研究内容

CO2排出量削減は喫緊の課題であり、世界中でCCUSの研究開発が進められています。本研究室ではその中でCO2の効率的な資源化をテーマに、直接分解のための固体酸化物形電気分解セル(SOEC)の開発を行なっています。SOECは二つの電極 (アノードとカソード)と電解質からなるセルで、反応は以下の通り進行します。まず、CO2がカソードに触れる事で電子を受け取り、COとO2-に分解されます。このままですとカソード上にO2-が溜まってしまい連続的に反応が進みません。そこで、高温で酸素イオン伝導体となるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を電解質として接続する事で生成されたO2-が電解質を通じて反対の電極であるアノードに移動します。アノード上ではO2-から電子が奪われ、O2が生成します。この時、全体の反応はCO2→CO＋1/2O2となり、CO2の直接電気分解が実現します。得られたCOは還元ガスや合成ガスでの利用の他に、Fischer-Tropsch法を用いて液体炭化水素（人造石油）製造への利用が期待できます。

カーボンニュートラルの実現には化石燃料の大量消費からの脱却が必要あり、使用しても温室効果ガスを排出しない水素は次世代エネルギーとして期待されています。しかし、現時点の技術では水素製造量は将来的なエネルギー利用をするほど製造量が確保できず、更に製造コストが高いため低コストでの水素製造が求められています。本研究室では金属水素分離膜の開発を行い、低価格での高純度水素製造技術の開発に取り組んでいます。一般に水素は製造過程で他の気体と混合された状態で製造されます(天然ガス水蒸気改質後は水素濃度75%程度)。ここから、多孔質吸着剤に対する各気体の吸着特性の違いを利用して分離する圧力スイング吸着法(PSA法)を利用する事で、燃料電池に求められる純度99.7%以上の高純度水素を精製することごできます。PSA法は確立された有用な技術ではありますが、分離膜技術により水素の高純度化ぎ実現できるようになれば装置や高純度化工程の簡素化が可能となり、将来的に安価な水素製造が期待できます。

高校の化学でも学ぶ様に、金属は原子が規則的に並んでいます。この時、適切なサイズの金属原子を選択する事で、最も小さい原子である水素のみが透過できる究極の”原子ふるい”として金属を利用することが可能となります。そのため、水素分離膜は原理的に膜の一方に混合気体を流す事で他方から半ば自動的に高純度水素が得られる極めて効率的な技術と言えます。これまで唯一実用化されている金属水素分離膜としてパラジウム合金膜が挙げられます。パラジウム合金は優れた水素分離性能を有し、超高純度水素の製造に利用されてきました。しかし、レアメタルであるパラジウムの資源量やコストの観点から、将来的な大規模水素製造においての利用には疑問が残ります。

カーボンニュートラルの実現のためには化石燃料に変わる新たな燃料への転換が必要不可欠であり、近年、アンモニアのカーボンフリー燃料としての利用にも注目が集まっています。アンモニアの燃焼は4NH3+3O2→2N2+6H2Oで表すことができ、温室効果ガスの排出無しにエネルギーを放出することが可能です。また、アンモニアは"空気からパンを作る"方法として有名なハーバーボッシュ法を用いて製造が可能であり、既に商業利用されているため、将来的な大量製造や輸送技術は確立されていると言えます。

しかし、毒性及び腐食性を有するアンモニアの燃料利用拡大を想定したとき、安全な貯蔵技術が重要となります。アンモニアは-33℃で液化し、液化アンモニアは20℃で8.5気圧の蒸気圧を有します。そのため、液化アンモニアが漏洩した場合、高圧のアンモニア蒸気が大量に生じる事となります。