一酸化炭素を還元してメタンを生成しながら発電する新規燃料電池の開発

Research Project

Project/Area Number	21K14713
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research Institution	Hirosaki University (2022) Nagaoka University of Technology (2021)
Principal Investigator	松田翔風弘前大学, 理工学研究科, 助教 (90800649)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	一酸化炭素還元 / メタン生成 / 固体高分子形燃料電池 / 白金電極触媒
Outline of Research at the Start	本研究では、一酸化炭素（CO）を燃料として発電する新規燃料電池（H2-CO燃料電池）の開発を提案する。低過電圧CO還元によるメタン生成を実現できれば、H2酸化反応と組み合わせることで、COを還元して有用生成物であるメタンを生成しながら発電する革新的燃料電池となりうる。本研究では、Pt電極触媒を用いたCO還元反応を戦略的に制御することで低過電圧メタン生成を達成し、H2-CO燃料電池を実験的に実証することを目的とする。
Outline of Annual Research Achievements	カーボンリサイクル技術ロードマップの達成へ向けて、一酸化炭素（CO）から燃料を製造する技術の確立は重要な位置づけにある。そこで本研究では、CO自身を燃料として発電する新規燃料電池（H2-CO燃料電池）の開発を目指す。本電池はアノードに水素（H2）ガス、カソードにCOガスを供給するため、COを還元しながら（有用生成物であるメタンを生成しながら）発電できる革新的電池となる。本研究の目的は、そのH2-CO燃料電池を実験的に実証することであり、そのためにはCO還元反応の制御が重要となる。したがって本研究では、H2の標準酸化還元電位（0 V）より貴電位でメタン（CH4）生成反応を進行させること、またその際のCO転化率60%以上を達成目標項目として研究を遂行している。本年度の主な研究成果は次のとおりである。Pt/C電極触媒を有する膜電極接合体を組み込んだ固体高分子形セルによるCO還元において、まずカソードに供給するCO濃度がCO還元に与える影響を詳細に評価した。その結果、CO濃度が2 ppmのときにCH4生成量が最大になり、CH4が選択的に得られることが確認された。ここで、生成物がCH4であることの確証として、質量分析法に代えてガスクロマトグラフィーを採用し生成物を分析したところ、生成物とCH4標準ガスのリテンションタイムが一致しており、生成物がCH4であると証明された。また、CO還元によるCH4生成のカソード電位依存性を評価したところ、0.12 V vs. RHEのときにCH4生成量が最大になることが確認された。以上より、CO還元によるCH4生成に適した条件はCO濃度2 ppm、カソード電位0.12 V vs. RHEであると結論付けた。今後は、CO還元によるCH4生成反応を定量的に議論するとともにCO転化率60%以上達成を目指す。また、H2-CO燃料電池としての発電性能試験を行う。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason CO還元によるCH4生成のCO濃度依存性および電位依存性の検討を完了しており、研究実施計画に従いおおむね順調に進展していると判断する。
Strategy for Future Research Activity	当初の予定通りに推進する。引き続きPt/C電極触媒を有する膜電極接合体を組み込んだ固体高分子形セルを用いて、R5年度はまず、R4年度までに見出されたCO還元によるCH4生成に適した条件（CO濃度2 ppm、カソード電位0.12 V vs. RHE）下での定電位CO還元を実施し、CH4生成効率（CO転化率）およびCH4連続生成の可能性について検討する。そして、最終的にH2-CO燃料電池としての発電性能試験を行い、CH4を生成しながら発電するH2-CO燃料電池を世界で初めて実験的に実証する。