ＋のようなカチオンを含むアルカリ電解質が好ましい。
【０００７】
水素ガスの製造をさらに高めるために、電気触媒を使用してもよい。そのような触媒を使用する電気分解を行う１つのシステムとして、高分子電解質膜システムがある。そのようなシステムでは、半透過性膜により１個以上のアノードおよびカソードが分離され、水素または酸素ガス以外のプロトンの通過が可能となる。アノードおよびカソードは、電気触媒、最も一般的には貴金属電気触媒で構成されてよく、またはそれらが適用されてよい。加えてまたは代わりに、電気触媒を高分子電解質膜自体に適用してもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気触媒の使用により、得られる水素ガスの純度は大きく改良されるものの、それらの触媒は一般的に高価である。
【０００９】
従来の高分子電解質膜システムは、たとえば、水の触媒表面への送り出し、酸素の除去、プロトンのアノードへの除去および電極の外部回路への除去などの数多くの操作の速度が最大になるように電極／膜／電極集合体を形成しなければならないので、複雑である。
【００１０】
また、電解槽の寸法も現在では限られており、これは、一部、操作中電解槽からガス性生成物を除去する必要があるためである。
【００１１】
水の電気分解によって水素ガスを製造する効率を改良することが望まれ、そのようにするコストは、炭化水素改質のように、より環境的に有害なプロセスによって水素ガスを製造するコストと同等またはそれを下回るようである。これは、水素ガスの収率を上げること、水素ガスの純度を上げること、貴金属または半貴金属から形成される触媒の使用の必要性を減らすまたはなくすことの１つ以上によって達成することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の電解槽のアノード領域を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
したがって、本発明の第一態様によれば、アノード領域およびカソード領域はイオン選択性高分子電解質膜によって分離されている、アノード領域内のアノードと、カソード領域内のカソードと、アノードと連通する流動流体内のアノード液とを含む電解槽であって、前記アノード液は、水と、電解槽の作動時にアノードで少なくとも部分的に酸化され、アノードでのそのような酸化の後、水との反応によって少なくとも部分的に還元される酸化還元メディエーター対とを含み、前記反応は、アノード領域に含まれる触媒によって推し進められる電解槽が提供される。
【００１４】
酸化還元メディエーター対（ＲＭＣ）は、以下の式に従って、アノードで少なくとも部分的に酸化される。
ＲＭＣｒｅｄ  →  ＲＭＣｏｘ  ＋  ｅ-
【００１５】
電流密度に換算したこの反応速度は、少なくとも０．５Ａ／ｃｍ２、より好ましくは少なくとも約１Ａ／ｃｍ２、最も好ましくは約１〜２Ａ／ｃｍ２である。
【００１６】
水と接触すると、酸化された酸化還元メディエーター対は、少なくとも部分的に還元され、以下の式（以下、発生反応という）に従って、酸素ガスおよびプロトンを得る。
ＲＭＣｏｘ  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ＲＭＣｒｅｄ  ＋  Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋
【００１７】
この反応は、アノードでは全く起こらない。発生反応をアノードから離して起こすことによって、より単純でよりコストが低いアノード集合体を使用することができる。ガスの発生は、主電解槽集合体から完全に離れて起こりうるとも想像される。
【００１８】
発生反応により形成されるプロトンは、高分子電解質膜を通ってカソードに送られ、水素ガスが形成される。
【００１９】
本発明のさらなる長所は、水素を発生させるのに必要な貴金属または半貴金属触媒の量が、従来の電気分解反応に比べて実質的に減らされている、またはなくなってさえいることである。
【００２０】
発生反応を推し進めるために、電解槽のアノード領域において触媒が使用される。触媒は、アノード液に溶解または懸濁されてもよい。加えてまたは代わりに、触媒は、アノード液流路に沿って１個以上の固定された場所で、たとえば、固定床型の取合わせの形態で溶解されてもよい。
【００２１】
本発明の燃料槽のアノード領域で使用してもよいとりわけ好ましい触媒の例として、遷移金属、とりわけ第６〜９族に属する遷移金属、たとえば、マンガン、オスミウム、ロジウム、ルテニウム、タングステンおよび／またはイリジウムが挙げられる。ポリオキソメタレート触媒は、特に好ましい。とりわけ好ましい触媒は、イリジウムがドープされた酸化ルテニウム、［ＲｕＩＩＩ２Ｚｎ２（Ｈ２Ｏ）２（ＺｎＷ９Ｏ３４）２］１４−、Ｃｓ１０［Ｒｕ４（μ−Ｏ）４（μ−ＯＨ）２（Ｈ２Ｏ）４（γ−ＳｉＷ１０Ｏ３６）２］、Ｎａ１４［Ｒｕ２Ｚｎ２（Ｈ２Ｏ）２（ＺｎＷ９Ｏ３４）２］および／またはＬｉ１０［Ｒｕ４（μ−Ｏ）４（μ−ＯＨ）２（Ｈ２Ｏ）４（γ−ＳｉＷ１０Ｏ３６）２］である。
【００２２】
他の好ましい触媒として、Ｙａｇｉら、Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍ．Ｐｈｏｔｏｂｉｏｌ．Ｓｃｉ．，２００９，８，１３９−１４７に記載の触媒、特にジ−μ−オキソジマンガン錯体、たとえば、［（ｔｅｒｐｙ）（Ｈ２Ｏ）Ｍｎ（μ−Ｏ）Ｍｎ（ｔｅｒｐｙ）（Ｈ２Ｏ）］３＋、［Ｍｎ２（ｍｃｂｐｅｎ）２（Ｈ２Ｏ）２］２＋、Ｍｎ４Ｏ４キューバン錯体、Ｍｎポルフィリン二量体；二核ルテニウム錯体、たとえば、［（ｂｐｙ）２（Ｈ２Ｏ）Ｒｕ（μ−Ｏ）Ｒｕ（Ｈ２Ｏ）（ｂｐｙ）２］４＋、［（ｔｅｒｐｙ）２（Ｈ２Ｏ）Ｒｕ（ｂｐｐ）Ｒｕ（Ｈ２Ｏ）（ｔｅｒｐｙ）２］３＋、［（ｔＢｕ２ｑｕｉ）（ＯＨ）Ｒｕ（ｂｔｐｙａｎ）Ｒｕ（ＯＨ）（ｔＢｕ２ｑｕｉ）］２＋および［Ｒｕ２（ｍａｃｒｏＮ６）（Ｒｐｙ）４Ｃｌ］３＋；一核ルテニウム錯体、たとえば、［Ｒｕ（ｔＢｕｄｎｐｐ）（Ｒｐｙ）２ＯＨ２］２＋錯体、［Ｒｕ（Ｒｔｅｒｐｙ）（ｂｐｙ）ＯＨ２］２＋錯体；および（［ＩｒＩＩＩ（Ｒ１Ｒ２ｐｐｙ）２（ＯＨ２）２］＋）（式中、Ｒ１は水素またはアルキル、特にメチルであって、Ｒ２は、水素、フェニルまたは、ＦまたはＣｌのようなハロゲンである）のようなシクロ金属化イリジウムアコ錯体を始めとするイリジウム錯体が挙げられる。
【００２３】
使用すべき触媒の選択に影響を及ぼす一要因は、アノード液で使用されるべき酸化還元メディエーター対の特性である。酸化還元メディエーター対の酸化還元電位は、理想的には、１．２３Ｖ（酸素還元電位）を超えるべきである。しかし、１．２３Ｖを有意に超える酸化還元電位を示す酸化還元メディエーター対は、反応効率を減少させるので、一般的に望ましくない。約１．２５〜約２．０Ｖの範囲の酸化還元電位を有する酸化還元メディエーター対が好ましい。とりわけ好ましい取合わせでは、酸化還元メディエーター対は、約１．３Ｖ〜約１．８Ｖ、約１．３Ｖ〜約１．７Ｖの酸化還元電位を示し、最も好ましくは約１．４Ｖ〜約１．６Ｖを示す。
【００２４】
本発明の電解槽に存在するアノード液で使用してもよい酸化還元メディエーター対としては、好ましくはランタン系金属原子、最も好ましくは１．４Ｖの酸化還元電位（ネルンスト）を有するセリウム３＋／４＋が挙げられる。酸化還元メディエーター対の溶解性を向上するため、酸のような追加の物質を使用してもよい。セリウムの溶解性を向上することができる酸の例は、メタンスルホン酸である。
【００２５】
触媒の酸化還元電位は、酸素の酸化還元電位を超えることが好ましく、メディエーターの酸化還元電位と類似するまたは該電位より２００ｍＶまで低いことが理想的であり、メディエーターの酸化還元電位より約５０〜１００ｍＶ低いことがより好ましい。
【００２６】
アノード液は、アノード液流路内のアノード領域を流れることが好ましく、これは循環性であることが好ましい。
【００２７】
発生反応が進むにつれ、アノード液流れ内に存在する酸素ガスの量が増える。
【００２８】
電解槽のアノード領域の圧力の過剰な上昇を防止するために、アノード領域から酸素を逃がす手段が備えられることが好ましい。すなわち、好ましい実施形態では、アノード液は、発生反応によって形成された酸素ガスの少なくとも一部をアノード液から分離させる分離ゾーンに流される。
【００２９】
アノード液からの酸素ガスの分離は、数多くの方法で行われる。たとえば、酸素ガスがアノード液へ入ることにより、泡が形成されることになる。泡立った混合物は分離チャンバに流してもよい。分離チャンバ内での流速は、アノード液領域の残留物のあらゆる場所でのアノード液の流速より遅いことが好ましい。泡立ったアノード液は、発泡体の泡の自然崩壊によって、分離チャンバへ通過させられる。崩壊率を増やすために、空洞形成手段が提供されてもよい。空洞形成手段は、ガスおよび液体相の迅速な分離を行うサイクロン分離機を含んでもよい。
【００３０】
分離ゾーンは、好ましくは、アノード液および酸素ガスの分離が行われる１個以上の分離チャンバと、アノード液および酸素ガスを受ける第一入口と、アノード液を電解槽のアノード領域に供給する第一出口と、水および／または酸化還元メディエーター対および／または触媒の供給を受ける第二入口と、チャンバから酸素を逃がす第二出口とを含む。
【００３１】
アノード溶液におけるいかなる損失も減らす、および可能であればなくすために、１個以上のデミスタを、第二出口の上流、下流または第二出口内に備えてもよい。
【００３２】
加えて、アノード液から水が過剰に蒸発することを防ぐために、コンデンサを、第二出口の上流、下流または第二出口内に備えてもよい。コンデンサを本発明の電解槽で使用する場合、予め決められた量の凝集物をシステムに戻すように配置することが好ましい。アノード液に戻す前に、凝集物をデミスタ（複数を含む）に通すことが好ましい。
【００３３】
本発明のある取合せでは、アノード液流路は、アノード液の流れの方向の断面積で増えることが好ましい。これは、アノード液および酸素ガスの体積の増加を図るためであり、これにより、流速の加速を予防する。断面積での増加は、分岐テーパを有する流路によって行うことができる。酸素ガスの形成が、アノード液流路内の同じ点で起こることが予想される場合、たとえば、流れるアノード液が、触媒の充填床（固定位置で）またはアノードに備えられた触媒に晒される場合、断面が増加する流路部分の使用はとりわけ有用である。
【００３４】
アノード溶液を循環させるために、アノード液流路内の任意の便利な位置に、１個以上のポンプを備えてもよい。好ましくは、少なくとも１個のポンプを分離ゾーンの下流末端とアノードの上流末端との間に設置する。
【００３５】
当業者であれば、高分子電解質膜を製造するために使用してもよい材料を熟知しているであろう。
【００３６】
高分子電解質膜は、電解槽の作動時に、プロトンが膜を介してそのアノード側からカソード側へ通過するように適合することが好ましい。膜は、他のカチオンよりプロトンに対して選択的であるものが好ましい。
【００３７】
膜は、任意の適切な材料から形成してもよいが、カチオン交換能を有する高分子物質を含むことが好ましい。適切な例として、フッ素樹脂型イオン交換樹脂および非フッ素樹脂型イオン交換樹脂が挙げられる。フッ素樹脂型イオン交換樹脂として、パーフルオロカルボン酸樹脂、パーフルオロスルホン酸樹脂などが挙げられる。パーフルオロカルボン酸樹脂、たとえば、「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）（デュポン社）、「フレミオン」（登録商標）（旭硝子株式会社）、「アシプレックス」（旭化成株式会社）などが好ましい。非フッ素樹脂型イオン交換樹脂として、ポリビニルアルコール、ポリアルキレンオキシド、スチレン−ジビニルベンゼンイオン交換樹脂など、およびこれらの金属塩が挙げられる。好ましい非フッ素樹脂型イオン交換樹脂として、ポリアルキレンオキシド−アルカリ金属塩錯体が挙げられる。これらは、たとえば塩素酸リチウムまたは他のアルカリ金属塩の存在下で、エチレンオキシドオリゴマーを重合することによって得られる。他の例として、フェノールスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、スルホン化トリフルオロスチレン、α，β，βトリフルオロスチレンモノマーに基づくスルホン化共重合体、放射線グラフト膜が挙げられる。非フッ素化膜として、スルホン化ポリ（フェニルキノキサリン）、ポリ（２，６−ジフェニル−４−フェニレンオキシド）、ポリ（アリールエーテルスルホン）、ポリ（２，６−ジフェニルエノール）；酸がドープされたポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリイミド；スチレン／エチレン−ブタジエン／スチレントリブロックコポリマー；部分スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン；部分スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）；ポリベンジルスルホン酸シロキサン（ＰＢＳＳ）が挙げられる。
【００３８】
電解槽の電極および高分子電解質膜は、電解槽内で、サンドイッチ型構造で配置されることが好ましく、該槽は、サンドイッチ構造のアノード側のアノードチャンバと、サンドイッチ構造のカソード側のカソードチャンバとを含む。
【００３９】
アノードを製造するために使用してもよい材料の範囲は、当業者に公知である。本発明の電解槽内のアノードは、炭素または白金、ニッケルおよび／または金属酸化物種のような金属材料を含んでもよい。しかし、高価なアノード材料を避けることが好ましく、したがって好ましいアノード材料として、炭素、ニッケル金属酸化物が挙げられる。アノード材料は、粒子状アノード材料の微分散物から構成されてもよく、該分散物は、適切な接着剤によって結合されている。アノードは、多孔性、部分的に多孔性または非多孔性であってもよい。アノードは、アノード液の最大流れがアノード表面に作られるように設計されている。したがって、形成された流量調整器または三次元電極で構成されてもよく、該液体流れは、電極に隣接する液体流路のある、または三次元電極の場合、液体が強制的に電極を通る流通配列で管理されてもよい。また、電極の表面は、電気触媒で形成されてもよく、または電極の表面に析出した粒状物の形態で電気触媒が付着することが有利であることもある。
【００４０】
アノードは、酸化ジルコニウム、カオリンまたはゼオライトのような材料の粒状物でさらに強化された、先に検討した種類のアノード材料を主として含む複合電極であってもよい。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態では、アノードは、アノード液入口流路と、アノード液入口流路と連通する流体内の１個以上の流路とを含むアノード集合体の形態を取り、流路は、１個以上のアノード領域を含む流路壁で規定され、少なくとも１個の流路は、アノード液入口流路と繋がっていない。
【００４２】
「アノード液入口流路」は、単にアノード液を集合体に向かわせるだけでなく、アノード液をアノードに運ぶ流路を意味する。したがって、アノード集合体チャンバ壁の外側に備えられ、アノード液が集合体へ向かう入口は、それ自身、アノード液入口流路であるとは考えられない。しかし、そのような入口により供給される流路は、たとえ、アノード液を集合体に運ぶ入口と繋がっていなくても、アノード液入口流路であると考えられる。
【００４３】
電解槽の作動時に、アノード液は、電解槽のアノード集合体を通るアノードと連通する流体において流れを提供する。酸化還元メディエーター対は、電解槽の作動時にアノードで少なくとも部分的に酸化され、水との反応によって少なくとも部分的に還元される。
【００４４】
好ましい実施形態では、アノードは、多孔性の１個以上の領域を含む。そのような実施形態では、電解槽は、アノード液がアノードの多孔性領域（複数を含む）を通るように配置され、酸化還元メディエーター対は、少なくとも部分的に酸化される。多孔性アノード領域が使用される配置では、部分的に規定する流路は、最少抵抗の通路、すなわちアノードの多孔性領域（複数を含む）を通って流路に強制的にアノード液を流すように、一方の端が閉じられてもよい。流路が閉じられている場合、多孔性アノード領域は、少なくとも、流路の閉じられた端に備えられるが、加えて、流路を規定する壁の全体に沿って延びてもよい。
【００４５】
アノード領域の多孔性にもかかわらず、ある実施形態では、全部ではないかもしれないが、実質的に全ての流路壁は、多孔性でもよく多孔性でなくてもよいアノード材料で形成される。
【００４６】
アノード液入口流路に繋がっていない１個以上の流路の使用により、アノードを通るアノード液用の複数の短い流路が効果的に作られる。アノード液は非線状流路を通るので、アノード液の速度の損失が観察される。このアノード液速度の損失は、損失がなければアノード液がアノード集合体を通る時に観察される流体圧力における、いかなる降下も有利に減らす。圧力降下を最少にすることによって、アノード液とアノード領域との相互反応は最大となる。さらに、流れ距離が減少することによって流れ速度の損失が相殺されるので、電解槽を介するアノード液の高い全流速を維持することができる。
【００４７】
アノード集合体を流れ抜けるアノード液の圧力降下を最少にすることは、アノード液の多孔性アノードを介する流れを方向付けるように適用された集合体において、とりわけ有利である。もし、アノード液の流れで圧力降下があれば、アノード（複数を含む）を抜けるアノード液の流体抵抗は増すであろう。これは、アノード集合体を通るアノード液の全流体速度を減らす効果を有するであろう。電解槽のバイアビリティはそこを通るアノード液の高い流速に依存するので、アノード液の多孔性アノードを流通する速度、したがって該流体の圧力は、重要である。
【００４８】
線状流路は、本発明の電解槽で使用できるアノード集合体において、効果的に使用することができる。しかし、他の実施形態では、流路は非線状であり、１つ以上の角および／または角度を含む。
【００４９】
最も好ましい実施形態では、流路の可能な限り高い比率は、アノード液入口流路と繋がっていない。
【００５０】
アノードは、アノード溶液の最大流れをアノード表面に作るように設計されることが好ましい。したがって、形成された流量調整器または三次元電極で構成されてもよく、該液体流れは、電極に隣接する液体流路のある、または三次元電極の場合、液体が強制的に電極を通る流通配列で管理されてもよい。
【００５１】
また電極の表面は電気触媒であることが意図されるが、電極の表面に析出した粒状体の形態で、電気触媒が付着していることが有利であるかもしれない。
【００５２】
一実施形態では、１個以上の流路は、アノード液入口流路から延びる。繋がっていない流路の１個以上は、ある角度で、アノード液入口流路から延びていることは理解されるであろう。それは、アノード液入口流路および流路（複数を含む）を描く角度である。好ましい実施形態では、１個以上の流路は、１３５以下、１２０℃以下、最も好ましくは９０℃以下の角度で、アノード液入口流路から延びる。誤解を避けるために、１個以上の流路の投射角は、流路の直前（すなわち上流）のアノード液入口チューブの縦軸から測定される。
【００５３】
他の配置では、アノード液入口流路は、そこから延びる流路を有するより、アノード液析出ゾーンで終わってもよい。そのような配置では、１個以上の流路は、アノード液析出ゾーンから延びてもよい。
【００５４】
流路は一般的に平行であることが好ましい。本発明のとりわけ好ましい実施形態では、複数の平行流路は、アノード液入口流路から垂直に延びる。
【００５５】
いかなる誤解も避けるために、流路に対して平行である場合に限り、流路はアノード液入口流路に繋がっていないと考えられる。
【００５６】
アノード集合体は、アノード液収集ゾーンを含むことが好ましい。アノード液収集ゾーンの少なくとも一部は、１個以上の流路の外壁によって規定されている。アノード液収集ゾーンを規定する壁は、アノード領域（複数を含む）を含んでもよい。アノード液は、１個以上の流路を出た後、アノード液収集ゾーン内にたまるであろう。
【００５７】
アノード液収集ゾーンは、好ましくは流路の外壁で形成されている収集流路を含んでもよい。好ましい実施形態では、収集流路は、複数の平行する流路の間に備えられ、互いに組み合わされた構造を提供するであろう。アノード領域は、収集流路を規定する壁内に備えられてもよい。
【００５８】
アノード集合体は、チャンバに収納されていることが好ましい。チャンバ壁は、１個以上のアノード液入口流路、１個以上の流路、１個以上の収集流路およびアノード液収集ゾーンを、部分的に規定してもよい。
【００５９】
アノード集合体は、アノード液出口流路が備わっていることが好ましい。アノード液収集ゾーンが存在する配置では、アノード液出口流路は、収集ゾーンと流体連通していることが好ましい。アノード液収集ゾーンが存在しない配置では、アノード液出口流路は、少なくとも１個の流路と流体連通していることが好ましい。
【００６０】
本発明第二態様によれば、電解槽を操作する方法であって、
ａ）アノード領域およびカソード領域は、イオン選択性高分子電解質膜によって分離されている、電解槽のアノード領域内のアノードと、カソード領域内のカソードとを提供するステップと、
ｂ）水と酸化還元メディエーター対とを含むアノード液を提供するステップと、
ｃ）アノード液をアノードに接触させ、アノード液を、アノードで少なくとも部分的に酸化させ、アノードでのそのような酸化の後、水との反応によって少なくとも部分的に還元させるステップであって、該反応は、アノード領域に含まれる触媒によって推し進められるステップとを含む方法が提供される。
【００６１】
誤解を避けるために、本発明の第一態様の種々の態様、具体的には、電解槽の特性、ならびにその構成成分および試薬について記載する場合、それらの特性は、本発明の第二態様の構成成分および試薬にも同じように適用される。
【００６２】
本発明を以下の実施例を参照してより具体的に記載する。
【００６３】
実施例１
図１に、本発明の電解槽（１０）のアノード領域を図示する。電解槽（１０）は、一連のカソード（１２）およびアノード（１４）を含み、これらは膜（１６）で分離されている。アノード液は、アノード液領域の周りの循環式アノード液流路（２０）を流れる。図示した実施形態では、アノード液はそこに溶解する触媒を含む。これにより、アノード液領域内でのアノード液の位置にかかわらず、発生反応を一定に進行させる。触媒の固定床が、アノード液流路内またはそこに隣接する他の配置では、発生反応の速度は、触媒床に対するアノード液の接近度に依存することは理解されるであろう。
【００６４】
発生反応が進むにつれ、プロトンが製造され、これらはアノード液流路でアノードに運ばれ、ここで膜を通過してカソードに運ばれ、ここで水素ガスが形成される。これは、ライン１８を介して得られる。
【００６５】
プロトンの製造に加えて、酸素ガスも該発生反応により製造される。これは、同伴気泡２２を有する液体の形態で、分離ゾーン２４に運ばれる。
【００６６】
分離ゾーン２４は、アノード液が通過する分離チャンバを含む。分離チャンバでアノード液流速が減少することで、アノード液内部に酸素泡の空洞形成が引き起こされる。このプロセスを促進するために、サイクロン分離機（図示せず）の形態で空洞形成手段が備えられる。
【００６７】
分離ゾーンには、分離チャンバから酸素を逃がす酸素出口２６が備えられる。いかなる捕獲水もアノード液に戻すデミスタおよび／またはコンデンサは、酸素出口２６内またはその下流に備えられてもよい。アノード液システムから水の損失がある場合は、追加の水を、ライン２８を介して提供することができる。
【図１】
2013543056.tif 000003
【国際調査報告】
2013543056.tif 000004
2013543056.tif 000005
2013543056.tif 000006