Electrochemical oxidation for hydrogen production and energy recovery from plastics

• Project/Area Number: 22K12474
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 64050:Sound material-cycle social systems-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 長尾 征洋 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (40432223)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 電気化学的酸化 / 廃プラスチック / 水素生成 / エネルギー回収

Outline of Research at the Start

廃プラスチック類は一部発電利用されている場合を除くと大部分が焼却処理もしくは燃料として熱利用されている。廃プラスチックに含まれる水素をプロトンとして乖離させ気体水素として分離できれば、低環境負荷な水素利用が期待できる。そこで本研究課題ではプラスチック等の水素含有物質が電極上で電解によりプロトンを生成する反応に着目し、これを水素生成やエネルギー回収に応用する。セルロースを主成分とする廃棄バイオマスに加え、廃プラスチックの直接電解による低環境負荷かつ低コストな水素生成や水素燃料電池発電を実現できれば、水素利用社会への大きな足掛かりになる。

Outline of Annual Research Achievements

プラスチックなどの含水素化合物は焼却処理では熱エネルギーに変換されるだけであるが、電気分解を行えば含まれる水素を取り出せる可能性がある。そこで本研究課題ではプラスチックの直接電解により、低環境負荷かつ低コストな水素生成や燃料電池反応に用いることを目的とし、電極反応や電気化学的酸化反応の解明を目指すものである。

今年度は、プラスチック燃料の供給方法の検討を行った。PET、ポリウレタン、ナイロン、ビニロン、セロハン等、身近にあるプラスチックに着目し、これらを燃料流動式の電気化学セルに供給するために溶媒への溶解度を調べた。特にポリウレタンの溶解度が最も高く、室温のリン酸水溶液に溶解した。PETは溶解度が低いため、流動式に適用するには困難であることが示唆された。さらに、中性・アルカリ性の溶媒の検討も行ったが、十分な溶解度が得られないこと、二酸化炭素により塩基性が変化すること、有機溶媒は高温で揮発することなどから、本研究課題で用いるには適当でないとの判断に至った。一方で、その他のプラスチック類も溶解温度を上げることにより、全量もしくは一部が高温リン酸に溶解したことから、電気化学セルへの供給が可能であることが分かった。溶媒に難溶のプラスチック類は、バッチ法やペレット供給法などを採用することにより、固体状態でも供給可能なセル設計を行う必要があることが分かった。この場合、電解反応・燃料電池反応を高温で行うことも検討できることから、電極反応の促進、燃料利用率の向上、材料選択可能性の拡大につながる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度はプラスチックを燃料にしたときの燃料供給方法を検討することが主な課題であり，検討結果として，酸へ溶解させる方法が適していることが分かった。また，作動温度を高温にすれば固体状態でも利用できる可能性が有ることから，次年度以降への新たな展開が期待できる。作動温度の上昇は，電極反応や反応物の拡散に影響することから，今後はこれらの検討も進める必要がある。また，次年度以降に計画している電気化学的な測定に備え，実験装置の購入も進めることができた。例えば，プラスチックを用いた発電装置の性能評価を行う場合は，標準的な燃料として知られている水素を用いた発電試験との比較実験が必要であるが，これに必要な水素供給系の装置の準備を進めることができた。電気化学的な評価方法のうち，サイクリックボルタンメトリーによる電極反応の詳細な評価が重要であるが，今年度は本手法の原理に対する理解を深め，実験条件（電極材料の選定，溶媒の選定，各種測定パラメータの設定）の検討を行うことができたため，次年度に生かしたい。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の進め方に関して、まずは燃料の供給方法を決定する。現状では溶媒の流動法に加え、バッチ法、ペレット供給法が候補であり、使用するプラスチックに合わせて選択することが必要であると考えられる。また、電気化学反応の解明に着手するため、電気化学測定法（IV測定、CV測定、インピーダンス測定等）における測定条件を決定し、プラスチックからの脱水素反応機構を検討する。また、同時に作動温度の検討を行い、電気化学セルに用いる材料設計につなげる。