宇宙探査における生命維持のためのCO2からのO2回収：燃料電池システムの適用

• Project/Area Number: 20H00282
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 梅田 実 長岡技術科学大学, 工学研究科, 理事・副学長 (20323066)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 曽根 理嗣 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (70373438) ; 白仁田 沙代子 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (90580994) ; 松田 翔風 弘前大学, 理工学研究科, 助教 (90800649)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,630,000 (Direct Cost: ¥35,100,000、Indirect Cost: ¥10,530,000); Fiscal Year 2023: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2021: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000); Fiscal Year 2020: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
• Keywords: メタン生成 / 二酸化炭素還元 / 白金担持カーボン / 固体高分子形セル / 低過電圧 / 固体高分子セル

Outline of Research at the Start

本提案者らは，固体高分子形燃料電池を用いてCO2をCH4に還元する研究を行い，高選択的かつ低消費エネルギーで反応させる新技術を開発してきた。また，このCO2還元をH2酸化と組み合わせることで燃料電池が発電することを報告している。この発電は，理論的にも生ずることが示されている。一方，有人宇宙探査を長期に渡り実施するため，高い効率でCO2分子からO原子２個を回収する技術開発が強く求められている。本研究は，当該CO2還元研究を国際的に活発化している有人宇宙探査に展開し，閉鎖空間の生命維持方式を世界に先駆けて開発して，国際標準となるO2回収方式を確立することを狙いとする。

Outline of Annual Research Achievements

固体高分子形燃料電池を用いてCO2をCH4に還元する研究を行い、高選択、低消費エネルギーで反応させる新技術を進めてきた。当初の電流効率が約2%であることを踏まえ本研究では、電流効率50%以上で炭化水素生成（O原子回収）実現する反応系の開発を行い、昨年に電流効率60%を達成した。本年度の研究成果は、次の通りである。
本研究では当初より、脱水溶液系としての膜電極接合体を革新技術とし、これとPt電極、低濃度CO2供給を組み合わせることで、低過電圧かつ高効率CO2還元メタン生成の可能性を追求した。この水溶液系と膜電極接合体の差異を明確にするため、燃料電池セルに供給する反応ガスの湿度を212～39%RHで変化させた。結果的に、65%RHのとき最大のメタン生成を示し、CO2還元に水分が関与することが明示された。
前年度にPt/Cを用いた電位ステップ法がCH4生成効率の向上に有効であると報告した。今回は従来の電位走査法と電位ステップ法の違いを明らかにするため走査速度の依存性を調べた。その結果、走査速度が速いほどメタン生成効率が向上することが分かった。走査前電位で前駆体（COads, Hupd）が生成していること、走査後電位でメタンが発生していること、反応物がCOadsとHopdであることを考慮すると、HupdがHopdに変化する速度が支配因子と考えられる。
前年度にPt0.9Ru0.1/C電極触媒を用いてCO2還元すると、従来のメタン生成に加えてC2-C3化合物が生成するという新しい知見を得た。この解析のため、反応中間体であるCOadsのPtへの吸着形態をストリッピングボルタンメトリーから調べた。結果として、反応に関与するCOadsが特異的にPt0.9Ru0.1/C上で凝集する傾向が見られた。これにより、C-Cカップリング反応が生じやすくなり、C1-C3化合物が生成すると考えられる。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 過電圧ゼロからのアプローチによるPt電極触媒上での高効率CO2還元 (2024)
  • Author(s): 松田翔風，曽根理嗣，梅田実
  • Journal Title: 燃料電池 Volume: 23 Pages: 40-47
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of Water Molecules on CO2 Reduction at the Pt Electrocatalyst in the Membrane Electrode Assembly System (2023)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Shota Yamanaka, Minoru Umeda
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 15 Issue: 36 Pages: 42676-42684
  • DOI: 10.1021/acsami.3c09131
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy conversion efficiency comparison of different aqueous and semi-aqueous CO2 electroreduction systems (2022)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Misa Tanaka, Minoru Umeda
  • Journal Title: Analytical Methods Volume: 14 Issue: 34 Pages: 3280-3288
  • DOI: 10.1039/d2ay01087a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly-Efficient CO2 Electromethanation with Extremely Low Overpotentials on Pt/C Catalysts: Strategic Design of Multi-Potential-Step Method (2022)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Taito Sakoda, Ryu Ishibashi, Minoru Umeda
  • Journal Title: ChemElectroChem Volume: 9 Issue: 21
  • DOI: 10.1002/celc.202200837
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 低炭素社会に向けたCO2還元―超低過電圧で二酸化炭素を有用化合物に変換する新電解技術 (2022)
  • Author(s): 松田翔風，梅田実
  • Journal Title: 化学 Volume: 77 Pages: 72-73
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electroreduction of CO2 to CH4 without overpotential using Pt-black catalysts: Enhancement of faradaic efficiency (2022)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Yuta Yoshida, Minoru Umeda
  • Journal Title: Journal of Energy Research Volume: 2022 Issue: 7 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1002/er.7836
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pt電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO2還元によるCH4連続生成およびH2-CO2燃料電池としての発電特性 (2021)
  • Author(s): 迫田泰斗，吉田祐太，松田翔風，梅田 実
  • Journal Title: 燃料電池 Volume: 20 Pages: 76-82
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] H2-CO2 polymer electrolyte fuel cell that generates power while evolving CH4 at the Pt0.8Ru0.2/C cathode (2021)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Yuuki Niitsuma, Yuta Yoshida, Minoru Umeda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-021-87841-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pt基電極を用いる低過電圧CO2還元とH2-CO2燃料電池 (2021)
  • Author(s): 梅田 実，松田翔風
  • Journal Title: 触媒 Volume: 63 Pages: 336-342
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Minimization of Pt-electrocatalyst deactivation in CO2 reduction using a polymer electrolyte cell (2020)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Shigehisa Tamura, Shota Yamada, Yuuki Niitsuma, Yoshitsugu Sone, Minoru Umeda
  • Journal Title: Reaction Chemistry & Engineering Volume: - Issue: 6 Pages: 1064-1070
  • DOI: 10.1039/d0re00083c
  • Peer Reviewed
• [Presentation] H2-CO2燃料電池：Pt基電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO2還元によるCH4生成 (2024)
  • Author(s): 松田 翔風，曽根 理嗣，梅田 実
  • Organizer: 燃料電池シンポジウム
• [Presentation] Pt電極触媒上のCO2還元による高効率CH4生成：電位ステップ法の最適化 (2023)
  • Author(s): 松田 翔風，石橋 龍，梅田 実
  • Organizer: 2023電気化学秋季大会
• [Presentation] H2-CO燃料電池：Pt/C電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO還元反応 (2023)
  • Author(s): 松田翔風，田中美沙，梅田 実
  • Organizer: 第64回電池討論会
• [Presentation] Pt基電極触媒上で起こる低過電圧CO2還元反応 (2023)
  • Author(s): 松田 翔風，梅田 実
  • Organizer: 電気化学会第９０回大会
• [Presentation] Pt上でCO2還元中間体COからCH4が生成する反応のメカニズム解析 (2023)
  • Author(s): 松田 翔風，田中 美沙，梅田 実
  • Organizer: 電気化学会第９０回大会
• [Presentation] Pt/C電極触媒を用いたCO2還元の電位ステップ法適用によるCH4生成の高効率化 (2022)
  • Author(s): 石橋龍，迫田泰斗，松田翔風，白仁田沙代子，梅田実
  • Organizer: 電気化学会北陸支部春季大会
• [Presentation] CO2電解還元のエネルギー変換効率：水溶液系と膜電解質系での比較 (2022)
  • Author(s): 杉山 錬太郎，松田 翔風，田中 美沙，白仁田 沙代子，梅田 実
  • Organizer: 第２９回燃料電池シンポジウム
• [Presentation] Pt電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO2メタネーションの高効率化に向けた電位ステップ法の適用 (2022)
  • Author(s): 石橋 龍，迫田 泰斗，松田 翔風，白仁田 沙代子，梅田 実
  • Organizer: 2022電気化学会秋季回大会
• [Presentation] H2-CO2燃料電池カソードにおけるPt0.9Ru0.1/C電極触媒の特異的反応 (2022)
  • Author(s): 石橋 龍，杉山 錬太郎，松田 翔風，白仁田 沙代子，梅田 実
  • Organizer: 第６３回電池討論会
• [Presentation] 二酸化炭素を還元固定化して発電するH2-CO2燃料電池 (2022)
  • Author(s): 梅田 実
  • Organizer: 高分子学会 水素・燃料電池材料研究会
  • Invited
• [Presentation] Pt0.9Ru0.1/C電極触媒を用いた低過電圧CO2還元 : Pt/Ru比の検討 (2022)
  • Author(s): 石橋龍, 吉田祐太, 松田翔風, 梅田実
  • Organizer: 電気化学会第８９回大会
• [Presentation] Pt/C電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO2電解還元に湿度が与える影響 (2022)
  • Author(s): 松田翔風，山中翔太，梅田実
  • Organizer: 電気化学会第８９回大会
• [Presentation] Pt0.5Ru0.5/C電極触媒を有する固体高分子形セルを用いたCO2還元によるCH4生成の長期連続化 (2021)
  • Author(s): 石橋 龍，吉田 祐太，松田 翔風，梅田 実
  • Organizer: 第２８ 回燃料電池シンポジウム
• [Presentation] CO2 Electroreduction at Pt Black Catalyst in a Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzer Cell (2021)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Yuta Yoshida, Minoru Umeda
  • Organizer: 72nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pt/C触媒を有する固体高分子形セルにおけるCO2還元によるCO生成の速度論解析 (2021)
  • Author(s): 田中 美沙，松田 翔風，梅田 実
  • Organizer: 2021電気化学秋季大会
• [Presentation] H2-CO2 燃料電池 ～CO2をCH4に還元しながら発電する～ (2021)
  • Author(s): 梅田 実, 松田 翔風
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Pt/C電極触媒でのCO2還元によるCH4生成: 電位ステップ法の適用 (2021)
  • Author(s): 迫田 泰斗，松田翔風，梅田 実
  • Organizer: 第６２回電池討論会
• [Presentation] Pt/Cを有する固体高分子形セルを用いたCO2電解還元におけるH2添加の影響 (2021)
  • Author(s): 迫田 泰斗, 松田翔風, 梅田 実
  • Organizer: 電気化学会第88回大会
• [Presentation] H2-CO2燃料電池におけるPt black正極のCO2還元特性 (2021)
  • Author(s): 松田翔風、吉田祐太，梅田実
  • Organizer: 電気化学会第88回大会
• [Presentation] Pt/Cを有する膜電極接合体におけるCO2からCO生成する反応の速度論的解析 (2021)
  • Author(s): 田中 美沙, 松田翔風, 梅田 実
  • Organizer: 電気化学会第88回大会
• [Presentation] Mechanistic Analysis of CO2 Reduction to CH4 at Pt Electrocatalyst in a Polymer Electrolyte Cell (2021)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Masatoshi Osawa, Minoru Umeda
  • Organizer: ELCOREL(International Conference on Electrocatalysis for Renewable Energy)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pt/Cを電極とした固体高分子形セルによるCO2還元でのCH4生成メカニズムの検討 (2020)
  • Author(s): 田中 美沙，山中 翔太，松田 翔風，梅田 実
  • Organizer: 第27回燃料電池シンポジウム
• [Presentation] Pt電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO2定電位還元によるCH4連続生成 (2020)
  • Author(s): 迫田 泰斗，吉田 祐太，松田 翔風，梅田 実
  • Organizer: 第27回燃料電池シンポジウム
• [Presentation] プロトン交換膜電解によるCO2還元 (2020)
  • Author(s): 梅田 実
  • Organizer: ASEC 2020年度 第1回招待講演会
  • Invited
• [Presentation] CO2 Electroreduction at Pt0.8Ru0.2/C in a Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzer Cell (2020)
  • Author(s): Shofu Matsuda, Yuuki Niitsuma, Yuta Yoshida, Minoru Umeda
  • Organizer: 71st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] H2-CO2燃料電池：Pt0.8-Ru0.2/C電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO2還元反応 (2020)
  • Author(s): 松田 翔風，新妻祐希，吉田祐太，梅田実
  • Organizer: 第６１回電池討論会
• [Presentation] H2-CO2燃料電池 ～発電しながらCO2還元する燃料電池～ (2020)
  • Author(s): 梅田 実
  • Organizer: 公財）科学技術交流財団 第２回「ソーラー水素エネルギー研究会」
  • Invited
• [Book] 「CO2の分離・回収・貯留技術の開発とプロセス設計」第５章，第９節「膜電極接合体を用いる二酸化炭素の電気化学的固定技術」 (2022)
  • Author(s): 松田翔風，梅田 実
  • Total Pages: 586
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861049026