炭酸ガス電気化学的還元手法の閉鎖環境制御への応用研究

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H04206
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梅田 実 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (20323066)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 宇宙航空環境 / 閉鎖環境 / 生命維持 / 炭酸ガス利用 / 燃料電池

Outline of Annual Research Achievements

有人宇宙活動の長期化や拠点化が進む中では炭酸ガス有効利用は重要である。今日、炭酸ガス還元にはサバチエ反応が用いられる（CO2+4H2→CH4+2H2O）。この反応はメタンと水を生じる。水は活用されるがメタンは廃棄される為、閉鎖系物質収支はマイナスとなる。
また当該反応は一般に350℃以上で平衡になる発熱反応であり、高温維持の為のエネルギー投入と熱処理に課題が多い。提案者らは炭酸ガスの酸化力と水素の還元力に着目し、両者の間で燃料電池を構築し、電力と炭酸ガス還元体の同時創出に世界で初めて成功した。当該反応は100℃以下で維持が可能であり、外部エネルギーの投入は不要であり、「発電」が可能である。本提案ではヒトの生活に有効な生成物の選択性と収率の向上を図るために反応機構を解明し、当該技術の実利用を可能にするための研究を進めている。
触媒としてPt-Ruを使用し、反応メカニズム解明のための実験を展開した。
反応生成物に電位依存性があるが、この電位に電極の接触抵抗が影響を及ぼすことが可能性としてあり得るため、接触抵抗が異なる複数の実験を実施した。ただし、結果としては特に影響を受けているような兆しはなく、従来の燃料電池セルの設計に、反応場に対して影響を与えるようなパラメータはないことが認識されつつある。
我々は従来、触媒として貴金属触媒を使用して当該発電の実験を進めてきた。一方、長岡技術科学大学において非貴金属系触媒を使用した場合に炭酸ガスの還元反応において高い電気化学活性が現れることが見いだされた。非貴金属系触媒は酸に溶解するため従来使用してきたNAFION系固体高分子膜の使用を避け、アニオン広間膜を固体電解質として使用することとしたが、従来のような有機物生成を検出することができなかった。そこで固体高分子膜をNAFION系膜としつつ、ガス拡散層に非貴金属系触媒を担持する手法の検討を進めている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

炭酸ガスへの高い反応活性が期待された非貴金属系触媒であるが、使用した固体電解質との相性が悪く、デバイス化に課題があることが判明した。現在、従来同様のNAFION系固体電解質膜を使用し、デバイスとして成立させる方策を検討している。
その一方で、研究分担者の長岡技術科学大学　梅田により、当該の非貴金属系触媒を使用した場合の生成物として、マススぺクトロメータでは計測が困難な種類の生成物が示唆されており、生成物の計測方法を含めて、実験手法の再検討を進めているところである。

Strategy for Future Research Activity

固体高分子膜として、当該の非貴金属系触媒とのファブリケーションが可能な膜の選定、およびガス拡散層上への触媒の担持方法の改良を図る。
生成物の識別／定量のために必要な分析装置については、研究分担者である長岡技術科学大学　梅田実の研究室が保有しており、現地での実験が可能な調整を進め、発電実験を行う。