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公開番号2025039759
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-21
出願番号2025003391,2021575848
出願日2025-01-09,2021-02-04
発明の名称触媒層付きイオン交換膜、イオン交換膜および電解水素化装置
出願人AGC株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類C25B 13/08 20060101AFI20250313BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】芳香族化合物の電解水素化の際に、電解電圧を低くでき、かつ、電流効率を高くできる触媒層付きイオン交換膜、イオン交換膜、および、電解水素化装置の提供。
【解決手段】本発明の触媒層付きイオン交換膜は、無機物粒子およびバインダーを含む無機物粒子層と、スルホン酸型官能基を有する第1含フッ素ポリマーを含む層(Sa)と、スルホン酸型官能基を有する第2含フッ素ポリマーを含む層(Sb)と、触媒層と、をこの順に有し、上記第1含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、上記第2含フッ素ポリマーのイオン交換容量よりも低い。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
無機物粒子およびバインダーを含む無機物粒子層と、
スルホン酸型官能基を有する第１含フッ素ポリマーを含む層（Ｓａ）と、
スルホン酸型官能基を有する第２含フッ素ポリマーを含む層（Ｓｂ）と、
触媒層と、をこの順に有し、
前記第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、前記第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量よりも低い、触媒層付きイオン交換膜。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記層（Ｓａ）における前記無機物粒子層側の界面に凹凸構造を有する、請求項１に記載の触媒層付きイオン交換膜。
【請求項３】
さらに、補強糸を含む補強材を有する、請求項１または２に記載の触媒層付きイオン交換膜。
【請求項４】
前記第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、０．５～１．１ミリ当量／グラム乾燥樹脂である、請求項１～３のいずれか１項に記載の触媒層付きイオン交換膜。
【請求項５】
前記第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、０．７～２．０ミリ当量／グラム乾燥樹脂である、請求項１～４のいずれか１項に記載の触媒層付きイオン交換膜。
【請求項６】
前記スルホン酸型官能基を有する第１含フッ素ポリマーが、含フッ素オレフィンに基づく単位、ならびに、スルホン酸型官能基およびフッ素原子を有する単位を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の触媒層付きイオン交換膜。
【請求項７】
前記含フッ素オレフィンがテトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニルまたはヘキサフルオロプロピレンである、請求項６に記載の触媒層付きイオン交換膜。
【請求項８】
前記スルホン酸型官能基およびフッ素原子を有する単位が、式（１）で表される単位である、請求項６または７に記載の触媒層付きイオン交換膜。
式（１）－［ＣＦ
２
－ＣＦ（－Ｌ－（ＳＯ
３
Ｍ）
ｎ
）］－
式中Ｌは、エーテル性酸素原子を含んでいてもよいｎ＋１価のペルフルオロ炭化水素基であり、Ｍは、水素原子、アルカリ金属または第４級アンモニウムカチオンであり、ｎは、１または２である。
【請求項９】
無機物粒子およびバインダーを含む無機物粒子層と、
スルホン酸型官能基を有する第１含フッ素ポリマーを含む層（Ｓａ）と、
スルホン酸型官能基を有する第２含フッ素ポリマーを含む層（Ｓｂ）と、をこの順に有し、
前記第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、前記第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量よりも低い、イオン交換膜。
【請求項１０】
前記層（Ｓａ）における前記無機物粒子層側の界面に凹凸構造を有する、請求項９に記載のイオン交換膜。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層付きイオン交換膜、イオン交換膜および電解水素化装置に関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
水素付加有機物（例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンおよびデカヒドロナフタレン等）の製造方法としては、水素化反応器で芳香族化合物（例えば、ベンゼン、トルエン、ナフタレン等）に水素を付加する方法が知られている。
近年、水素付加有機物の製造が簡便化できる等の点から、上記方法の代わりに、芳香族化合物の電解水素化方法が検討されている。芳香族化合物の電解水素化は、例えば、イオン交換膜によって陰極と陽極とが区切られた構造を有する電解水素化装置を用いて実施される。
特許文献１には、電解水素化装置におけるイオン交換膜として、電解質膜（製品名「ＮＲＥ－２１２ＣＳ」、ＤｕＰｏｎｔ社製、スルホン酸基を有する含フッ素ポリマーから構成された膜）と、電解質膜のアノード（陽極）側の表面に設けられた酸化ジルコニウム層と、電解質膜のカソード（陰極）側の表面に設けられた触媒層と、を有するカソード触媒層－電解質膜接合体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第６４００４１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、電解水素化装置を用いた芳香族化合物の電解水素化において、水素付加有機物の生産効率をより向上させる点から、電解電圧のさらなる低減および電流効率のさらなる向上が求められている。
本発明者らは、特許文献１を参照にして、無機物粒子層と、スルホン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層と、触媒層と、をこの順に有する触媒層付きイオン交換膜を電解水素化装置に適用したところ、芳香族化合物の電解水素化の際における電解電圧および電流効率の少なくとも一方の点で、改善の余地があることを知見した。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みてなされ、芳香族化合物の電解水素化の際に、電解電圧を低くでき、かつ、電流効率を高くできる触媒層付きイオン交換膜、イオン交換膜、および、電解水素化装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、無機物粒子層と、第１含フッ素ポリマーを含む層（Ｓａ）と、第２含フッ素ポリマーを含む層（Ｓｂ）と、触媒層と、をこの順に有する触媒層付きイオン交換膜であって、第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量よりも低い場合、触媒層付きイオン交換膜の無機物粒子層を陽極側に配置し、かつ、触媒層付きイオン交換膜の触媒層を陰極側に配置した電解水素化装置を用いれば、所望の効果が得られることを見出し、本発明に至った。
【０００７】
すなわち、発明者らは、以下の構成により上記課題が解決できることを見出した。
［１］無機物粒子およびバインダーを含む無機物粒子層と、
スルホン酸型官能基を有する第１含フッ素ポリマーを含む層（Ｓａ）と、
スルホン酸型官能基を有する第２含フッ素ポリマーを含む層（Ｓｂ）と、
触媒層と、をこの順に有し、
上記第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、上記第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量よりも低い、触媒層付きイオン交換膜。
［２］上記層（Ｓａ）における上記無機物粒子層側の界面に凹凸構造を有する、［１］に記載の触媒層付きイオン交換膜。
［３］さらに、補強糸を含む補強材を有する、［１］または［２］に記載の触媒層付きイオン交換膜。
［４］上記第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、０．５～１．１ミリ当量／グラム乾燥樹脂である、［１］～［３］のいずれかに記載の触媒層付きイオン交換膜。
［５］上記第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、０．７～２．０ミリ当量／グラム乾燥樹脂である、［１］～［４］のいずれかに記載の触媒層付きイオン交換膜。
［６］前記スルホン酸型官能基を有する第１含フッ素ポリマーが、含フッ素オレフィンに基づく単位、ならびに、スルホン酸型官能基およびフッ素原子を有する単位を含む、［１］～［５］のいずれかに記載の触媒層付きイオン交換膜。
［７］前記含フッ素オレフィンがテトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、フッ化ビニルまたはヘキサフルオロプロピレンである、［６］に記載の触媒層付きイオン交換膜。
［８］前記スルホン酸型官能基およびフッ素原子を有する単位が、式（１）で表される単位である［６］または［７］に記載の触媒層付きイオン交換膜。
式（１）－［ＣＦ
２
－ＣＦ（－Ｌ－（ＳＯ
３
Ｍ）
ｎ
）］－
式中Ｌは、エーテル性酸素原子を含んでいてもよいｎ＋１価のペルフルオロ炭化水素基であり、Ｍは、水素原子、アルカリ金属または第４級アンモニウムカチオンであり、ｎは、１または２である。
［９］無機物粒子およびバインダーを含む無機物粒子層と、
スルホン酸型官能基を有する第１含フッ素ポリマーを含む層（Ｓａ）と、
スルホン酸型官能基を有する第２含フッ素ポリマーを含む層（Ｓｂ）と、をこの順に有し、
上記第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、上記第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量よりも低い、イオン交換膜。
［１０］上記層（Ｓａ）における上記無機物粒子層側の界面に凹凸構造を有する、［９］に記載のイオン交換膜。
［１１］さらに、補強糸を含む補強材を有する、［９］または［１０］に記載のイオン交換膜。
［１２］上記第１含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、０．５～１．１ミリ当量／グラム乾燥樹脂である、［９］～［１１］のいずれかに記載のイオン交換膜。
［１３］上記第２含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、０．７～２．０ミリ当量／グラム乾燥樹脂である、［９］～［１２］のいずれかに記載のイオン交換膜。
［１４］［１］～［８］のいずれかに記載の触媒層付きイオン交換膜の製造方法であって、
［９］に記載のイオン交換膜を得て、上記層（Ｓｂ）上に触媒層を設ける、触媒層付きイオン交換膜の製造方法。
［１５］陽極と、陰極と、を備える電解槽と、
［１］～［８］のいずれかに記載の触媒層付きイオン交換膜と、を有し、
上記触媒層付きイオン交換膜が、上記陽極と上記陰極とを区切るように上記電解槽内に配置されており、
上記触媒層付きイオン交換膜の上記無機物粒子層が上記陽極側に配置され、かつ、上記触媒層付きイオン交換膜の上記触媒層が上記陰極側に配置されている、電解水素化装置。
［１６］上記陽極が配置された陽極室に電解質水溶液が供給され、上記陰極が配置された陰極室に芳香族化合物が供給される、［１５］に記載の電解水素化装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、芳香族化合物の電解水素化の際に、電解電圧を低くでき、かつ、電流効率を高くできる触媒層付きイオン交換膜、イオン交換膜、および、電解水素化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の触媒層付きイオン交換膜の一例を示す模式断面図である。
本発明の触媒層付きイオン交換膜の一例を示す模式断面図の部分拡大図である。
本発明のイオン交換膜の一例を示す模式断面図である。
本発明の電解水素化装置の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の用語の定義は、本明細書および特許請求の範囲にわたって適用される。
（【００１１】以降は省略されています）

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