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電気化学反応器 新技術説明会

国内特許コード P160012777
整理番号 (S2012-0749-N0)
掲載日 2016年2月10日
出願番号 特願2014-518442
出願日 平成25年5月27日(2013.5.27)
国際出願番号 JP2013064679
国際公開番号 WO2013180081
国際出願日 平成25年5月27日(2013.5.27)
国際公開日 平成25年12月5日(2013.12.5)
優先権データ
  • 特願2012-121231 (2012.5.28) JP
発明者
  • 平田 好洋
  • 鮫島 宗一郎
  • 松永 直樹
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 電気化学反応器 新技術説明会
発明の概要 セル(10)のカソード(1)側では電子が導入され、二酸化炭素の還元が促進される。一方、アノード(2)側では多孔質GDC電解質(3)を経由して輸送された酸化物イオンによって、メタンの酸化が促進される。一酸化炭素及び酸化物イオンが生成されると、メタンガスとともにアノード(2)に輸送され、一酸化炭素及び水素を生成する。また、アノード(2)ではCuと酸化物イオンとが反応し、メタンガスの酸化が促進される。
従来技術、競合技術の概要


従来、メタンガスを主成分とするガスから水素を得る燃料改質装置の研究が多くなされている。一般にこれらの燃料改質装置は、脱硫器、燃料改質器、CO変成器、及びCO除去器の4つの機器から構成されている。例えば都市ガスの主成分であるメタンと水蒸気とを燃料改質器で反応させ、一酸化炭素及び水素を得ている。そして、CO変成器において、発生した一酸化炭素と水蒸気とをさらに反応させて二酸化炭素及び水素を得ている。



一方、再生可能なエネルギーとしてバイオマスエネルギーが着目されている。このバイオマスエネルギーは、環境にやさしいエネルギーとして有望であり、家畜排泄物や下水処理場のメタン発酵で発生するバイオガスには、メタンが60%、二酸化炭素が40%含まれている。近年、このメタン及び二酸化炭素を有効利用することが行われており、改質反応(ドライリフォーミング)では、Ni触媒を用いて以下の(1)式の反応により水素及び一酸化炭素が生成される。これらの反応により生成される水素及び一酸化炭素は、固体酸化物形燃料電池等の燃料として利用できるものである。また、発電後に生成する二酸化炭素をバイオガスと再度混合することにより、燃料のクローズドシステムが可能となる。
CH4+CO2 → 2H2+2CO ・・・(1)



しかし、600℃以下で改質反応を行うと、以下の(2)式の反応により、一酸化炭素が触媒上で二酸化炭素と炭素とに分解する不均化反応が起こる。この不均化反応を避けるためには600℃以上の高温にする必要がある。一方、高温では、以下の(3)式の反応によりメタンの熱分解が進行し、析出する炭素がNi触媒を覆うため、触媒能が時間とともに低下する。また、析出した炭素により、反応ガスの閉塞が起こる。
2CO → CO2+C ・・・(2)
CH4 → 2H2+C ・・・(3)



以上のように、メタン含有ガスから水素等を得るための装置は、原料ガスの種類や反応温度の制御が複雑である。特に水蒸気改質では、過剰な水蒸気が供給されるため、厳密な水蒸気/メタン比の制御が必要である。また、前述した燃料改質装置では、高純度の炭化水素化物を原料として使用する必要があるとともに、副生成物として数十%のCOが生成する。さらに固体高分子形燃料電池の電極に使用されているPtを被毒するCOをCOに改質したり、除去したりする必要がある。したがって、この装置はバイオマスガスエネルギーから水素及び一酸化炭素を生成するのに適しているとはいえない。



また、従来の燃料改質装置は、複数の機器から構成されるため大規模の装置が必要であり、互いの機器を独立して作動させることが困難である。例えば、燃料改質器及びCO変成器の両方に水蒸気が用いると、燃料改質器のメタンと水蒸気との割合が変わると、生成ガス中のCO/CO比が変化し、CO変成器のHO/CO比もそれに応じて変動する。また、反応に際して、液体の水を加熱して水蒸気に変えるとき、燃料メタンの燃焼熱を利用するなど、2つの機器が密接に関係する。このため、水素発生プロセスの制御が複雑になり、その分ソフトウェアが複雑化してコストが上昇してしまう。



そこで、より効率良く水素及び一酸化炭素を生成させるために、電極での酸化還元反応を利用してメタン及び二酸化炭素から水素及び一酸化炭素を生成する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

産業上の利用分野


本発明は、特に、固体酸化物形燃料電池等の燃料として利用できる水素及び一酸化炭素を生成するために用いて好適な電気化学反応器及び燃料ガスの製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
ニッケル、銅又はルテニウムを含有し、二酸化炭素から一酸化炭素及び酸化物イオンを生成するカソード電極と、
前記カソード電極に向けて供給されたメタン及び前記カソード電極により生成された酸化物イオンを透過させる多孔質の電解質と、
銅を含有し、前記電解質を透過したメタン及び酸化物イオンから水素及び一酸化炭素を生成するアノード電極と、
を有することを特徴とする電気化学反応器。

【請求項2】
前記カソード電極、電解質及びアノード電極は、3層からなるセルによって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電気化学反応器。

【請求項3】
前記電解質は、ガドリニウム固溶セリアを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学反応器。

【請求項4】
前記カソード電極は、ニッケル、銅又はルテニウムと、ガドリニウム固溶セリアとを含むことを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の電気化学反応器。

【請求項5】
前記アノード電極は、銅と、ガドリニウム固溶セリアとを含むことを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の電気化学反応器。

【請求項6】
ニッケル、銅又はルテニウムを含有し、二酸化炭素から一酸化炭素及び酸化物イオンを生成するカソード電極と、前記カソード電極に向けて供給されたメタン及び前記カソード電極により生成された酸化物イオンを透過させる多孔質の電解質と、銅を含有し、前記電解質を透過したメタン及び酸化物イオンから水素及び一酸化炭素を生成するアノード電極と、を有することを特徴とする電気化学反応器を用いた燃料ガスの製造方法であって、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加する工程と、
前記カソード電極に向けて前記メタン及び前記二酸化炭素を含むガスを供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガスの製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2014518442thum.jpg
出願権利状態 公開
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