有机氢化物制造装置和有机氢化物制造方法与流程

1.本发明涉及一种有机氢化物制造装置和有机氢化物制造方法。


背景技术：

2.近年来，为了抑制能量的生成过程中的二氧化碳排出量，期待着由太阳能、风力、水力、地热发电等获得的可再生能量的利用。作为一个例子，设计了利用源自可再生能量的电力进行水电解而生成氢的系统。另外，作为用于大规模输送、储藏源自可再生能量的氢的能量载体，有机氢化物系统备受关注。
3.对于有机氢化物的制造技术，以往，公知有由电解槽构成的有机氢化物制造装置(例如，参照专利文献1)，该电解槽具有：氧化极，其从水生成质子；和还原极，其使具有不饱和键的有机化合物(被氢化物)氢化。在该有机氢化物制造装置中，一边向氧化极供给水、向还原极供给被氢化物，一边使电流在氧化极与还原极之间流动，从而使氢附加于被氢化物而获得有机氢化物。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：国际公开第2012/091128号


技术实现要素：

7.发明要解决的问题
8.本发明人等对上述的有机氢化物的制造技术反复进行了深入研究，其结果，认识到如下内容：在现有技术中存在提高有机氢化物制造时的法拉第效率(电流效率)的余地。
9.本发明是鉴于这样的状况而做成的，其目的之一在于提供一种提高有机氢化物制造时的法拉第效率的技术。
10.用于解决问题的方案
11.本发明的某形态是有机氢化物制造装置。该有机氢化物制造装置具备：阴极室，其收容利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物的阴极电极；阴极入口，其与阴极室连接，用于向阴极室内供给外部的阴极液；上部阴极出口，其与阴极室连接，用于向外部排出阴极室内的阴极液和氢气；以及下部阴极出口，其在比上部阴极出口靠下方的位置处与阴极室连接，用于向外部排出阴极室内的阴极液和水。
12.本发明的另一形态是有机氢化物制造方法。该有机氢化物制造方法包括如下步骤：向收容利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物的阴极电极的阴极室供给阴极液；以及从阴极室向外部排出阴极室内的阴极液和氢气，并且，在比该阴极液和氢气的排出位置靠下方的位置处向外部排出阴极室内的阴极液和水。。
13.以上的构成要素的任意的组合、将本公开的表述在方法、装置、系统等之间转换而成的形态作为本公开的形态也有效。
14.发明的效果
15.根据本发明，能够提高有机氢化物制造时的法拉第效率。
附图说明
16.图1是实施方式1的有机氢化物制造系统的示意图。
17.图2的(a)是表示阴极入口、上部阴极出口以及下部阴极出口的配置的一个例子的示意图。图2的(b)是表示阴极入口、上部阴极出口以及下部阴极出口的配置的另一个例子的示意图。
18.图3是实施方式2的有机氢化物制造系统的示意图。
19.图4的(a)是表示阴极入口、上部阴极出口以及下部阴极出口的配置的一个例子的示意图。图4的(b)是表示阴极入口、上部阴极出口以及下部阴极出口的配置的另一个例子的示意图。
具体实施方式
20.以下，基于优选的实施方式，一边参照附图，一边说明本发明。实施方式并不用于限定发明，其是例示，实施方式所叙述的全部的特征及其组合未必限于是发明的本质性的特征。设为对各附图所示的同一或同等的构成要素、构件、处理标注相同的附图标记，适当省略重复的说明。另外，各图所示的各部的比例尺、形状是为了容易说明而出于方便设定的，只要没有特别提及，并不限定性地解释。另外，当在本说明书或权利要求中使用“第1”、“第2”等用语的情况下，该用语不是用于表示任何顺序、重要性，而是用于区别某结构与其他结构。另外，在各附图中省略在说明实施方式上并不重要的部分构件来表示。
21.(实施方式1)
22.图1是实施方式1的有机氢化物制造系统1的示意图。有机氢化物制造系统1具备有机氢化物制造装置2、电源4、阳极液供给装置6、阴极液供给装置8以及控制装置10作为主要的结构。
23.有机氢化物制造装置2是利用电化学还原反应使作为有机氢化物的脱氢化体的被氢化物氢化而生成有机氢化物的电解槽。有机氢化物制造装置2具有阳极电极12、阴极电极14、阳极室16、阴极室18以及隔膜20。在图1中仅图示有1个有机氢化物制造装置2，但有机氢化物制造系统1也可以具备多个有机氢化物制造装置2。在该情况下，各有机氢化物制造装置2例如以阳极室16与阴极室18的排列相同的方式朝向一致地层叠。由此，各有机氢化物制造装置2电气串联连接。此外，各有机氢化物制造装置2既可以并联连接，也可以组合串联连接和并联连接。
24.阳极电极12(阳极)使阳极液中的水氧化而生成质子。阳极电极12例如具有铱(ir)、钌(ru)、铂(pt)等金属、或它们的金属氧化物作为阳极催化剂。阳极催化剂也可以分散承载或涂敷于具有电子传导性的基材。基材例如由以钛(ti)、不锈钢(sus)等金属为主成分的材料构成。另外，作为基材的形态，可例示机织布、无纺布的片材、网状物、多孔性的烧结体、发泡成型体(泡沫)、扩张金属网等。
25.阴极电极14(阴极)利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物。本实施方式的阴极电极14具有催化剂层14a和扩散层14b。催化剂层14a配置于比扩散层14b靠隔膜20侧的位置。本实施方式的催化剂层14a与隔膜20的主表面接触。催化剂层14a例如含有
铂、钌等作为使被氢化物氢化的阴极催化剂。另外，优选的是，催化剂层14a含有用于承载阴极催化剂的多孔质的催化剂载体。催化剂载体例如由多孔性碳、多孔性金属、多孔性金属氧化物等电子传导性材料形成。
26.另外，阴极催化剂由离聚物(阳离子交换型的离聚物)包覆。例如，处于承载有阴极催化剂的状态的催化剂载体由离聚物包覆。作为离聚物，可例示例如nafion(注册商标)、flemion(注册商标)等全氟磺酸聚合物等。此外，离聚物优选局部地包覆阴极催化剂。由此，能够向反应场高效地供给催化剂层14a中的电化学反应所需要的三要素(被氢化物、质子、电子)。
27.扩散层14b使从外部供给的液状的被氢化物向催化剂层14a均匀地扩散。另外，在催化剂层14a生成的有机氢化物经由扩散层14b向阴极电极14的外部排出。本实施方式的扩散层14b同催化剂层14a的与隔膜20相反的一侧的主表面接触。扩散层14b由碳、金属等导电性材料形成。另外，扩散层14b是纤维或者颗粒的烧结体、发泡成形体这样的多孔体。作为形成扩散层14b的材料的具体例，可列举出碳的机织布(碳布)、碳的无纺布、碳纸等。
28.阳极电极12收容于阳极室16。阳极室16例如由隔膜20、板部22a以及衬垫24a划分。在有机氢化物制造系统1仅具备1个有机氢化物制造装置2的情况下，板部22a能相当于所谓的端板。在有机氢化物制造系统1具备多个有机氢化物制造装置2，且在板部22a的旁边排列有有机氢化物制造装置2的情况下，板部22a能相当于所谓的分隔件。
29.板部22a例如是由不锈钢、钛等金属形成的板材。板部22a设置于阳极电极12的与隔膜20相反的一侧，构成阳极室16的一部分。作为一个例子的板部22a在划分阳极室16的面、也就是说朝向阳极电极12侧的主表面具有槽状的流路。向阳极室16供给的阳极液经由该流路向阳极电极12供给，并经由该流路从阳极室16排出。衬垫24a是配置于隔膜20与板部22a之间的框状的密封件。阳极室16中的除了阳极电极12之外的空间构成阳极液的流路。
30.有机氢化物制造装置2具备与阳极室16连接的阳极入口26和阳极出口28。阳极入口26是用于向阳极室16内供给外部的阳极液的开口。阳极出口28是用于向外部排出阳极室16内的阳极液的开口。阳极入口26和阳极出口28例如设置于板部22a。阳极入口26配置于比阳极出口28靠下方的位置。在本实施方式中，在阳极室16的底面设置有阳极入口26，在阳极室16的顶面设置有阳极出口28。阳极入口26和阳极出口28在从铅垂方向看来既可以重叠，也可以不重叠。
31.阴极电极14收容于阴极室18。阴极室18例如由隔膜20、板部22b以及衬垫24b划分。板部22b与板部22a同样地能相当于端板或分隔件。板部22b例如是由不锈钢、钛等金属形成的板材。板部22b设置于阴极电极14的与隔膜20相反的一侧，构成阴极室18的一部分。作为一个例子的板部22b在划分阴极室18的面、也就是说朝向阴极电极14侧的主表面具有槽状的流路。向阴极室18供给的阴极液经由该流路向阴极电极14供给，并经由该流路从阴极室18排出。衬垫24b是配置于隔膜20与板部22b之间的框状的密封件。阴极室18中的除了阴极电极14之外的空间构成阴极液的流路。
32.有机氢化物制造装置2具备与阴极室18连接的阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34。阴极入口30是用于向阴极室18内供给外部的阴极液的开口。上部阴极出口32是用于向外部排出阴极室18内的阴极液和后述的氢气的开口。下部阴极出口34是用于向外部排出阴极室18内的阴极液和后述的水的开口。阴极入口30、上部阴极出口32以及下
部阴极出口34例如设置于板部22b。之后详细地说明阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的配置、功能。此外，在图1中，示意性地表示阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的位置。
33.阳极室16和阴极室18由隔膜20分隔。隔膜20由阳极电极12和阴极电极14夹持。本实施方式的隔膜20由具有质子传导性的固体高分子形电解质膜构成，使质子从阳极室16侧向阴极室18侧移动。固体高分子形电解质膜只要是质子传导的材料，就没有特别限定，例如，可列举出具有磺酸基的氟系离子交换膜。
34.利用阳极液供给装置6向阳极室16供给阳极液。阳极液含有用于向阳极电极12供给的水。作为阳极液，可例示硫酸水溶液、硝酸水溶液、盐酸水溶液、纯水、离子交换水等。
35.利用阴极液供给装置8向阴极室18供给阴极液。阴极液含有用于向阴极电极14供给的有机氢化物原料(被氢化物)。作为一个例子，阴极液在有机氢化物制造系统1的运转开始前不含有有机氢化物，在运转开始后混入利用电解而生成的有机氢化物，从而成为被氢化物与有机氢化物的混合液。被氢化物和有机氢化物优选在20℃、1个大气压下时是液体。
36.在本实施方式中所使用的被氢化物和有机氢化物只要是能够通过可逆地发生氢化反应/脱氢反应来添加/脱离氢的有机化合物，就没有特别限定。作为被氢化物和有机氢化物，能够广泛使用丙酮-异丙醇系、苯醌-对苯二酚系、芳香族烃系等。其中，出于能量输送时的运输性等观点考虑，优选芳香族烃系。
37.用作被氢化物的芳香族烃化合物是含有至少一个芳香环的化合物。作为芳香族烃化合物，例如，可列举出苯、烷基苯、萘、烷基萘、蒽、二苯基乙烷等。在烷基苯中包含芳香环的1～4个氢原子由碳数1～6的直链烷基或分支烷基取代而成的化合物。作为这样的化合物，可列举出例如甲苯、二甲苯、均三甲苯、乙苯、二乙苯等。在烷基萘中包括芳香环的1～4个氢原子由碳数1～6的直链烷基或分支烷基取代而成的化合物。作为这样的化合物，可列举出例如甲基萘等。这些既可以单独使用，也可以组合使用。
38.被氢化物优选是甲苯和苯中的至少一个。此外，吡啶、嘧啶、吡嗪、喹啉、异喹啉、n-烷基吡咯、n-烷基吲哚、n-烷基二苯并吡咯等含氮杂环式芳香族化合物也能够用作被氢化物。有机氢化物是使上述的被氢化物氢化而成的物质，可例示环己烷、甲基环己烷、二甲基环己烷、哌啶等。
39.在有机氢化物制造装置2中，在使用了甲苯(tl)作为被氢化物的一个例子的情况下发生的反应如以下这样。在使用甲苯作为被氢化物的情况下，获得的有机氢化物是甲基环己烷(mch)。
40.＜阳极电极处的电极反应＞
41.3h2o
→
3/2o2+6h
+
+6e-42.＜阴极电极处的电极反应＞
43.tl+6h
+
+6e-→
mch
44.即、阳极电极12处的电极反应与阴极电极14处的电极反应并行地进行。由于阳极电极12处的水的电解而产生的质子经由隔膜20向阴极电极14供给。另外，由于水的电解所产生的电子经由板部22a、外部电路以及板部22b向阴极电极14供给。供给到阴极电极14的质子和电子在阴极电极14处用于甲苯的氢化。由此，生成甲基环己烷。
45.因而，根据本实施方式的有机氢化物制造系统1，能够以1个步骤进行水的电解和
被氢化物的氢化反应。因此，与利用由水电解等制造氢的工艺和利用工厂等的反应器使被氢化物化学氢化的工艺这两级工艺来制造有机氢化物的现有技术相比，能够提高有机氢化物的制造效率。另外，无需进行化学氢化的反应器、用于积存由水电解等制造的氢的高压容器等，因此，能够谋求设备成本的大幅的降低。
46.在阴极电极14处，存在与作为主反应的被氢化物的氢化反应一起发生以下所示的氢气的产生反应作为副反应的情况。随着向催化剂层14a的被氢化物的供给量不足而易于产生该副反应。
47.＜在阴极电极处可能产生的副反应＞
48.2h
+
+2e-→
h249.另外，质子在经由隔膜20从阳极室16侧向阴极室18侧移动之际，随着水分子移动。因而，随着电解还原反应的进行，水积存于阴极室18。
50.电源4是向有机氢化物制造装置2供给电力的直流电源。若从电源4向有机氢化物制造装置2供给电力，则对有机氢化物制造装置2的阳极电极12与阴极电极14之间施加预定的电解电压，电解电流流动。电源4从供电装置36接受供电而向有机氢化物制造装置2供给电力。供电装置36能够由利用可再生能量进行发电的发电装置、例如风力发电装置、太阳能发电装置等构成。此外，供电装置36并不限定于利用可再生能量的发电装置，既可以是系统电源，也可以是对来自可再生能量发电装置、系统电源的电力进行蓄电的蓄电装置等。另外，也可以是它们的两个以上的组合。
51.阳极液供给装置6向阳极室16供给阳极液。阳极液供给装置6具有阳极液罐38、气液分离部40、第1阳极配管42、第2阳极配管44、第3阳极配管46、第1阳极泵48以及第2阳极泵50。气液分离部40能够由公知的气液分离槽构成。第1阳极泵48和第2阳极泵50例如能够由齿轮泵、缸泵等公知的泵构成。此外，阳极液供给装置6也可以使用除了泵以外的供液装置来使阳极液流通。
52.向阳极室16供给的阳极液积存于阳极液罐38。阳极液罐38利用第1阳极配管42与阳极室16连接。第1阳极配管42的一端侧与阳极液罐38连接，另一端侧与阳极入口26连接。在第1阳极配管42的中途设置有第1阳极泵48。气液分离部40利用第2阳极配管44与阳极室16连接。第2阳极配管44的一端侧与阳极出口28连接，另一端侧与气液分离部40连接。另外，气液分离部40利用第3阳极配管46与阳极液罐38连接。在第3阳极配管46的中途设置有第2阳极泵50。
53.阳极液罐38中的阳极液由于第1阳极泵48的驱动而经由第1阳极配管42从阳极入口26流入阳极室16。阳极液以上升流的方式向阳极室16供给，用于阳极电极12处的电极反应。阳极室16内的阳极液从阳极出口28排出而经由第2阳极配管44流入气液分离部40。在阳极电极12处由于电极反应而产生氧气。因此，在从阳极室16排出的阳极液中混入有氧气。气液分离部40使阳极液中的氧气从阳极液分离而向系统外排出。分离了氧气的阳极液由于第2阳极泵50的驱动而经由第3阳极配管46返回阳极液罐38。
54.本实施方式的阳极液供给装置6使阳极液在阳极室16与阳极液罐38之间循环。然而，并不限定于该结构，也可以是不使阳极液返回阳极液罐38而是从阳极室16向系统外输送的结构。
55.阴极液供给装置8向阴极室18供给阴极液。阴极液供给装置8具有阴极液罐52、气
液分离部54、油水分离部56、第1阴极配管58～第6阴极配管68、第1阴极泵70～第5阴极泵78以及第1开闭阀80～第2开闭阀82。气液分离部54能够由公知的气液分离槽构成。油水分离部56能够由公知的油水分离槽构成。第1阴极泵70～第5阴极泵78例如能够由齿轮泵、缸泵等公知的泵构成。此外，阴极液供给装置8也可以使用除了泵以外的供液装置来使阴极液流通。第1开闭阀80和第2开闭阀82能够由电磁阀、空气驱动阀等公知的阀构成。
56.向阴极室18供给的阴极液积存于阴极液罐52。阴极液罐52利用第1阴极配管58与阴极室18连接。第1阴极配管58的一端侧与阴极液罐52连接，另一端侧与阴极入口30连接。在第1阴极配管58的中途设置有第1阴极泵70和第1开闭阀80。第1阴极泵70配置于比第1开闭阀80靠阴极室18侧的位置。气液分离部54利用第2阴极配管60与阴极室18连接。第2阴极配管60的一端侧与上部阴极出口32连接，另一端侧与气液分离部54连接。
57.油水分离部56利用第3阴极配管62与气液分离部54连接。在第3阴极配管62的中途设置有第2阴极泵72和第2开闭阀82。第2阴极泵72配置于比第2开闭阀82靠气液分离部54侧的位置。另外，油水分离部56利用第4阴极配管64与阴极室18连接。第4阴极配管64的一端侧与下部阴极出口34连接，另一端侧与油水分离部56连接。在第4阴极配管64的中途设置有第3阴极泵74。在本实施方式中，第4阴极配管64的另一端侧与第3阴极配管62的比第2开闭阀82靠油水分离部56侧的区域连接，从而借助第3阴极配管62与油水分离部56连接。然而，并不限定于该结构，第4阴极配管64也可以直接与油水分离部56连接。
58.另外，油水分离部56利用第5阴极配管66与阴极液罐52连接。在第5阴极配管66的中途设置有第4阴极泵76。而且，第6阴极配管68与油水分离部56连接。第6阴极配管68的一端侧与油水分离部56连接，另一端侧与例如排水槽(未图示)连接。在第6阴极配管68的中途设置有第5阴极泵78。
59.阴极液罐52中的阴极液由于第1阴极泵70的驱动而经由第1阴极配管58从阴极入口30流入阴极室18。第1开闭阀80设为开状态，容许阴极液从阴极液罐52向阴极入口30的流通。阴极室18内的阴极液的一部分从上部阴极出口32向第2阴极配管60流出。另外，阴极室18内的阴极液的另一部从下部阴极出口34向第4阴极配管64流出。
60.下部阴极出口34配置于比上部阴极出口32靠下方的位置。另外，在本实施方式中，上部阴极出口32与阴极室18的比一半靠上方的区域连接，下部阴极出口34与阴极室18的比一半靠下方的区域连接。“比一半靠上方”是指比阴极室18的上端部与下端部之间的中间位置靠上侧，“比一半靠下方”是指比该中间位置靠下侧。更优选的是，上部阴极出口32与阴极室18的从上端起到阴极室18整体的1/4的区域连接，下部阴极出口34与从下端起到1/4的区域连接。
61.如上所述，存在在阴极电极14处由于副反应而产生氢气的情况。氢气的比重比阴极液的比重轻，因此，积存于阴极室18的上部。因而，从上部阴极出口32除了排出阴极液之外，还排出氢气。另外，水与质子一起从阳极电极12向阴极电极14移动。水的比重比阴极液的比重重，因此，积存于阴极室18的下部。因而，从下部阴极出口34除了排出阴极液之外，还排出水。
62.图2的(a)是表示阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的配置的一个例子的示意图。图2的(b)是表示阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的配置的另一个例子的示意图。
63.如图2的(a)所示，一个例子的板部22b在划分阴极室18的面具有上部槽84和下部槽86。上部槽84和下部槽86构成供阴极液流动的歧管。上部槽84和下部槽86沿左右延伸。另外，下部槽86配置于比上部槽84靠下方的位置。例如，上部槽84配置于阴极室18的比一半靠上方的区域，下部槽86配置于阴极室18的比一半靠下方的区域。
64.并且，阴极入口30和下部阴极出口34与下部槽86连接。例如，阴极入口30与下部槽86的一端连接，下部阴极出口34与下部槽86的另一端连接。另一方面，上部阴极出口32与上部槽84连接。例如，上部阴极出口32与上部槽84的距阴极入口30较远的那一侧的端部连接。因而，不仅下部阴极出口34，阴极入口30也配置于比上部阴极出口32靠下方的位置。此外，在图2的(a)所示的例子中，阴极入口30和下部阴极出口34从侧方与下部槽86连接。另外，上部阴极出口32从侧方与上部槽84连接。然而并不限于此，各入口和出口也可以从上方或者下方与各槽连接。
65.从阴极入口30供给到阴极室18内的阴极液在下部槽86内行进而在水平方向上扩散，并且，在阴极电极14内向上方移动。若通过了阴极电极14的阴极液到达上部槽84，则与氢气一起从上部阴极出口32向外部排出。另外，在下部槽86内流动的阴极液的一部分未通过阴极电极14，而是与水一起从下部阴极出口34向外部排出。
66.另外，如图2的(b)所示，另一个例子的板部22b具有配置于划分阴极室18的面的左右的第1槽88和第2槽90。第1槽88和第2槽90构成供阴极液流动的歧管。第1槽88和第2槽90沿上下延伸。例如，第1槽88配置于阴极室18的比一半靠右方的区域，第2槽90配置于阴极室18的比一半靠左方的区域。此外，也可以是，第1槽88配置于左方，第2槽90配置于右方。“比一半靠右方”是指比阴极室18的左端部与右端部之间的中间位置靠右侧，“比一半靠左方”是指比该中间位置靠左侧。更优选的是，第1槽88配置于从阴极室18的侧端起到阴极室18整体的1/4的区域，第2槽90配置于从侧端起到1/4的区域。
67.并且，阴极入口30与第1槽88连接。例如，阴极入口30与第1槽88的下端部连接。另一方面，上部阴极出口32和下部阴极出口34与第2槽90连接。例如，上部阴极出口32与第2槽90的上端部连接，下部阴极出口34与第2槽90的下端部连接。因而，不仅下部阴极出口34，阴极入口30也配置于比上部阴极出口32靠下方的位置。此外，在图2的(b)所示的例子中，阴极入口30从下方与第1槽88连接。另外，上部阴极出口32从上方与第2槽90连接，下部阴极出口34从下方与第2槽90连接。然而并不限于此，各入口和出口也可以从侧方与各槽连接。
68.从阴极入口30供给到阴极室18内的阴极液在第1槽88内行进而在铅垂方向上扩散，并且，在阴极电极14内从右侧向左侧移动。若通过了阴极电极14的阴极液到达第2槽90，则一部分与氢气一起从上部阴极出口32向外部排出。另外，另一部与水一起从下部阴极出口34向外部排出。
69.在图2的(a)所示的例子和图2的(b)所示的例子任一个中，第3阴极泵74均调节驱动量，以使从下部阴极出口34排出的阴极液的排出量(例如阴极液的流速)比从上部阴极出口32排出的阴极液的排出量少。由此，上部阴极出口32成为阴极液的主要的出口。在图2的(a)所示的例子中，使从下部阴极出口34排出的排出量比从上部阴极出口32排出的阴极液的排出量少，从而能够减少不经由阴极电极14就向阴极室18的外部排出的阴极液的量。另外，从配置到比上部阴极出口32靠下方的位置的阴极入口30供给阴极液，相比于从上部阴极出口32的排出，阴极液从下部阴极出口34的排出得到抑制，从而在阴极室18内形成有阴
极液的上升流。
70.本公开中的阴极液的“上升流”是指，使从位于下方的阴极入口30流入到阴极室18内的阴极液的一半以上从位于上方的上部阴极出口32排出。也就是说，“上升流”是指，使阴极液从阴极室18的下方流入，并且，使上部阴极出口32处的阴极液的流量(流速)比下部阴极出口34处的阴极液的流量大。因而，阴极室18内的阴极液的流路形状并没有限制。通电时的上部阴极出口32的流量f
up
与下部阴极出口34的流量f
down
的比率例如为f
up
：f
down
＝超过5：小于5～小于10：超过0。作为一个例子，由于第3阴极泵74的驱动量的调节，阴极液的九成从上部阴极出口32排出，剩余一成从下部阴极出口34排出。此外，从上部阴极出口32和下部阴极出口34排出的阴极液的比例并不限定于9：1，可基于实验、模拟等适当设定。
71.阴极液从阴极室18的排出既可以连续，也可以断续。例如，也可以是，在常态时，仅从上部阴极出口32排出阴极液，以预定的时间间隔执行阴极液从下部阴极出口34的排出。在从下部阴极出口34间歇地排出阴极液之际，既可以继续阴极液从上部阴极出口32的排出，也可以停止阴极液从上部阴极出口32的排出。不过，出于维持上升流稳定等观点考虑，优选的是，在从下部阴极出口34排出阴极液之际，即使少量(以例如上述比率中的f
up
成为3以上的方式)，也从上部阴极出口32排出阴极液。
72.另外，本公开中阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的位置由内端部的位置、即设置到阴极室18的内壁面的开口部的位置规定。因而，“下部阴极出口34配置于比上部阴极出口32靠下方的位置”是指，下部阴极出口34的内端部配置于比上部阴极出口32的内端部靠下方的位置。上部阴极出口32和下部阴极出口34从铅垂方向看来既可以重叠，也可以不重叠。本实施方式的阴极室18由隔膜20、板部22b以及衬垫24b划分。并且，阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34设置于板部22b。在该情况下，由于阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34而在板部22b的内壁面形成的开口部的位置成为各入口和出口的位置。
73.另外，在图2的(a)和图2的(b)中，各入口和出口呈直线状延伸。因而，下部阴极出口34的外端部、即与有机氢化物制造装置2的系统外连接的开口部也配置于比上部阴极出口32的外端部靠下方的位置。然而，各出口的外端部的位置并没有特别限定。例如，也可以是，上部阴极出口32在阴极室18外(例如板部22b的内部)向下方引绕等而上部阴极出口32的外端部位于与下部阴极出口34的外端部的高度位置相同的高度位置。
74.阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34也可以分别是多个。在有机氢化物制造装置2具有多个上部阴极出口32的情况下，多个上部阴极出口32也可以相互上下偏离。另外，在有机氢化物制造装置2具有多个下部阴极出口34的情况下，多个下部阴极出口34也可以相互上下偏离。在该情况下，一部分上部阴极出口32也能作为排出水的下部阴极出口34发挥功能。另外，一部分下部阴极出口34也能作为排出氢气的上部阴极出口32发挥功能。另外，也可以是，将上下排列的两个开口视作上部阴极出口32与下部阴极出口34的组合，而上下或左右排列有多个该组。另外，阴极入口30也可以同与上部阴极出口32、下部阴极出口34所连接的槽不同的槽连接。也就是说，也可以在板部22b设置阴极入口30专用的槽。另外，上部槽84、下部槽86、第1槽88以及第2槽90也可以分别是多个。
75.如图1所示，从上部阴极出口32排出的阴极液和氢气经由第2阴极配管60流入气液分离部54。气液分离部54使阴极液中的氢气从阴极液分离而向系统外排出。分离了氢气的
阴极液由于第2阴极泵72的驱动而经由第3阴极配管62流入油水分离部56。第2开闭阀82设为开状态，容许阴极液从气液分离部54向油水分离部56的流通。
76.从下部阴极出口34排出的阴极液和水由于第3阴极泵74的驱动而经由第4阴极配管64流入油水分离部56。在阴极室18内形成有阴极液的上升流，从下部阴极出口34排出的阴极液的量比从上部阴极出口32排出的阴极液的量少。因此，在从下部阴极出口34排出的阴极液中未混入氢气或者即使混入有氢气也是极少量的可能性较高。因此，能够使从下部阴极出口34排出的阴极液不经由气液分离部54地向油水分离部56输送。此外，也可以将第4阴极配管64与气液分离部54连接而使从下部阴极出口34排出的阴极液向气液分离部54流通。
77.油水分离部56使阴极液中的水从阴极液分离。所分离的水由于第5阴极泵78的驱动而经由第6阴极配管68向排水槽排出。分离了水的阴极液由于第4阴极泵76的驱动而经由第5阴极配管66返回阴极液罐52。此外，阴极液罐52也可以兼备油水分离部56的功能。
78.本实施方式的阴极液供给装置8使阴极液在阴极室18与阴极液罐52之间循环。然而，并不限定于该结构，也可以是不使阴极液返回阴极液罐52而是从阴极室18向系统外输送的结构。
79.控制装置10控制从电源4向有机氢化物制造装置2的电力的供给。另外，控制装置10控制阳极液供给装置6和阴极液供给装置8。具体而言，控制装置10控制各阳极泵和各阴极泵的驱动。另外，控制装置10控制第1开闭阀80和第2开闭阀82的开闭。对于控制装置10，作为硬件结构，由以计算机的cpu、存储器为首的元件、电路实现，作为软件结构，由计算机程序等实现，在图1中，描述为通过它们的协作实现的功能模块。本领域技术人员当然能理解该功能模块能够利用硬件和软件的组合以各种形式实现。
80.如以上进行了说明这样，本实施方式的有机氢化物制造装置2具备：阴极室18，其收容用于生成有机氢化物的阴极电极14；阴极入口30，其与阴极室18连接，用于向阴极室18内供给外部的阴极液；上部阴极出口32，其与阴极室18连接，用于向外部排出阴极室18内的阴极液和氢气；以及下部阴极出口34，其在比上部阴极出口32靠下方的位置处与阴极室18连接，用于向外部排出阴极室18内的阴极液和水。
81.存在如下情况：在阴极电极14处发生被氢化物的氢化反应作为主反应，并且，发生氢产生反应作为副反应。副反应的产生导致有机氢化物制造时的法拉第效率的降低。另外，质子随着水从阳极电极12侧向阴极电极14侧移动，因此，水积存于阴极室18。水阻碍被氢化物的流动。因此，若大量的水积存于阴极室18，则被氢化物向催化剂层14a的反应场的供给量减少，易于进行副反应。另外，副反应产生的氢气也阻碍被氢化物的流动。因此，由于副反应产生的氢气而易于进一步发生副反应。因而，期望的是从阴极室18排出滞留于阴极室18内的氢气和水。
82.氢气的比重比被氢化物、有机氢化物的比重轻。另一方面，水的比重比被氢化物、有机氢化物的比重重。因而，在上方和下方各设置有一个开口部的阴极室18中，在形成有阴极液从下方的开口部供给而从上方的开口部排出的流动、也就是说阴极液的上升流的情况下，氢气易于从阴极室18排出。然而，水难以从阴极室18排出，积存于阴极室18的底部。相反，在形成有阴极液从上方的开口部供给而从下方的开口部排出的流动、也就是说阴极液的下降流的情况下，水易于从阴极室18排出。然而，氢气难以从阴极室18排出，积存于阴极
室18的上部。
83.若氢气积存于阴极室18，则阴极室18的内压上升而有可能发生阴极液的泄漏。因此，在具备在上方和下方各设置有一个开口部的阴极室18的以往的有机氢化物制造装置中，将重点置于氢气的排出而始终以上升流的方式向阴极室18供给了阴极液。并且，针对积存于阴极室18的水未实施充分的对策。
84.然而，为了提高有机氢化物制造时的法拉第效率，积存于阴极室18的水是无法忽视的课题。相对于此，本实施方式的有机氢化物制造装置2具备：上部阴极出口32，其用于向外部排出阴极室18内的阴极液和氢气；和下部阴极出口34，其配置于比上部阴极出口32靠下方的位置，用于向外部排出阴极室18内的阴极液和水。由此，能够同时实现已积存到阴极室18的上部的氢气的排出和已积存到阴极室18的底部的水的排出。因而，根据本实施方式的有机氢化物制造装置2，能够抑制阴极电极14处的副反应的产生，能够更加提高法拉第效率。
85.尤其是，被氢化物和有机氢化物向水的溶解度越低，从下部阴极出口34的排水越有效。例如，在被氢化物和有机氢化物中的至少一者向水的溶解度优选是3g/100ml以下，更优选是2g/100ml以下的情况下，从下部阴极出口34的排水更加发挥效果。作为可期待从下部阴极出口34的排水的效果的被氢化物和有机氢化物，可例示苯(0.18g/100ml h2o)和环己烷(0.36g/100ml h2o)、甲苯(0.05g/100ml h2o)和甲基环己烷(1.6g/100ml h2o)、萘(0.003g/100ml h2o)和十氢萘(0.001g/100ml h2o)等。
86.另外，本实施方式的上部阴极出口32与阴极室18的比一半靠上方的区域连接。下部阴极出口34与阴极室18的比一半靠下方的区域连接。由此，能够更易于从上部阴极出口32排出氢气，更易于从下部阴极出口34排出水。因而，能够更加提高有机氢化物制造时的法拉第效率。
87.(实施方式2)
88.实施方式2除了阴极液供给装置8的构造的一部分和阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的配置之外，具有与实施方式1的结构大致通用的结构。以下，以与实施方式1的结构不同的结构为中心而对本实施方式进行说明，对于通用的结构，简单地说明或者省略说明。
89.图3是实施方式2的有机氢化物制造系统1的示意图。在本实施方式中，第4阴极配管64的连接目标与实施方式1不同。也就是说，在实施方式1中，第4阴极配管64的一端侧与下部阴极出口34连接，另一端侧与油水分离部56连接。另一方面，在本实施方式中，第4阴极配管64的一端侧与下部阴极出口34连接，另一端侧与气液分离部54连接。
90.图4的(a)是表示阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的配置的一个例子的示意图。图4的(b)是表示阴极入口30、上部阴极出口32以及下部阴极出口34的配置的另一个例子的示意图。在本实施方式中，阴极入口30的配置与实施方式1不同。也就是说，在实施方式1中，阴极入口30与阴极室18的下方连接。另一方面，在本实施方式中，阴极入口30与阴极室18的上方连接。
91.如图4的(a)所示，一个例子的板部22b在划分阴极室18的面具有上部槽84和下部槽86。上部槽84和下部槽86沿左右延伸。另外，下部槽86配置于比上部槽84靠下方的位置。例如，上部槽84配置于阴极室18的比一半靠上方的区域，下部槽86配置于阴极室18的比一
半靠下方的区域。
92.并且，阴极入口30和上部阴极出口32与上部槽84连接。例如，阴极入口30与上部槽84的一端连接，上部阴极出口32与上部槽84的另一端连接。另一方面，下部阴极出口34与下部槽86连接。例如，下部阴极出口34与下部槽86的距阴极入口30较远的那一侧的端部连接。此外，在图4的(a)所示的例子中，各入口和出口从侧方与各槽连接。然而并不限于此，各入口和出口也可以从上方或者下方与各槽连接。
93.从阴极入口30供给到阴极室18内的阴极液在上部槽84内行进而在水平方向上扩散，并且，在阴极电极14内向下方移动。若通过了阴极电极14的阴极液到达下部槽86，则与水一起从下部阴极出口34向外部排出。另外，在上部槽84内流动的阴极液的一部分不通过阴极电极14，而是与氢气一起从上部阴极出口32向外部排出。
94.另外，如图4的(b)所示，另一个例子的板部22b具有配置于划分阴极室18的面的左右的第1槽88和第2槽90。第1槽88和第2槽90沿上下延伸。例如，第1槽88配置于阴极室18的比一半靠右方的区域，第2槽90配置于阴极室18的比一半靠左方的区域。此外，也可以是，第1槽88配置于左方，第2槽90配置于右方。
95.并且，阴极入口30与第1槽88连接。例如，阴极入口30与第1槽88的上端部连接。另一方面，上部阴极出口32和下部阴极出口34与第2槽90连接。例如，上部阴极出口32与第2槽90的上端部连接，下部阴极出口34与第2槽90的下端部连接。此外，在图4的(b)所示的例子中，各入口和出口从上方或者下方与各槽连接。然而并不限于此，各入口和出口也可以从侧方与各槽连接。
96.从阴极入口30供给到阴极室18内的阴极液在第1槽88内行进而在铅垂方向上扩散，并且，在阴极电极14内从右侧向左侧移动。若通过了阴极电极14的阴极液到达第2槽90，则一部分与氢气一起从上部阴极出口32向外部排出。另外，另一部与水一起从下部阴极出口34向外部排出。
97.在图4的(a)所示的例子和图4的(b)所示的例子任一个中，第3阴极泵74均调节驱动量，以使从下部阴极出口34排出的阴极液的排出量(例如阴极液的流速)比从上部阴极出口32排出的阴极液的排出量多。由此，下部阴极出口34成为阴极液的主要的出口。在图4的(a)所示的例子中，使从上部阴极出口32排出的阴极液的排出量比从下部阴极出口34排出的排出量少，从而能够减少不经由阴极电极14就向阴极室18的外部排出的阴极液的量。另外，从配置到比下部阴极出口34靠上方的位置的阴极入口30供给阴极液，相比于从上部阴极出口32的排出，阴极液从下部阴极出口34的排出被促进，从而在阴极室18内形成有阴极液的下降流。
98.本公开中的阴极液的“下降流”是指，使从位于上方的阴极入口30流入到阴极室18内的阴极液的一半以上从位于下方的下部阴极出口34排出。也就是说，“下降流”是指，使阴极液从阴极室18的上方流入，并且，使下部阴极出口34处的阴极液的流量(流速)比上部阴极出口32处的阴极液的流量大。因而，阴极室18内的阴极液的流路形状并没有限制。通电时的上部阴极出口32的流量f
up
与下部阴极出口34的流量f
down
的比率例如为f
up
：f
down
＝超过0：小于10～小于5：超过5。此外，从上部阴极出口32和下部阴极出口34排出的阴极液的比例可基于实验、模拟等适当设定。
99.阴极液从阴极室18的排出既可以连续，也可以断续。例如，也可以是，在常态时，仅
从下部阴极出口34排出阴极液，以预定的时间间隔执行阴极液从上部阴极出口32的排出。在从上部阴极出口32间歇地排出阴极液之际，既可以继续阴极液从下部阴极出口34的排出，也可以停止阴极液从下部阴极出口34的排出。不过，出于维持下降流稳定等观点考虑，优选的是，在从上部阴极出口32排出阴极液之际，即使少量(以例如上述比率f
down
成为3以上的方式)，也从下部阴极出口34排出阴极液。
100.如图3所示，从上部阴极出口32排出的阴极液和氢气经由第2阴极配管60流入气液分离部54。气液分离部54使阴极液中的氢气从阴极液分离而向系统外排出。分离了氢气的阴极液经由第3阴极配管62流入油水分离部56。
101.从下部阴极出口34排出的阴极液和水由于第3阴极泵74的驱动而经由第4阴极配管64流入气液分离部54。阴极液在利用气液分离部54去除了氢气之后经由第3阴极配管62流入油水分离部56。在阴极室18内形成有阴极液的下降流，从下部阴极出口34排出的阴极液的量比从上部阴极出口32排出的阴极液的量多。因此，在从下部阴极出口34排出的阴极液中易于混入氢气。因而，在本实施方式中，在使从下部阴极出口34排出的阴极液向气液分离部54流通了之后向油水分离部56输送。此外，在根据有机氢化物制造系统1的设计等而阴极室18中的氢气的产生量较少，因此从下部阴极出口34排出氢气的可能性较低的情况下，也可以与实施方式1同样地使从下部阴极出口34排出的阴极液不经由气液分离部54地向油水分离部56输送。
102.油水分离部56使阴极液中的水从阴极液分离。所分离的水经由第6阴极配管68向排水槽排出。分离了水的阴极液经由第5阴极配管66返回阴极液罐52。根据本实施方式的有机氢化物制造装置2，也能够起到与实施方式1的有机氢化物制造装置2的效果同样的效果。
103.以上，详细地说明了本发明的实施方式。前述的实施方式只不过用于表示实施本发明时的具体例。实施方式的内容并不用于限定本发明的保护范围，在不脱离权利要求书所规定的发明的思想的范围内，可进行构成要素的变更、追加、删除等很多设计变更。施加设计变更而成的新的实施方式也一并具有所组合的实施方式和变形各自的效果。在前述的实施方式中，对于可进行这样的设计变更的内容，带有“本实施方式的”、“在本实施方式中”等记述而加以强调，但在没有这样的记述的内容中也容许设计变更。以上的构成要素的任意的组合作为本发明的形态也是有效的。
104.实施方式也可以由以下记载的项目确定。
105.[项目1]
[0106]
一种有机氢化物制造装置(2)，其中，
[0107]
该有机氢化物制造装置(2)具备：
[0108]
阴极室(18)，其收容阴极电极(14)，该阴极电极(14)利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物；
[0109]
阴极入口(30)，其与阴极室(18)连接，用于向阴极室(18)内供给外部的阴极液；
[0110]
上部阴极出口(32)，其与阴极室(18)连接，用于向外部排出阴极室(18)内的阴极液和氢气；以及
[0111]
下部阴极出口(34)，其在比上部阴极出口(32)靠下方的位置处与阴极室(18)连接，用于向外部排出阴极室(18)内的阴极液和水。
[0112]
[项目2]
[0113]
根据项目1所述的有机氢化物制造装置(2)，其中，
[0114]
上部阴极出口(32)与阴极室(18)的比一半靠上方的区域连接，
[0115]
下部阴极出口(34)与阴极室(18)的比一半靠下方的区域连接。
[0116]
[项目3]
[0117]
根据项目1或2所述的有机氢化物制造装置(2)，其中，
[0118]
有机氢化物制造装置(2)具备板部(22b)，该板部(22b)具有划分阴极室(18)的面，
[0119]
板部(22b)在该面具有上部槽(84)和配置于比上部槽(84)靠下方的位置的下部槽(86)，
[0120]
阴极入口(30)和下部阴极出口(34)与下部槽(86)连接，
[0121]
上部阴极出口(32)与上部槽(84)连接。
[0122]
[项目4]
[0123]
根据项目1或2所述的有机氢化物制造装置(2)，其中，
[0124]
有机氢化物制造装置(2)具备板部(22b)，该板部(22b)具有划分阴极室(18)的面，
[0125]
板部(22b)在该面具有上部槽(84)和配置于比上部槽(84)靠下方的下部槽(86)，
[0126]
阴极入口(30)和上部阴极出口(32)与上部槽(84)连接，
[0127]
下部阴极出口(34)与下部槽(86)连接。
[0128]
[项目5]
[0129]
根据项目1或2所述的有机氢化物制造装置(2)，其中，
[0130]
有机氢化物制造装置(2)具备板部(22b)，该板部(22b)具有划分阴极室(18)的面，
[0131]
板部(22b)具有配置于该面的左右且沿上下延伸的第1槽(88)和第2槽(90)，
[0132]
阴极入口(30)与第1槽(88)连接，
[0133]
上部阴极出口(32)和下部阴极出口(34)与第2槽(90)连接。
[0134]
[项目6]
[0135]
一种有机氢化物制造方法，其包括如下步骤：
[0136]
向收容利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物的阴极电极(14)的阴极室(18)供给阴极液；以及
[0137]
从阴极室(18)向外部排出阴极室(18)内的阴极液和氢气，并且，在比该阴极液和氢气的排出位置靠下方的位置处向外部排出阴极室(18)内的阴极液和水。
[0138]
产业上的可利用性
[0139]
本发明能够利用于有机氢化物制造装置和有机氢化物制造方法。
[0140]
附图标记说明
[0141]
2、有机氢化物制造装置；14、阴极电极；18、阴极室；22b、板部；30、阴极入口；32、上部阴极出口；34、下部阴极出口；84、上部槽；86、下部槽；88、第1槽；90、第2槽。

技术特征：
1.一种有机氢化物制造装置，其中，该有机氢化物制造装置具备：阴极室，其收容阴极电极，该阴极电极利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物；阴极入口，其与所述阴极室连接，用于向所述阴极室内供给外部的所述阴极液；上部阴极出口，其与所述阴极室连接，用于向外部排出所述阴极室内的所述阴极液和氢气；以及下部阴极出口，其在比所述上部阴极出口靠下方的位置处与所述阴极室连接，用于向外部排出所述阴极室内的所述阴极液和水。2.根据权利要求1所述的有机氢化物制造装置，其中，所述上部阴极出口与所述阴极室的比一半靠上方的区域连接，所述下部阴极出口与所述阴极室的比一半靠下方的区域连接。3.根据权利要求1或2所述的有机氢化物制造装置，其中，所述有机氢化物制造装置具备板部，所述板部具有划分所述阴极室的面，所述板部在所述面具有上部槽和配置于比所述上部槽靠下方的位置的下部槽，所述阴极入口和所述下部阴极出口与所述下部槽连接，所述上部阴极出口与所述上部槽连接。4.根据权利要求1或2所述的有机氢化物制造装置，其中，所述有机氢化物制造装置具备板部，所述板部具有划分所述阴极室的面，所述板部在所述面具有上部槽和配置于比所述上部槽靠下方的位置的下部槽，所述阴极入口和所述上部阴极出口与所述上部槽连接，所述下部阴极出口与所述下部槽连接。5.根据权利要求1或2所述的有机氢化物制造装置，其中，所述有机氢化物制造装置具备板部，所述板部具有划分所述阴极室的面，所述板部具有配置于所述面的左右且沿上下延伸的第1槽和第2槽，所述阴极入口与所述第1槽连接，所述上部阴极出口和所述下部阴极出口与所述第2槽连接。6.一种有机氢化物制造方法，其包括如下步骤：向收容利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物的阴极电极的阴极室供给所述阴极液；以及从所述阴极室向外部排出所述阴极室内的所述阴极液和氢气，并且，在比该阴极液和氢气的排出位置靠下方的位置处向外部排出所述阴极室内的所述阴极液和水。

技术总结
有机氢化物制造装置(2)具备：阴极室(18)，其收容利用质子使阴极液中的被氢化物氢化而生成有机氢化物的阴极电极(14)；阴极入口(30)，其与阴极室(18)连接，用于向阴极室(18)内供给外部的阴极液；上部阴极出口(32)，其与阴极室(18)连接，用于向外部排出阴极室(18)内的阴极液和氢气；以及下部阴极出口(34)，其在比上部阴极出口(32)靠下方的位置处与阴极室(18)连接，用于向外部排出阴极室(18)内的阴极液和水。液和水。液和水。


技术研发人员：高村徹 井手浩平 木户口聪 松冈孝司
受保护的技术使用者：引能仕株式会社
技术研发日：2022.01.24
技术公布日：2023/10/8