特許 6954561 有機ハイドライド製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6954561

(24)【登録日】2021年10月4日

(45)【発行日】2021年10月27日

(54)【発明の名称】有機ハイドライド製造装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/63 20210101AFI20211018BHJP

   C25B 11/03 20210101ALI20211018BHJP

   C25B 3/01 20210101ALI20211018BHJP

【ＦＩ】

   C25B9/63

   C25B11/03

   C25B3/01

【請求項の数】3

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-101419(P2017-101419)

(22)【出願日】2017年5月23日

(65)【公開番号】特開2018-197364(P2018-197364A)

(43)【公開日】2018年12月13日

【審査請求日】2020年1月14日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、ＳＩＰ（戦略的イノベーション創造プログラム）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】390014579

【氏名又は名称】デノラ・ペルメレック株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000004444

【氏名又は名称】ＥＮＥＯＳ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】光島 重徳

(72)【発明者】

【氏名】長澤 兼作

(72)【発明者】

【氏名】錦 善則

(72)【発明者】

【氏名】尾形 節郎

(72)【発明者】

【氏名】加藤 昭博

(72)【発明者】

【氏名】ジャエナル アワルディン

(72)【発明者】

【氏名】松岡 孝司

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 康司

【審査官】 馳平 憲一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０９８４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０７６２７７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２５Ｂ １／００−１５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に設けられ、プロトンで被水素化物を水素化して有機ハイドライドを生成するためのカソード触媒を含むカソードと、
前記電解質膜の前記一方の側とは反対側に設けられ、水を酸化してプロトンを生成するためのアノード触媒を含むアノードと、
前記アノードの前記電解質膜とは反対側に設けられ、前記アノードを支持するアノード支持体と、を備え、
前記アノード支持体は、ヤング率が０．２Ｎ／ｍｍ^２以上７Ｎ／ｍｍ^２以下である弾性多孔体で構成され、前記弾性多孔体はチタン繊維焼結体であることを特徴とする有機ハイドライド製造装置。

【請求項2】

前記電解質膜の厚さＴ１と前記アノードの厚さＴ２との比Ｔ１／Ｔ２は、０．３５以上である請求項１に記載の有機ハイドライド製造装置。

【請求項3】

前記アノードは、前記アノード触媒と、前記アノード触媒を担持する網目状の基材とを有し、
前記基材は、網目が菱形であり、前記菱形の短目方向中心間距離ＳＷと長目方向中心間距離ＬＷとの平均値が０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の有機ハイドライド製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、有機ハイドライド製造装置に関する。特に本発明は、被水素化物を電気化学的に水素化して有機ハイドライドを生成する有機ハイドライド製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、火力発電で得られるエネルギーに比べて生成過程での二酸化炭素排出量を抑制することができる新エネルギーとして、太陽光、風力、水力、地熱発電等で得られる再生可能エネルギーの普及が望まれている。しかしながら、再生可能エネルギーは、その出力変動、特に中長周期での出力変動の緩和が求められる。また、再生可能エネルギーは、大規模輸送が比較的困難である。これに対し、再生可能エネルギーから得られる電力を化学エネルギーに変換することが有効である。電力を直接化学エネルギーに変換するプロセスとしては、電気化学システムが挙げられる。電気化学システムの一例である二次電池、いわゆる蓄電池は、電力を化学エネルギーに変換して貯蔵するデバイスであり、広く用いられている。

【0003】

再生可能エネルギーを基盤とする電気化学システムとしては、大規模な太陽光発電システムや風力発電システムを世界の適地に設置し、これにより得られる再生可能エネルギーを、輸送に適したエネルギーキャリアに変換して国内に輸送し、国内でエネルギーを消費するシステムが有望である。エネルギーキャリアとしては、液体水素が考えられる。しかしながら、水素は常温常圧で気体であるため、輸送や貯蔵には特殊なタンカーが必要となる。

【0004】

このような状況の中、液体水素に代わるエネルギーキャリアとして、有機ハイドライド（有機ケミカルハイドライド）が注目されている。有機ハイドライドとしては、シクロヘキサンやメチルシクロヘキサン、デカリン等の環式有機化合物が挙げられる。有機ハイドライドは、一般に常温常圧で液体であるため、取り扱いが容易である。また、有機ハイドライドは、電気化学的に水素付加及び脱水素することができる。このため、有機ハイドライドをエネルギーキャリアとして用いれば、液体水素に比べて簡単に輸送、貯蔵することができる。特に、石油と似た性状の液体を有機ハイドライドとして選択した場合には、比較的大規模なエネルギー供給システムとの親和性に優れるため、エネルギー供給システムの末端にまで容易に配送することができるという利点がある。

【0005】

従来、有機ハイドライドの製造方法としては、再生可能エネルギーでの水電解により水素を製造し、水素化反応器中で被水素化物（有機ハイドライドの脱水素化体）に水素を付加して有機ハイドライドを製造する方法が知られている。

【0006】

これに対し、電解合成法によれば、被水素化物に直接水素を付加することができるため、有機ハイドライドの製造工程を簡略化することができる。また、規模によらず効率損失が少なく、さらに有機ハイドライド製造装置の起動停止に対する追従性にも優れる。このような有機ハイドライドの製造技術に関して、例えば特許文献１には、水からプロトンを生成するアノードと、不飽和結合を有する有機化合物を水素化するカソードとを備える有機ハイドライド製造装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開第２０１２／０９１１２８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明者らは、上述した有機ハイドライドを製造する技術について鋭意検討を重ねた結果、従来の技術には、有機ハイドライドの製造効率を向上させる余地があることを認識するに至った。

【0009】

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、有機ハイドライドの製造効率を向上させる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のある態様は、有機ハイドライド製造装置である。当該装置は、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜の一方の側に設けられ、プロトンで被水素化物を水素化して有機ハイドライドを生成するためのカソード触媒を含むカソードと、電解質膜の一方の側とは反対側に設けられ、水を酸化してプロトンを生成するためのアノード触媒を含むアノードと、アノードの電解質膜とは反対側に設けられ、アノードを支持するアノード支持体と、を備える。アノード支持体は、ヤング率が０．１Ｎ／ｍｍ^２超４３Ｎ／ｍｍ^２未満である弾性多孔体で構成される。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、有機ハイドライドの製造効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態に係る有機ハイドライド製造装置の概略構造を示す断面図である。

【図2】図２（Ａ）は、試験例１〜１１に係る有機ハイドライド製造装置が備えるアノード支持体とセル電圧とを示す図である。図２（Ｂ）は、長目方向中心間距離ＬＷ、短目方向中心間距離ＳＷ及びストランド長さＳＴを説明するための図である。図２（Ｃ）は、アノード支持体のヤング率とセル電圧との関係を示す図である。

【図3】図３（Ａ）は、試験例２，１２〜１４に係る有機ハイドライド製造装置が備える電解質膜及びアノードの厚さと、両者の厚さの比と、セル電圧とを示す図である。図３（Ｂ）は、厚さの比とセル電圧との関係を示す図である。

【図4】図４（Ａ）は、試験例１５〜１９に係る有機ハイドライド製造装置が備えるアノードの編目寸法とセル電圧とを示す図である。図４（Ｂ）は、長目方向中心間距離ＬＷ及び短目方向中心間距離ＳＷの平均値とセル電圧との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限り、いかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。

【0014】

図１は、実施の形態に係る有機ハイドライド製造装置の概略構造を示す断面図である。有機ハイドライド製造装置１００は、有機ハイドライドの脱水素化体である被水素化物を電気化学還元反応により水素化する電解セルであり、主な構成として、電解質膜１０２と、カソード１０４と、カソード室１０６と、アノード１０８と、アノード支持体１１０と、アノード室１１２と、一対のセパレータ１１４ａ，１１４ｂと備える。電解質膜１０２、カソード１０４及びアノード１０８により膜電極接合体が構成される。

【0015】

電解質膜１０２は、プロトン伝導性を有する材料（アイオノマー）で形成される。電解質膜１０２は、プロトンを選択的に伝導する一方で、カソード１０４とアノード１０８との間で物質が混合したり拡散したりすることを抑制する。プロトン伝導性を有する材料としては、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸ポリマーが挙げられる。電解質膜１０２の厚さは、特に限定されないが、好ましくは５〜３００μｍであり、より好ましくは１０〜１５０μｍであり、さらに好ましくは２０〜１００μｍである。電解質膜１０２の厚さを５μｍ以上とすることで、電解質膜１０２のバリア性を確保して、被水素化物、有機ハイドライド及び酸素等のクロスリークの発生をより確実に抑制することができる。また、電解質膜１０２の厚さを３００μｍ以下とすることで、イオン移動抵抗が過大になることを抑制することができる。

【0016】

電解質膜１０２には、多孔性のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の補強材が混合されてもよい。補強材を導入することで、電解質膜１０２の寸法安定性の低下を抑制することができる。これにより、電解質膜１０２の耐久性を向上させることができる。また、被水素化物、有機ハイドライド及び酸素等のクロスオーバーを抑制することができる。また、電解質膜１０２の表面は、所定の無機物層の被覆等によって親水化してもよい。

【0017】

カソード１０４は、電解質膜１０２の一方の側に設けられる。本実施の形態では、カソード１０４は電解質膜１０２の一方の主表面に接するように設けられている。カソード１０４は、カソード触媒層１１６と、マイクロポーラス層１１８と、拡散層１２０とがこの順に積層された構造を有する。より具体的には、カソード触媒層１１６は、電解質膜１０２の一方の主表面に接する。マイクロポーラス層１１８は、カソード触媒層１１６の電解質膜１０２とは反対側の主表面に接する。拡散層１２０は、マイクロポーラス層１１８のカソード触媒層１１６とは反対側の主表面に接する。なお、マイクロポーラス層１１８及び拡散層１２０は、適宜省略することができる。

【0018】

カソード触媒層１１６は、プロトンで被水素化物を水素化して有機ハイドライドを生成するためのカソード触媒（還元触媒）を含む。カソード触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒ及びこれらの少なくとも１つを含む合金からなる群から選択される金属粒子を用いることができる。カソード触媒は、市販品を用いてもよいし、公知の方法に従って合成したものを用いてもよい。また、カソード触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒの少なくとも１つからなる第１の触媒金属（貴金属）と、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｗ、Ｒｅ、Ｐｂ、Ｂｉから選択される１種又は２種以上の第２の触媒金属とを含む金属組成物で構成されてもよい。この場合、当該金属組成物の形態としては、第１の触媒金属と第２の触媒金属との合金、あるいは第１の触媒金属と第２の触媒金属からなる金属間化合物などが挙げられる。

【0019】

カソード触媒は、電子伝導性材料で構成される触媒担体によって担持される。カソード触媒を触媒担体に担持させることで、カソード触媒層１１６の表面積を拡大することができる。また、カソード触媒の凝集を抑制することができる。触媒担体としては、例えば多孔性カーボン（メソポーラスカーボンなど）、多孔性金属、多孔性金属酸化物のいずれかを主成分として含有する電子伝導性材料を挙げることができる。

【0020】

多孔性カーボンとしては、例えばケッチェンブラック（登録商標）、アセチレンブラック、ファーネスブラック、バルカン（登録商標）などのカーボンブラックが挙げられる。カーボンブラック等の炭素微粒子の平均粒径は、好ましくは０．０１μｍ〜１μｍである。多孔性金属としては、例えばＰｔブラック、Ｐｄブラック、フラクタル状に析出させたＰｔ金属などが挙げられる。多孔性金属酸化物としては、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの酸化物が挙げられる。また、触媒担体には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗなどの金属の窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、部分酸化した炭窒化物といった、多孔性の金属化合物も用いることができる。

【0021】

カソード触媒を担持した状態の触媒担体は、アイオノマーで被覆される。これにより、カソード１０４のイオン伝導性を向上させることができる。アイオノマーとしては、例えばナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。カソード触媒層１１６に含まれるアイオノマーは、カソード触媒を部分的に被覆していることが好ましい。これによれば、カソード触媒層１１６における電気化学反応に必要な３要素（被水素化物、プロトン、電子）を効率的に反応場に供給することができる。

【0022】

カソード触媒層１１６の厚さは、好ましくは１〜１００μｍであり、より好ましくは５〜３０μｍである。カソード触媒層１１６の厚さが増加すると、プロトンの移動抵抗が増大するだけでなく、被水素化物や有機ハイドライドの拡散性も低下する。このため、カソード触媒層１１６の厚さは、上述した範囲で調整することが望ましい。

【0023】

拡散層１２０は、外部から供給される液状の被水素化物をカソード触媒層１１６に均一に拡散させる機能を担う。拡散層１２０を構成する材料は、被水素化物や有機ハイドライドに対して親和性が高いことが好ましい。拡散層１２０を構成する材料としては、例えば多孔性導電基材や繊維焼結体等が例示される。これらは、ガス及び液の供給や除去に適した多孔性を有し、且つ十分な電導性を保つことができるため好ましい。拡散層１２０の厚さは、好ましくは１０〜５０００μｍである。

【0024】

拡散層１２０を構成する材料のより具体的な例としては、カーボンの織布（カーボンクロス）、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を挙げることができる。カーボンクロスは、数μｍの径の細いカーボン繊維を数百本の束とし、この束を織布としたものである。また、カーボンペーパーは、カーボン原料繊維を製紙法にて薄膜の前駆体とし、これを焼結したものである。

【0025】

マイクロポーラス層１１８は、液体の被水素化物及び有機ハイドライドの、カソード触媒層１１６の面方向への拡散を促す機能を有する。マイクロポーラス層１１８は、例えば導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物を、拡散層１２０の表面に塗布し、乾燥させることで形成することができる。導電性粉末としては、例えばバルカン（登録商標）等の導電性カーボンを用いることができる。撥水剤としては、例えば四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。導電性粉末と撥水剤の割合は、所望の導電性及び撥水性が得られる範囲内で適宜定められる。なお、マイクロポーラス層１１８は、拡散層１２０と同様にカーボンクロスやカーボンペーパー等で構成することもできる。

【0026】

マイクロポーラス層１１８の厚さは、好ましくは１〜５０μｍである。マイクロポーラス層１１８が拡散層１２０の表面よりも内部に落ち込むように形成されている場合には、拡散層１２０に潜っている部分を含めて、マイクロポーラス層１１８自体の膜厚の平均をマイクロポーラス層１１８の厚さと定義する。マイクロポーラス層１１８の表面には、金属成分を共存させてもよい。これにより、マイクロポーラス層１１８の電子伝導性が向上し、電流の均一化を図ることができる。

【0027】

マイクロポーラス層１１８と拡散層１２０とは、それぞれ厚さ方向に圧力が加えられた状態で使用される。したがって、使用時の厚さ方向への加圧によって、それぞれの厚さ方向における導電性が変化することは好ましくない。このため、マイクロポーラス層１１８及び拡散層１２０は、予めプレス加工が施されることが好ましい。これにより、各層の厚さ方向における導電性を高め、且つ安定させることができる。また、カソード触媒層１１６とマイクロポーラス層１１８との接合度を向上させることも、カソード１０４の導電性向上に寄与する。また、当該接合度の向上によって、原料物質の供給能力と生成物質の除去能力とが向上する。

【0028】

カソード室１０６は、カソード１０４を収容する空間である。カソード室１０６は、電解質膜１０２と、セパレータ１１４ａと、電解質膜１０２及びセパレータ１１４ａの間に配置される枠状のスペーサ１２２とで画成される。カソード室１０６には、カソード１０４だけでなく、流路部１２４が収容される。

【0029】

流路部１２４は、拡散層１２０に隣接して配置される。より具体的には、流路部１２４は、拡散層１２０のマイクロポーラス層１１８とは反対側の主表面に接するように設けられる。したがって、流路部１２４は、拡散層１２０とセパレータ１１４ａとの間に配置される。流路部１２４は、板状の本体部１２４ａの主表面に溝１２４ｂが設けられた構造を有する。溝１２４ｂは、被水素化物の流路を構成する。本体部１２４ａは、導電性材料からなる。流路部１２４は、カソード室１０６内において、カソード１０４の位置決めをするカソード支持体としても機能する。流路部１２４は、後述するアノード支持体１１０により押し付けられる力を受け止めて、セパレータ１１４ａとカソード１０４との間の電子伝導性を確保する。

【0030】

スペーサ１２２は、被水素化物及び水素化物を含む有機物がカソード室１０６の外へ漏洩することを防ぐシール材を兼ねており、好ましくは電子的に絶縁性を有する。スペーサ１２２を構成する材料としては、例えば４フッ化エチレン樹脂が挙げられる。また、スペーサ１２２には、カソード室１０６の内部と外部とを連通する、カソード室入口１２６及びカソード室出口１２８が配置される。

【0031】

カソード室入口１２６は、カソード室１０６の鉛直方向下方に配置される。カソード室入口１２６は、一端が流路部１２４の流路に接続され、他端がカソード液貯蔵槽（図示せず）に接続される。カソード室入口１２６とカソード液貯蔵槽との間には、ギアポンプやシリンダーポンプ等の各種ポンプ、または自然流下式装置等で構成されるカソード液供給装置（図示せず）が設けられる。

【0032】

カソード液貯蔵槽には、有機ハイドライド製造装置１００での電気化学還元反応により水素化される被水素化物が収容される。本実施の形態において用いられる有機ハイドライドは、水素化反応／脱水素反応を可逆的に起こすことにより、水素を添加／脱離できる有機化合物であれば特に限定されず、アセトン−イソプロパノール系、ベンゾキノン−ヒドロキノン系、芳香族炭化水素系等広く用いることができる。これらの中で、エネルギー輸送時の運搬性、毒性、安全性、保存安定性等の観点から、また、体積あるいは質量当たりに輸送できる水素量、水素添加及び脱水素反応の容易性、Ｇｉｂｂｓ自由エネルギー変化が著しく大きくない等のエネルギー変換効率の観点から、トルエン−メチルシクロヘキサン系に代表される芳香族炭化水素系が好ましい。

【0033】

被水素化物、すなわち有機ハイドライドの脱水素化体として用いられる芳香族炭化水素化合物は、少なくとも１つの芳香環を含む化合物であり、例えば、ベンゼン、アルキルベンゼン、ナフタレン、アルキルナフタレン、アントラセン、ジフェニルエタン等が挙げられる。アルキルベンゼンには、芳香環の１〜４の水素原子が炭素数１〜６の直鎖アルキル基又は分岐アルキル基で置換された化合物が含まれ、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、ジエチルベンゼン等が挙げられる。アルキルナフタレンには、芳香環の１〜４の水素原子が炭素数１〜６の直鎖アルキル基又は分岐アルキル基で置換された化合物が含まれ、例えばメチルナフタレン等が挙げられる。これらは単独で用いられても、組み合わせて用いられてもよい。

【0034】

被水素化物は、好ましくはトルエン及びベンゼンの少なくとも一方である。なお、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、キノリン、イソキノリン、Ｎ−アルキルピロール、Ｎ−アルキルインドール、Ｎ−アルキルジベンゾピロール等の含窒素複素環式芳香族化合物も、被水素化物として用いることができる。有機ハイドライドは、上述の被水素化物が水素化されたものであり、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、ピペリジン等が例示される。

【0035】

被水素化物は、常温で液体であることが好ましい。また、上述の芳香族炭化水素化合物及び／又は含窒素複素環式芳香族化合物の複数種を混合したものを用いる場合は、混合物として液体であればよい。被水素化物が常温で液体である場合、加熱や加圧などの処理を行うことなく、液体の状態で被水素化物を有機ハイドライド製造装置１００に供給することができる。以下では適宜、カソード液貯蔵槽に貯蔵される液体を「カソード液」という。カソード液貯蔵槽に貯蔵されたカソード液は、カソード液供給装置によってカソード室１０６に供給される。

【0036】

カソード室１０６に供給されるカソード液は、カソード室入口１２６を介してカソード室１０６内に導入される。カソード室１０６に導入されたカソード液は、流路部１２４の溝１２４ｂ、拡散層１２０及びマイクロポーラス層１１８を経由してカソード触媒層１１６に供給される。

【0037】

カソード室出口１２８は、カソード室１０６の鉛直方向上方に配置される。カソード室出口１２８は、一端が流路部１２４の流路に接続され、他端が例えばカソード液貯蔵槽に接続される。カソード室１０６内の有機ハイドライド、すなわち有機ハイドライド製造装置１００により水素化された被水素化物と、未反応の被水素化物とは、カソード室出口１２８を介してカソード室１０６の外部に排出される。カソード室出口１２８とカソード液貯蔵槽との間には、分離槽（図示せず）が設けられる。分離槽において、有機ハイドライド及び被水素化物の混合物から、副生成物である水素ガスや、電解質膜１０２を介してカソード１０４側に流入したアノード液等が分離される。分離されたアノード液は再利用される。その後、有機ハイドライド及び被水素化物は、カソード液貯蔵槽に戻される。

【0038】

セパレータ１１４ａは、カソード室１０６側に配置される。本実施の形態では、セパレータ１１４ａは、流路部１２４の拡散層１２０とは反対側の主表面に積層される。セパレータ１１４ａは電子伝導性を有し、給電板としても機能する。セパレータ１１４ａを構成する材料としては、例えば、ＳＵＳ、Ｔｉ等の金属が挙げられる。

【0039】

アノード１０８は、電解質膜１０２の一方の側とは反対側、すなわちカソード１０４とは反対側に設けられる。本実施の形態では、アノード１０８は電解質膜１０２の他方の主表面に接するように設けられている。アノード１０８は、アノード液中の水を酸化してプロトンを生成するためのアノード触媒１０８ａを含む。アノード触媒１０８ａとしては、例えばＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ及びこれらの少なくとも１つを含む合金からなる群から選択される金属粒子を用いることができる。また、酸性電解液に浸漬された状態で酸素を発生させるアノード触媒１０８ａとしては、白金族貴金属酸化物系触媒の使用が好ましい。中でも、酸化イリジウム系の触媒は電圧損失が少なく、耐久性に優れる。特に、酸化タンタルと固溶体を形成した酸化イリジウム系の触媒は、有機物が混入する系での電圧損失の増加が小さく、アノード触媒１０８ａとして好ましい。

【0040】

アノード１０８は、アノード触媒１０８ａに加えて、アノード触媒１０８ａを担持する基材１０８ｂを有する。基材１０８ｂは、電解に必要な電流を流す上で十分な電気伝導性を有する。また、基材１０８ｂは、アノード液に対する耐食性に優れることが好ましい。基材１０８ｂとしては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗなどの金属、あるいはこれらを主成分とする合金などで構成される。より好ましくは、基材１０８ｂは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の金属を２０質量部以上含む。

【0041】

基材１０８ｂの厚さは、好ましくは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。アノード１０８の厚さは、実質的に基材１０８ｂの厚さと等しい。また、電解質膜１０２の厚さＴ１とアノード１０８の厚さＴ２との比Ｔ１／Ｔ２は、好ましくは０．３５以上であり、より好ましくは０．６以上であり、さらに好ましくは１以上である。比率Ｔ１／Ｔ２を０．３５以上とすることで、電解質膜１０２の湾曲を抑制でき、よってカソード１０４と電解質膜１０２の剥離を抑制することができる。このため、有機ハイドライド製造装置１００の駆動に要するセル電圧をより確実に低減することができる。

【0042】

アノード１０８は、ガス発生電極である。このため、基材１０８ｂは、気泡による抵抗の増大を避けてアノード１０８へのアノード液の供給を促進するために、多孔体であることが好ましい。本実施の形態の基材１０８ｂは、網目状の板状体である。例えば、基材１０８ｂはエキスパンドメッシュで構成される。基材１０８ｂの網目は、菱形であり、菱形の短目方向中心間距離ＳＷ（図２（Ｂ）参照）と長目方向中心間距離ＬＷ（図２（Ｂ）参照）との平均値は、好ましくは０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、より好ましくは０．３ｍｍ超３ｍｍ以下であり、さらに好ましくは１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。長目方向は、エキスパンドメッシュ製造時のスリットの方向であり、短目方向は、当該スリットに直交する方向である。エキスパンドメッシュは、メッシュ加工後に平滑化処理を行うことが望ましい。

【0043】

ＳＷとＬＷとの平均値を３ｍｍ以下とすることで、有機ハイドライド製造装置１００を組み付けた際にアノード１０８がアノード支持体１１０から受ける圧力を、より均一に電解質膜１０２側に与えることができる。また、電解質膜１０２の湾曲をより確実に抑制することができる。これにより、有機ハイドライド製造装置１００の駆動に要するセル電圧をより確実に低減することができる。また、ＳＷとＬＷとの平均値を０．３ｍｍ以上とすることで、アノード１０８で発生する酸素によりアノード液のアノード１０８への浸潤が阻害されることをより抑制することができる。これにより、セル電圧の増加をより確実に抑制することができる。

【0044】

基材１０８ｂの開口率は、例えば基材１０８ｂの投影面積当たりの孔面積で定義され、例えば４０％以上９０％以下である。開口率を４０％以上とすることで、アノード１０８で発生する酸素の気泡をより速やかに除去することができる。これにより、いわゆる気泡効果によるセル抵抗の増大（言い換えればセル電圧の増大）を抑制することができる。また、開口率を９０％以下とすることで、有効な電極面積が過度に減少することを抑制することができる。

【0045】

また、基材１０８ｂが有する開口の大きさ、あるいは開口のピッチは、電解質膜１０２の厚さ以下であることが好ましい。これにより、電解質膜１０２が歪んでアノード１０８の開口に陥入することを抑制することができる。この結果、電解質膜１０２とカソード１０４との接触を維持でき、セル電圧の増大を抑制することができる。

【0046】

基材１０８ｂには、エキスパンドメッシュ以外の、開口を有する平板部材も適宜選択することができる。例えば、金属板の一部を打ち抜いたり溶解させたりして、丸型や角型の開口を設けた板を用いることができる。基材１０８ｂに丸穴打ち抜き板を用いる場合、ある一態様では、基材１０８ｂの厚さは０．５ｍｍ以下であり、孔径は０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であり、孔ピッチは０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

【0047】

また、基材１０８ｂは、金属繊維からなる織物メッシュで構成されてもよい。この場合、金属繊維の繊維径は、例えば０．２ｍｍ以下であり、メッシュのピッチは例えば０．５ｍｍ以下である。また、基材１０８ｂは、金属多孔体の焼結体や、発泡成形体、あるいは粉末成形体等で構成されてもよい。金属多孔体は、例えば微細な空孔を有する長繊維やビビリ繊維である。基材１０８ｂが織物メッシュや焼結体等で構成される場合、基材１０８ｂの空孔率は、例えば４０％以上９０％以下である。本明細書において、「空孔率」は、全体の体積に占める空孔の体積の割合、すなわち体積空孔率を意味する。体積空孔率は、走査型電子顕微鏡や金属顕微鏡を用いて得られる断面画像から計算により求めることができる。

【0048】

基材１０８ｂの表面には、タンタル等の弁金属、弁金属を含む合金、貴金属、貴金属酸化物等の導電性皮膜が設けられてもよい。これにより、アノード１０８とアノード液との接触によって基材１０８ｂの表面に絶縁性の酸化皮膜が形成されることを抑制することができる。よって、アノード触媒１０８ａと基材１０８ｂとの間の導電性を良好に維持することができる。

【0049】

アノード１０８は、好ましくはアノード支持体１１０よりも大きいヤング率を有する。より好ましくは、アノード１０８のヤング率は２Ｎ／ｍｍ^２以上４０Ｎ／ｍｍ^２以下である。

【0050】

アノード支持体１１０は、アノード１０８の電解質膜１０２とは反対側に設けられ、アノード１０８を支持する。本実施の形態では、アノード支持体１１０はアノード１０８の電解質膜１０２とは反対側の主表面に接するように設けられている。アノード支持体１１０によって、アノード１０８は電解質膜１０２に押し付けられる。アノード支持体１１０は、板状の弾性多孔体で構成される。アノード支持体１１０が多孔体であることで、アノード液をアノード１０８へ供給することができる。

【0051】

アノード支持体１１０は、アノード液に対する耐食性に優れる材料で構成されることが好ましく、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａなどの金属、あるいはこれらを主成分とする合金などで構成される。より好ましくは、アノード支持体１１０は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ及びＴａからなる群から選択される少なくとも一種の金属を２０質量部以上含む。アノード支持体１１０の表面には、基材１０８ｂと同様にアノード液に対する耐食処理が施されてもよい。

【0052】

アノード支持体１１０は電子伝導性を有し、集電板としても機能する。アノード支持体１１０の厚さは、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。また、アノード支持体１１０の空孔率は、例えば４０％以上９５％以下である。

【0053】

アノード支持体１１０のヤング率は、０．１Ｎ／ｍｍ^２超４３Ｎ／ｍｍ^２未満である。アノード支持体１１０のヤング率の下限は、好ましくは０．２Ｎ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは０．３Ｎ／ｍｍ^２以上である。アノード支持体１１０のヤング率の上限は、好ましくは４０Ｎ／ｍｍ^２以下であり、より好ましくは１０Ｎ／ｍｍ^２以下であり、さらに好ましくは７Ｎ／ｍｍ^２以下である。ヤング率は、以下の方法で算出することができる。すなわち、適切な面積に切り出した支持体試料を２枚の硬い金属板で挟んで積層体を形成する。この積層体にロードセルにて荷重を掛ける。支持体試料の初期の厚さと、荷重を掛けているときの厚さとを、マイクロメーターを用いて測定する。与えた荷重の大きさを支持体試料の面積で除し、得られる値を厚さの変化量で除することで、ヤング率が算出される。

【0054】

アノード支持体１１０のヤング率を０．１Ｎ／ｍｍ^２超とすることで、アノード１０８をより確実に押さえ付けることができる。これにより、カソード１０４と電解質膜１０２との剥離を抑制することができるため、有機ハイドライド製造装置１００のセル電圧を低減することができる。また、ヤング率が０．１Ｎ／ｍｍ^２以下である場合、所望の圧力でアノード１０８を押さえ付けるために、アノード支持体の厚さを相当大きくしなければならないため好ましくない。

【0055】

また、アノード支持体１１０のヤング率を４３Ｎ／ｍｍ^２未満とすることで、アノード支持体１１０の弾性が過度に低下してアノード１０８に与える圧力が不均一になることを抑制することができる。これにより、アノード１０８と電解質膜１０２又はアノード支持体１１０との間の部分的な接触不良の発生を抑制することができ、有機ハイドライド製造装置１００のセル電圧を低減することができる。また、アノード支持体１１０の変形量が過度に低下して有機ハイドライド製造装置１００の組み立てが困難になることを、回避することができる。

【0056】

アノード支持体１１０を構成する材料としては、微細な空孔を有する長繊維やビビリ繊維の焼結体、発泡成形体、粉末成形体等が例示される。アノード支持体１１０の構成材料に含まれる繊維は、繊維径が好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下であり、長さが好ましくは１ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。アノード支持体１１０を作製する際の繊維の目付量は、例えば１００ｇ／ｍ^２以上５０００ｇ／ｍ^２以下である。なお、繊維の寸法及び目付量が同じであっても、熱処理の温度や時間を調整することで、アノード支持体１１０の抵抗値やヤング率を調整することができる。繊維を焼結して得た積層ウェブは、例えば圧力０．１ＭＰにおいて、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の弾性変形量を有する。変形率は、例えば２０％以上８０％以下である。また、アノード支持体１１０は、エキスパンドメッシュ等の、複数の開口を有する平板部材で構成されてもよい。つまり、本願における「多孔体」には、複数の開口が設けられた平板部材も含まれる。

【0057】

アノード室１１２は、アノード１０８及びアノード支持体１１０を収容する空間である。アノード室１１２は、電解質膜１０２と、セパレータ１１４ｂと、電解質膜１０２及びセパレータ１１４ｂの間に配置される枠状のスペーサ１３０とで画成される。

【0058】

スペーサ１３０は、アノード液がアノード室１１２の外へ漏洩することを防ぐシール材を兼ねており、好ましくは電子的に絶縁性を有する。スペーサ１３０を構成する材料としては、例えば４フッ化エチレン樹脂が挙げられる。また、スペーサ１３０には、アノード室１１２の内部と外部とを連通する、アノード室入口１３２及びアノード室出口１３４が配置される。

【0059】

アノード室入口１３２は、アノード室１１２の鉛直方向下方に配置される。アノード室入口１３２は、一端がアノード支持体１１０に接続され、他端がアノード液貯蔵槽（図示せず）に接続される。アノード室入口１３２とアノード液貯蔵槽との間には、ギアポンプやシリンダーポンプ等の各種ポンプ、または自然流下式装置等で構成されるアノード液供給装置（図示せず）が設けられる。

【0060】

アノード液貯蔵槽には、アノード液が収容される。アノード液としては、２０℃で測定したイオン伝導度が０．０１Ｓ／ｃｍ以上である、硫酸水溶液、硝酸水溶液又は塩酸水溶液が例示される。アノード液のイオン伝導度を０．０１Ｓ／ｃｍ以上とすることで、工業的に十分な電気化学反応を起こさせることができる。アノード液貯蔵槽に貯蔵されたアノード液は、アノード液供給装置によってアノード室１１２に供給される。なお、アノード液として純水を用いることもできる。この場合は、パーフルオロスルホン酸ポリマー等でアノード触媒１０８ａを基材１０８ｂに固着させ、気泡発生によるアノード触媒１０８ａの剥離を抑制することが好ましい。

【0061】

アノード室１１２に供給されるアノード液は、アノード室入口１３２を介してアノード室１１２内に導入される。アノード室１１２に導入されたアノード液は、アノード支持体１１０を経由してアノード１０８に供給される。

【0062】

アノード室出口１３４は、アノード室１１２の鉛直方向上方に配置される。アノード室出口１３４は、一端がアノード支持体１１０に接続され、他端が例えばアノード液貯蔵槽に接続される。アノード室１１２内のアノード液は、アノード室出口１３４を介してアノード室１１２の外部に排出される。アノード室出口１３４とアノード液貯蔵槽との間には、気液分離部（図示せず）が設けられる。気液分離部において、アノード液の電気分解によって生じる酸素や、電解質膜１０２を介してアノード液に混入する被水素化物及び有機ハイドライドの気化物等のガスは、アノード液から分離される。未反応のアノード液は、アノード液貯蔵槽に戻される。

【0063】

セパレータ１１４ｂは、アノード室１１２側に配置される。本実施の形態では、セパレータ１１４ｂは、アノード支持体１１０のアノード１０８とは反対側の主表面に積層される。セパレータ１１４ｂは電子伝導性を有し、給電板としても機能する。セパレータ１１４ｂを構成する材料としては、例えば、ＳＵＳ、Ｔｉ等の金属が挙げられる。

【0064】

有機ハイドライド製造装置１００は、以下のようにして組み立てることができる。すなわち、流路部１２４、カソード１０４、電解質膜１０２、アノード１０８及びアノード支持体１１０をこの順に積層して積層体を得る。そして、積層体にスペーサ１２２，１３０を嵌め合わせた後、一対のセパレータ１１４ａ，１１４ｂでこれらを挟み込む。一対のセパレータ１１４ａ，１１４ｂにより、積層体には適切な締め付け圧力が印加される。

【0065】

例えば、積層体には、１ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の圧力がかけられる。有機ハイドライド製造装置１００は、アノード支持体１１０を備えるため、１ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の小さい圧力で各層の電気的接続状態を良好に維持することができる。これにより、有機ハイドライド製造装置１００の軽量化、低コスト化を図ることができる。また、有機ハイドライド製造装置１００の運転中に圧力変動が生じても、アノード支持体１１０が弾性変形することで、常に一定の圧力を各層に付与することができる。なお、積層体を作製する際、アノード１０８とアノード支持体１１０とを予め接合したものを用いてもよい。また、アノード支持体１１０とセパレータ１１４ｂとを予め接合したものを用いてもよい。また、有機ハイドライド製造装置１００は、バイポーラセルであってもよい。

【0066】

有機ハイドライド製造装置１００には、図示しない電力制御部及び駆動制御部が接続されてもよい。電力制御部は、例えば、電力源の出力電圧を所定の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータである。電力制御部の正極出力端子は、アノード１０８に接続される。電力制御部の負極出力端子は、カソード１０４に接続される。これにより、アノード１０８とカソード１０４との間に所定の電圧が印加される。

【0067】

電力制御部には、正及び負極の電位検知の目的で参照極が設けられていてもよい。この場合、参照極入力端子は、電解質膜１０２に設けられる参照電極（図示せず）に接続される。参照電極は、カソード１０４及びアノード１０８から電気的に隔離される。参照電極は、参照電極電位に保持される。参照電極電位は、例えば可逆水素電極（ＲＨＥ）に対する電位である。なお、参照電極電位は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極に対する電位であってもよい。カソード１０４とアノード１０８との間を流れる電流は、電流検出部（図示せず）によって検出される。電流検出部で検出された電流値は、駆動制御部に入力され、駆動制御部による電力制御部の制御に用いられる。参照電極とカソード１０４との間の電位差は、電圧検出部（図示せず）によって検出される。電圧検出部で検出された電位差の値は駆動制御部に入力され、駆動制御部による電力制御部の制御に用いられる。

【0068】

駆動制御部は、アノード１０８又はカソード１０４の電位が所望の電位となるように、電力制御部の正極出力端子及び負極出力端子の出力を制御する。電力源は、好ましくは太陽光、風力、水力、地熱発電等で得られる再生可能エネルギーであるが、特にこれに限定されない。

【0069】

上述した構造を備える有機ハイドライド製造装置１００において、被水素化物の一例としてトルエン（ＴＬ）を用いた場合に起こる反応は、以下の通りである。被水素化物としてトルエンを用いた場合、得られる有機ハイドライドはメチルシクロヘキサン（ＭＣＨ）である。
＜アノードでの電極反応＞
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
＜カソードでの電極反応＞
ＴＬ＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→ＭＣＨ
＜全反応＞
２ＴＬ＋６Ｈ_２Ｏ→２ＭＣＨ＋３Ｏ_２

【0070】

すなわち、アノード１０８での電極反応と、カソード１０４での電極反応とが並行して進行する。そして、アノード１０８における水の電気分解により生じたプロトン（Ｈ^＋）が、電解質膜１０２を介してカソード１０４に供給される。カソード１０４に供給されたプロトンは、カソード１０４において被水素化物の水素化に用いられる。これにより、トルエンが水素化されて、メチルシクロヘキサンが生成される。したがって、本実施の形態に係る有機ハイドライド製造装置１００によれば、水の電気分解と被水素化物の水添反応とを１ステップで行うことができる。

【0071】

以上説明したように、本実施の形態に係る有機ハイドライド製造装置１００は、電解質膜１０２と、カソード１０４と、アノード１０８と、アノード１０８の電解質膜１０２とは反対側に設けられるアノード支持体１１０とを備える。アノード支持体１１０は、ヤング率が０．１Ｎ／ｍｍ^２超４３Ｎ／ｍｍ^２未満である、板状の弾性多孔体で構成される。このような弾性且つ多孔性で板状のアノード支持体１１０を設けることで、有機ハイドライド製造装置１００を構成する各部材の電気的接続状態を良好に維持することができる。

【0072】

特に、電解質膜１０２とカソード１０４との接触を維持することは重要である。すなわち、トルエンなどの有機化合物からなるカソード液は、導電性が乏しい。このため、電解質膜１０２とカソード１０４とが剥離してしまうと、この剥離した部分において電解質膜１０２からカソード１０４へのプロトンの供給が阻害される。プロトンの供給が阻害されると、カソード触媒が失活してしまうおそれがある。

【0073】

これに対し、アノード支持体１１０の設置により、電解質膜１０２とカソード１０４との接触をより確実に維持することができる。これにより、有機ハイドライド製造装置１００のセル電圧を低減することができる。よって、有機ハイドライドの製造効率を向上させることができる。また、有機ハイドライド製造装置１００の長寿命化を図ることもできる。

【0074】

また、アノード支持体１１０のヤング率は、より好ましくは０．２Ｎ／ｍｍ^２以上１０Ｎ／ｍｍ^２以下である。これにより、有機ハイドライド製造装置１００のセル電圧をより低減することができる。また、電解質膜１０２の厚さＴ１とアノード１０８の厚さＴ２との比Ｔ１／Ｔ２は、０．３５以上である。これにより、有機ハイドライド製造装置１００のセル電圧をより確実に低減することができる。また、アノード１０８が有する基材１０８ｂは、網目状である。網目は菱形であり、菱形の短目方向中心間距離ＳＷと長目方向中心間距離ＬＷとの平均値は、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下である。これにより、有機ハイドライド製造装置１００のセル電圧をより確実に低減することができる。

【0075】

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

【実施例】

【0076】

以下、本発明の実施例を説明するが、これら実施例は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。

【0077】

［アノード支持体のヤング率とセル電圧との関係の評価］
図２（Ａ）は、試験例１〜１１に係る有機ハイドライド製造装置が備えるアノード支持体とセル電圧とを示す図である。図２（Ｂ）は、長目方向中心間距離ＬＷ、短目方向中心間距離ＳＷ及びストランド長さＳＴを説明するための図である。図２（Ｃ）は、アノード支持体のヤング率とセル電圧との関係を示す図である。

【0078】

（試験例１）
以下の手順によりアノードを作製した。まず、アノードの基材として、所定の網目形状を有するエキスパンドメッシュを用意した。この基材の表面に乾式ブラスト処理を施し、続いて２０％硫酸水溶液中で洗浄処理を施した。その後、Ｔｉ−Ｔａ合金ターゲットを用いたアークイオンプレーティング装置に基材をセットした。そして、基材温度１５０℃、真空度１．０×１０^−２Ｔｏｒｒで、基材の表面にＴｉ−Ｔａ合金の皮膜を形成した。膜厚は２μｍとした。その後、コーティング処理を施した基材に対して、四塩化イリジウム／五酸化タンタルの混合水溶液を塗布し、電気炉にて５５０℃の熱処理を施した。この操作を複数回繰り返して、酸化イリジウムと酸化タンタルを等モル含むアノードを得た。アノードの触媒量は、Ｉｒ金属量換算で電極面積当たり１２ｇ／ｍ^２とした。アノードのヤング率は、４０Ｎ／ｍｍ^２とした。

【0079】

また、図２（Ａ）に示すように、繊維径５０μｍのチタン繊維を、目付量を６００ｇ／ｍ^２として炉内に載置した。そして、不活性雰囲気下、炉内温度９００℃、加熱時間３０分として、適切な荷重を与えながらチタン繊維を焼結させた。これにより、金属繊維の焼結体で構成されるアノード支持体を得た。アノード支持体の厚さは、３ｍｍとした。アノード支持体のヤング率は、０．１Ｎ／ｍｍ^２とした。

【0080】

また、以下の手順によりカソードと電解質膜の積層体を形成した。まず、ＰｔＲｕ／Ｃ触媒ＴＥＣ６１Ｅ５４（田中貴金属工業社製）の粉末に、５％ナフィオン（登録商標）分散液（デュポン社製）を添加し、適宜溶媒を用いてカソード触媒層用の触媒インクを調製した。触媒インクのナフィオン／カーボン比は０．８とした。この触媒インクを貴金属量（ＰｔＲｕ量）が０．５ｍｇ／ｃｍ^２となるよう調製し、カーボンペーパーＧＤＬ１０ＢＣ（ＳＧＬカーボン社製）にバーコータを用いて塗布した。そして、８０℃で加熱して触媒インク中の溶媒成分を乾燥し、カソード触媒層を得た。

【0081】

また、カーボンペーパーにＰｔ粒子を担持させて拡散層を作製した。拡散層に含まれるＰｔ粒子は、カソードにおける副生成物である水素ガスと未反応の被水素化物との化学反応を促進させる役割を果たす。まず、Ｈ_２ＰｔＣｌ_６・６Ｈ_２Ｏと、１−プロパノールとを混合して混合溶液を作製した。Ｈ_２ＰｔＣｌ_６・６Ｈ_２Ｏの添加量は、カーボンペーパーへのＰｔの担持量が０．０２ｍｇ／ｃｍ^２となるように調整した。得られた混合溶液に、カーボンペーパーＧＤＬ１０ＢＣ（ＳＧＬカーボン社製）を浸漬した。

【0082】

その後、６０℃のＮ_２ガス雰囲気下でカーボンペーパーを完全に乾燥させた。続いて、１ｍｇのＮａＢＨ_４水溶液にカーボンペーパーを浸漬し、２時間の還元処理を施した。還元処理の後、カーボンペーパーを純水に漬け込んで洗浄した。その後、カーボンペーパーを乾燥させて、拡散層を得た。また、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）１１７（デュポン社製）を用意した。電解質膜の厚さは、０．１７５ｍｍとした。この電解質膜に、カソード触媒層と拡散層とを積層し、１２０℃、１ＭＰａで３分間のホットプレスを実施した。これにより、カソードと電解質膜の積層体を得た。

【0083】

また、カソード側セパレータ及び流路部の複合体と、アノード側セパレータと、カソード用及びアノード用スペーサを用意した。複合体及びアノード側セパレータは、チタン製のものを用いた。そして、当該複合体、カソード用スペーサ、カソードと電解質膜の積層体、アノード、アノード支持体、アノード用スペーサ及びアノード側セパレータをこの順に積層した。続いて、これらの積層体に外部から圧力をかけて組み付けた。アノード支持体の弾性力によって各層を押し付けることで、各層が互いに密着した状態を作り出した。以上の工程により、試験例１の有機ハイドライド製造装置を得た。有機ハイドライド製造装置の電極有効面積は、１００ｃｍ^２とした。

【0084】

カソード用スペーサのカソード室入口には、被水素化物の供給経路を接続した。カソード用スペーサのカソード室出口には、有機ハイドライドの排出経路を接続した。また、アノード用スペーサのアノード室入口には、アノード液の供給経路を接続した。アノード用スペーサのアノード室出口には、アノード液の排出経路を接続した。

【0085】

この有機ハイドライド製造装置のカソード室に、カソード液としてトルエンを流通させた。また、アノード室に、アノード液として１００ｇ／Ｌ硫酸水溶液を流通させた。カソード液の流量は、１０ｍＬ／分とした。アノード液の流量は、１０ｍＬ／分とした。そして、温度６０℃、電流密度０．４Ａ／ｃｍ^２で電解反応を実施した。アノード液は、ポンプを用いてアノード液貯蔵槽からアノード室に供給し、またアノード室からアノード液貯蔵槽に戻して循環させた（バッチ運転）。アノード液は、有機ハイドライド製造装置の下部からアノード室に供給した。また、アノード液は、電解により減少する水分を補充しながら循環させた。

【0086】

また、定電流電源の負極をカソードに、正極をアノードにそれぞれ接続した。定電流電源の出力電流を４０Ａ（０．４Ａ／ｃｍ^２）として、有機ハイドライド製造装置に印加した。そして、有機ハイドライド製造装置のセル電圧を測定した。結果を図２（Ａ）に示す。

【0087】

（試験例２〜９）
図２（Ａ）に示すように、アノード支持体を構成する繊維の繊維径と目付量、アノード支持体の厚さ及びヤング率を調整し、その他の手順は試験例１に準じて、試験例２〜９の有機ハイドライド製造装置を作製した。そして、各有機ハイドライド製造装置のセル電圧を測定した。結果を図２（Ａ）に示す。

【0088】

（試験例１０，１１）
図２（Ａ）に示すように、金属繊維の焼結体に代えてエキスパンドメッシュで構成されるアノード支持体を用い、その他の手順は試験例１に準じて、試験例１０，１１の有機ハイドライド製造装置を作製した。そして、各有機ハイドライド製造装置のセル電圧を測定した。結果を図２（Ａ）に示す。エキスパンドメッシュにおける長目方向中心間距離ＬＷ、短目方向中心間距離ＳＷ及びストランド長さＳＴは、図２（Ｂ）に図示される通りであり、これは当業者に周知の事項である。

【0089】

図２（Ｃ）に、各試験例に係る有機ハイドライド製造装置における、アノード支持体のヤング率とセル電圧との関係を示す。図２（Ｃ）に示すように、アノード支持体のヤング率が０．１Ｎ／ｍｍ^２超４３Ｎ／ｍｍ^２未満の場合に、セル電圧が２．２Ｖを下回ることが確認された。セル電圧２．２Ｖは、本願のアノード支持体を備えない従来公知の有機ハイドライド製造装置におけるセル電圧である。よって、アノード支持体のヤング率が０．１Ｎ／ｍｍ^２超４３Ｎ／ｍｍ^２未満であるとき、有機ハイドライドの製造効率を向上できることが確認された。また、アノード支持体のヤング率が０．２Ｎ／ｍｍ^２以上１０Ｎ／ｍｍ^２以下の場合に、セル電圧が２．０Ｖ以下となることが確認された。セル電圧２．０Ｖは、アルカリ水電解におけるセル電圧である。よって、アノード支持体のヤング率が０．２Ｎ／ｍｍ^２以上１０Ｎ／ｍｍ^２以下であるとき、有機ハイドライドの製造効率をアルカリ水電解の水素製造効率と同程度かそれ以上まで向上できることが確認された。また、アノード支持体のヤング率が０．３Ｎ／ｍｍ^２以上１．２Ｎ／ｍｍ^２以下の場合に、有機ハイドライドの製造効率をさらに向上できることが確認された。

【0090】

［電解質膜及びアノードの厚さの比率とセル電圧との関係の評価］
図３（Ａ）は、試験例２，１２〜１４に係る有機ハイドライド製造装置が備える電解質膜及びアノードの厚さと、両者の厚さの比と、セル電圧とを示す図である。図３（Ｂ）は、厚さの比とセル電圧との関係を示す図である。

【0091】

（試験例２，１２〜１４）
図３（Ａ）に示すように、電解質膜の厚さＴ１を固定し、アノードの厚さＴ２を調整することで厚さ比Ｔ１／Ｔ２を異ならせ、その他の手順は試験例１に準じて、試験例２，１２〜１４の有機ハイドライド製造装置を作製した。全ての試験例において、アノード支持体のヤング率は、０．３Ｎ／ｍｍ^２とした。そして、各有機ハイドライド製造装置のセル電圧を測定した。結果を図３（Ａ）に示す。

【0092】

図３（Ｂ）に、各試験例に係る有機ハイドライド製造装置における、電解質膜の厚さＴ１及びアノードの厚さＴ２の比Ｔ１／Ｔ２と、セル電圧との関係を示す。図３（Ｂ）に示すように、厚さ比Ｔ１／Ｔ２が０．３５以上のとき、セル電圧は２．０Ｖ未満であった。よって、厚さ比Ｔ１／Ｔ２を０．３５以上とすることで、より確実に有機ハイドライドの製造効率をアルカリ水電解の水素製造効率よりも向上できることが確認された。

【0093】

［アノードの開口寸法とセル電圧との関係の評価］
図４（Ａ）は、試験例１５〜１９に係る有機ハイドライド製造装置が備えるアノードの編目寸法とセル電圧とを示す図である。図４（Ｂ）は、長目方向中心間距離ＬＷ及び短目方向中心間距離ＳＷの平均値とセル電圧との関係を示す図である。

【0094】

（試験例１５〜１９）
図４（Ａ）に示すように、アノード基材における網目の長目方向中心間距離ＬＷ及び短目方向中心間距離ＳＷを異ならせ、その他の手順は試験例１に準じて、試験例１５〜１９の有機ハイドライド製造装置を作製した。全ての試験例において、アノード支持体のヤング率は、０．３Ｎ／ｍｍ^２とした。そして、各有機ハイドライド製造装置のセル電圧を測定した。結果を図４（Ａ）に示す。

【0095】

図４（Ｂ）に、各試験例に係る有機ハイドライド製造装置における、長目方向中心間距離ＬＷ及び短目方向中心間距離ＳＷの平均値と、セル電圧との関係を示す。図４（Ｂ）に示すように、平均値が０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下のとき、セル電圧は２．０Ｖ以下であった。よって、平均値を０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることで、より確実に有機ハイドライドの製造効率をアルカリ水電解の水素製造効率以上に向上できることが確認された。また、平均値を０．３ｍｍ超３ｍｍ以下のとき、セル電圧は２．０Ｖ未満であった。よって、平均値を０．３ｍｍ超３ｍｍ以下とすることで、より確実に有機ハイドライドの製造効率をアルカリ水電解の水素製造効率よりも向上できることが確認された。

【符号の説明】

【0096】

１００ 有機ハイドライド製造装置、 １０２ 電解質膜、 １０４ カソード、 １０８ アノード、 １０８ａ アノード触媒、 １０８ｂ 基材、 １１０ アノード支持体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】