2014 Fiscal Year Research-status Report
電気化学的手法を用いた廃棄物系有機物からの高純度水素の製造技術の開発
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25340098
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
加茂 徹 独立行政法人産業技術総合研究所, 環境管理研究部門, 上級主任研究員 (10186017)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | リサイクル / 水素製造 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、塩素や臭素等の有害なハロゲン化合物等を多く含み、処理が困難な使用済み電子機器中のプラスチック等から電気化学的な手法を用いて燃料電池用の高純度水度を１段で製造するプロセスを開発することを目的としている。この研究には、①炭酸溶融塩内での有機物を水蒸気ガス化して水素を製造する。②ガス化反応で得られて水素を燃料として燃料電池を形成させ、その起電力を利用して水蒸気を電気分解し高純度水素を製造する。２つの研究テーマから成る。
①プラスチック等の有機物の水蒸気ガス化反応は、通常1000℃以上の高温で行われるが、炭酸カリウムや炭酸ナトリウム等の混合炭酸塩共存下ではこれらの溶融炭酸塩が触媒となるために600～700℃程度の比較的温和な条件下でも進行する。使用済み電子機器には端子表面等にニッケルメッキが使用されており、これらのニッケルが水蒸気ガス化の触媒となることが期待される。初年度は混合炭酸塩中にニッケル微粒子を加えると水蒸気ガス化反応がニッケル粒子によって促進されることを確認した。次年度は、実際の使用済みタンタルコンデンサーを水蒸気ガス化し、水素が発生することを確認した。
②初年度は、円盤状の固体酸化物電解質に円筒形のセラミックを接着して炭酸溶融塩浴を作り、水蒸気を炭酸塩に吹き込みながら各種のプラスチックを600～700℃で水蒸気ガス化するための反応装置を設計し試作した。次年度は、各種のセラミックや高温接着剤を用いて600～700℃でも溶融塩が保持できる反応槽を試作した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
混合炭酸塩にニッケル微粒子を添加した場合、水蒸気ガス化反応は促進されて600～700℃の比較的低温下でもタールを殆ど副生せずにフェノール基板から効率的に水素を製造できることを明らかにした。ニッケル微粒子を用いた水蒸気ガス化反応は、混合炭酸塩を用いた反応に比較して活性化エネルギーやA因子が小さく、ニッケル粒子は触媒として有効であるが固体試料とガス状の水蒸気との物理的接触を促進させることが重要であることが示唆された。また本実験条件下では、ニッケル微粒子は酸化されず金属状態であることがXRD分析から確認できた。これらの成果を国際学会で発表すると共に、特許申請（特願2014-35799）し、英文誌に投稿した（Fuel Processing Technology, 133 (2015), 69-74）。実際の使用済みタンタルコンデンサーを混合炭酸塩共存下で水蒸気ガス化すると水素が発生したが、コンデンサーに含まれるプラスチック量が少ないため、発生した水素がプラスチックのガス化で発生したものか、共存する他の金属の酸化で発生したかを定量的に解析することはできなかった。
本研究では、両面にニッケルとYSZ の複合材(Ni-YSZ サーメット多孔質)を積層した直径30 mmの円盤状のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)に同じ径のセラミックパイプを上下に接着し、円盤上部に溶融炭酸を入れ、上下から水蒸気を吹き込み円盤の両面に電位差を発生させる計画であり、円盤の上下表面の電位を測定する装置は設計・製造した。各種の円盤および円筒材料を各種の高温用接着剤を用いて固定したが、温度を700℃付近まで昇温すると溶融状の炭酸塩が接着面より少しずつ漏洩するため、実験を行うことはできなかった
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| Strategy for Future Research Activity |
１）水蒸気ガス化反応
水蒸気ガス化に対してニッケルは触媒として有効であることは知られているが、市販の工業用触媒を用いることは経済的に困難である。使用済み電子機器には端子表面にメッキとしてニッケルが多く使用されており、これらのニッケルが水蒸気ガス化触媒として利用できることを確認する。実験としては、実際の電子機器で使用されている端子あるいはその微粒化物を混合炭酸塩に添加し、電子基板あるいは筐体に使用されているフェノール樹脂やABS樹脂等の水蒸気ガス化反応を行い、水素の発生速度から端子の触媒としての効果および共存する他の金属類の影響を検討する。
２）反応セルの試作と運転
各種の円盤状のセラミックの円周表面およびセラミックパイプの断面を精密に加工すると共に、各種の高温用接着剤を試用し、反応セルの製造を試みる。また接着する際は上下から常に圧力をかけてゆっくり加熱し、高温でも溶融炭酸塩が漏洩しないように製造プロセスも再検討する。また、接着剤を用いないで固体電解質と溶融炭酸塩を接触させる新たな反応セルの設計・製作を試みる。
両面にニッケルとYSZ の複合材(Ni-YSZ サーメット多孔質)を積層したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を組み込んだ反応器を試作し、上部から燃料ガス、下部から酸素を吹き込み燃料電池が形成されていることを確認する。次に反応セルに混合炭酸塩を入れ、モデル反応として700℃で加熱した炭酸塩中で活性炭を水蒸気ガス化して発生した水素によって燃料電池が形成されていることを確認する。
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| Causes of Carryover |
固体電解質を含む反応セルの製造に最も費用が掛かるが、溶融塩が漏洩するために製造することができなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
外部から各種の固体電解質および反応セル用セラミックを購入する。
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