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公開番号2025118592
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-13
出願番号2025050932,2022187975
出願日2025-03-26,2017-05-03
発明の名称CO2、COおよび他の化学化合物の電気化学反応のための先進的構造を有するリアクタ
出願人トゥウェルヴベネフィットコーポレイション,Twelve Benefit Corporation
代理人弁理士法人北青山インターナショナル
主分類C25B 9/23 20210101AFI20250805BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】CO_x(CO₂、COまたはそれらの組み合わせ)を電気化学的に炭素含有化合物に還元するためのデバイスを提供する。
【解決手段】還元触媒および第1のアニオン伝導性ポリマーを含むカソード層と、酸化触媒および第1のカチオン伝導性ポリマーを含むアノード層と、カソード層とアノード層との間に配置され、カソード層とアノード層とを導電的に接続する膜層とを含む膜電極アセンブリと、前記カソード層に結合されたカソードマニホールドと、を含むCO_x還元リアクタが提供される。リアクタは、二酸化炭素と、炭素を含む他のガスとから広範囲の炭素系化合物を合成するために使用することができる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
膜電極アセンブリであって、
・還元触媒および第１のアニオン伝導性ポリマーを含むカソード層と、
・酸化触媒および第１のカチオン伝導性ポリマーを含むアノード層と、
・前記カソード層と前記アノードとの間に配置された膜層であって、前記カソード層と前記アノードとを導電的に接続する膜層と、
・第２のカチオン伝導性ポリマーを含むアノード緩衝層であって、前記アノード層と膜層との間に配置され、前記アノード層と前記膜層とを導電的に接続するアノード緩衝層とを備えることを特徴とする膜電極アセンブリ。
続きを表示（約 710 文字）【請求項２】
請求項１に記載の膜電極アセンブリにおいて、
前記膜層が第２のアニオン伝導性ポリマーを備えることを特徴とする膜電極アセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載の膜電極アセンブリにおいて、
前記膜層が第３のカチオン伝導性ポリマーを備えることを特徴とする膜電極アセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載の膜電極アセンブリにおいて、
前記膜層が約０．０１～９５体積％の気孔率を有することを特徴とする膜電極アセンブリ。
【請求項５】
請求項２に記載の膜電極アセンブリにおいて、
前記第２のアニオン伝導性ポリマーは、Ｓｕｓｔａｉｎｉｏｎ、ＦｕｍａＳｅｐＦＡＡ－３およびＴｏｋｕｙａｍａアニオン交換ポリマーからなる群のなかから選択されることを特徴とする膜電極アセンブリ。
【請求項６】
請求項２に記載の膜電極アセンブリにおいて、
第３のアニオン伝導性ポリマーを備えるカソード緩衝層をさらに備え、前記カソード緩衝層が、前記カソード層と前記膜層との間に配置され、前記カソード層と前記膜層とを導電的に接続することを特徴とする膜電極アセンブリ。
【請求項７】
請求項６に記載の膜電極アセンブリにおいて、
前記カソード緩衝層は、約０．０１～９５体積％の気孔率を有することを特徴とする膜電極アセンブリ。
【請求項８】
請求項６に記載の膜電極アセンブリにおいて、
前記アノード緩衝層は、約０．０１～９５体積％の第２の気孔率を有することを特徴とする膜電極アセンブリ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、電気化学反応の分野に関し、より詳細には、ＣＯ
ｘ
（ＣＯ
２
、ＣＯまたはそれらの組み合わせ）を電気化学的に炭素含有化合物に還元するためのデバイスおよび方法に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【０００２】
政府支援ステートメント
政府は、Ｏｐｕｓ１２，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄと、契約番号ＤＥ－ＡＣ０２－０５ＣＨ１１２３１の下で米国エネルギー省のためにＥｒｎｅｓｔＯｒｌａｎｄｏＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙを運営しているＴｈｅＲｅｇｅｎｔｓｏｆｔｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａとの間のユーザ合意書ＦＰ００００３０３２に従い、本発明における権利を有する。
【０００３】
関連出願の相互参照
本出願は、引用により全体が本明細書に援用される２０１６年５月３日出願の米国仮出願第６２／３３１，３８７号の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００４】
人為的なＣＯ
２
排出は気候変動と関連している。
【０００５】
地球規模の温室効果ガスの排出に対する懸念が高まる中、ＣＯ
２
を高価値製品に再利用できる技術が注目されている。
【０００６】
ＣＯ
ｘ
（ＣＯ
２
、ＣＯまたはそれらの組み合わせ）の電気化学的還元は、ＣＯ
ｘ
、プロトン源および電気の３つの入力を組み合わせ、それらをメタノール、エタノール、一酸化炭素および酢酸などの燃料、化学物質およびその他の生成物に変換する。しかしながら、そのような燃料および化学物質の工業規模の生産を達成することは不可能であった。障壁の一つは、適当な電気化学リアクタの欠如である。従来の設計を使用して効率的なリアクタを達成する際の難しさの一つは、水溶液中のＣＯ
ｘ
の溶解度が低く、水素生成をもたらす競合する水還元反応を制御できないことが原因で、ＣＯ
ｘ
をリアクタ内の触媒表面に輸送し難いことである。
【０００７】
本開示は、上述した従来のリアクタの欠点に対処するＣＯ
ｘ
還元のための新規で有用な電気化学リアクタを示す。水に溶解したＣＯ
ｘ
とは対照的に、気相ＣＯ
ｘ
をリアクタに供給して、効率的な輸送および生成物生成速度を達成することができる。ＣＯ
ｘ
変換触媒周囲のイオン伝導性ポリマーは、競合する水素形成反応を最小限にする。リアクタはエネルギー効率が高く、電流密度が高く、応答時間が速く、ロバストであり、生成できる化学製品の種類にも柔軟性がある。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一実施形態では、ＣＯ
ｘ
還元リアクタで使用するための膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が提供される。ＭＥＡは、還元触媒および第１のイオン伝導性ポリマーを含むカソード層と、酸化触媒および第２のイオン伝導性ポリマーを含むアノード層とを備える。アノード層とカソード層との間に第３のイオン伝導性ポリマーを含む高分子電解質膜が存在する。高分子電解質膜は、アノード層とカソード層との間のイオン伝達を提供する。また、カソード層と高分子電解質膜との間に第４のイオン伝導性ポリマーであるカソード緩衝剤を含むカソード緩衝層が存在する。イオン伝導性ポリマーには、アニオン伝導体、カチオン伝導体、カチオンおよびアニオン伝導体の３つのクラスがある。第１、第２、第３および第４のイオン伝導性ポリマーのうちの少なくとも二つは、異なるクラスのイオン伝導性ポリマーからのものである。
【０００９】
一構成では、還元触媒が、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｈｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｍ、Ｔｂ、ＣｅおよびＮｄ、並びに、それらの組合せ、および／または他の任意の適切な還元触媒からなる群のなかから選択される。還元触媒は、炭素、ホウ素ドープダイヤモンド、フッ素ドープ酸化スズおよびそれらの組合せ、および／または他の任意の適切な還元触媒からなる群のなかから選択される伝導性担体粒子をさらに含むことができる。
【００１０】
一構成では、カソード層が、１０～９０重量％の第１のイオン伝導性ポリマーを含む。第１のイオン伝導性ポリマーは、アニオン伝導体である少なくとも１のイオン伝導性ポリマーを含むことができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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