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電気化学反応器、燃料ガスの製造システム及び燃料ガスの製造方法

国内特許コード	P190015991
整理番号	S2017-1077-N0
掲載日	2019年4月25日
出願番号	特願2017-181863
公開番号	特開2019-056153
出願日	平成29年9月22日(2017.9.22)
公開日	平成31年4月11日(2019.4.11)
発明者	平田好洋鮫島宗一郎下之薗太郎
出願人	国立大学法人鹿児島大学
発明の名称	電気化学反応器、燃料ガスの製造システム及び燃料ガスの製造方法
発明の概要	【課題】炭素の析出を抑えつつ、高効率で燃料ガスが得られる電気化学反応器、燃料ガスの製造システム及び燃料ガスの製造方法を提供する。【解決手段】電気化学反応器１００は、ニッケル、ルテニウム及びコバルトからなる群から選択される第１の金属を含有するカソード２と、ルテニウム又はコバルトである第２の金属を含有するアノード３と、カソード２とアノード３との間に介在し、酸化物イオンを透過させる金属酸化物を含有する多孔質の電解質膜１と、を備え、カソード２に向けて、酸素を含む酸化剤ガス及びバイオガスが供給される。【選択図】図１
従来技術、競合技術の概要	日本国内では、１年間に約１５０億Ｎｍ^３の水素が石油関連及びアンモニア製造関連等の工業用途に利用されている。近年の水素エネルギーの利用拡大に応じて、水素市場のさらなる拡大が予想される。現在使用される水素の９０％は、化石燃料のナフサを水蒸気改質して製造されている。ナフサの原料である原油の供給力は相対的に低下しつつある。さらに、大気中の二酸化炭素の削減が世界的動向となっている。低炭素社会をめざして、食物残渣、焼酎残滓、家畜排泄物及び下水汚泥等からメタン菌によるメタン発酵で発生するバイオガスの利用が注目されている。バイオガスは主にメタン６０％及び二酸化炭素４０％からなる混合ガスである。バイオガスの燃焼で生成する熱エネルギー及びバイオガスの改質で得られる水素ガスの利用は、原油等の化石燃料の消費量を抑制し、温室効果ガスである二酸化炭素の排出量を抑制する。メタン（ＣＨ_４）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を反応させることで生成する水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）は種々の燃料として利用できる。電極での酸化還元反応を利用して、ＣＨ_４及びＣＯ_２を含むガスからＨ_２ガス及びＣＯガスを含む燃料ガスを合成する方法として、ニッケル（Ｎｉ）等の金属触媒を用いたＣＨ_４のドライリフォーミングがある。ドライリフォーミングは（１）式で表される。ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２Ｈ_２＋２ＣＯ（１）例えば、Ｎｉ触媒を用いたドライリフォーミングでは、６００℃未満では（２）式に示すように、ＣＯからＣＯ_２及び炭素（Ｃ）が生成する不均化反応が起こる。２ＣＯ→ＣＯ_２＋Ｃ（２）一方、高温下では、（３）式に示すように、ＣＨ_４の熱分解が進行し、析出する炭素がＮｉ触媒を覆う。このため、触媒能が時間の経過とともに低下する。また、析出した炭素によるガス閉塞が起こることがある。ＣＨ_４→２Ｈ_２＋Ｃ（３）このように、バイオガスのドライリフォーミングでは、ＣＯ不均化反応及びＣＨ_４熱分解による炭素の析出が電気化学反応器の耐久性に大きな影響を及ぼす。特許文献１には、カソード及びアノードにルテニウム（Ｒｕ）－ガドリニウム（Ｇｄ）固溶セリア（ＧＤＣ）複合体を用いた電気化学反応器で、ＣＨ_４及びＣＯ_２を含むガスをドライリフォーミングし、Ｈ_２を合成する技術が提案されている。特許文献１によれば、当該電気化学反応器は、炭素の析出を抑制しつつ、４００～８００℃で模擬バイオガスのドライリフォーミングを促進した。また、非特許文献１には、Ｎｉ－ＧＤＣ複合体を用いたカソード、Ｒｕ－ＧＤＣ複合体を用いたアノードを備える電気化学反応器が開示されている。この電気化学反応器にバイオガスとＣＯ_２との混合ガスを供給したとき、出口ガス割合が８０％を超えるＨ_２－ＣＯ混合燃料が２４時間にわたり連続して生成した。
産業上の利用分野	本発明は、電気化学反応器、燃料ガスの製造システム及び燃料ガスの製造方法に関する。
特許請求の範囲	【請求項1】ニッケル、ルテニウム及びコバルトからなる群から選択される第１の金属を含有するカソードと、ルテニウム又はコバルトである第２の金属を含有するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に介在し、酸化物イオンを透過させる金属酸化物を含有する多孔質の電解質膜と、を備え、前記カソードに向けて、酸素を含む酸化剤ガス及びバイオガスが供給される、電気化学反応器。【請求項2】前記第１の金属は、ニッケルであって、前記第２の金属は、コバルトである、請求項１に記載の電気化学反応器。【請求項3】前記酸化剤ガスは、空気であって、前記バイオガスに含まれるメタンのモル数と、前記バイオガス及び前記空気それぞれに含まれる酸素のモル数及び二酸化炭素のモル数の合計との比が、１：０．９～１．１である、請求項１又は２に記載の電気化学反応器。【請求項4】請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学反応器と、前記カソードに向けて、前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを供給する供給部と、を備える、燃料ガスの製造システム。【請求項5】前記カソードと前記アノードとの間にパルス電圧を印加する印加部をさらに備える、請求項４に記載の燃料ガスの製造システム。【請求項6】前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを保持する保持部をさらに備え、前記供給部は、前記保持部に保持された前記酸化剤ガス及び前記バイオガスを前記カソードに向けて供給する、請求項４又は５に記載の燃料ガスの製造システム。【請求項7】ニッケル、ルテニウム及びコバルトからなる群から選択される第１の金属を含有するカソードと、ルテニウム又はコバルトである第２の金属を含有するアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に介在し、酸化物イオンを透過させる金属酸化物を含有する多孔質の電解質膜と、を備える電気化学反応器を用いた燃料ガスの製造方法であって、前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する印加ステップと、前記カソードに向けて、酸素を含む酸化剤ガス及びバイオガスを供給する供給ステップと、を含む、燃料ガスの製造方法。
国際特許分類(IPC)	C25B 9/08 隔膜を備えたもの C25B 1/02 水素または酸素 C25B 1/00 無機化合物または非金属の電解製造 C25B 11/04 材料に特徴のあるもの C01B 3/38 触媒を用いるもの
Fターム	4G140EA03 炭化水素 4G140EA05 ガス化剤　例．ＣＯ，ＣＯ２ 4G140EB11 反応帯域に特徴のあるもの 4G140EC02 鉄族元素を含むもの 4G140EC03 白金族元素を含むもの 4G140EC04 希土類元素を含むもの 4K011AA17 鉄族金属に関するもの 4K011DA11 その他 4K021AA01 水素または酸素 4K021AB25 その他 4K021CA06 電流または電圧調整装置 4K021DB19 鉄族金属または炭素の 4K021DB53 電極と膜が密着，近接の構成を有する
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出願権利状態	公開

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発明の名称	ELECTROCHEMICAL REACTOR, PRODUCTION SYSTEM OF FUEL GAS, AND PRODUCTION METHOD OF FUEL GAS
発明の概要	PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical reactor, a production system of fuel gas, and a production method of fuel gas in which fuel gas is obtained with high efficiency, suppressing a carbon deposition. SOLUTION: An electrochemical reactor 100 comprises: a cathode 2 including a first metal selected from a group of nickel, ruthenium, and cobalt; an anode 3 including a second metal of ruthenium or cobalt; and a porous electrolyte membrane 1 including a metal oxide through which oxide ions permeate, being interposed between the cathode 2 and the anode 3. Oxidant gas including oxygen and biogas are supplied toward the cathode 2.

発明の名称

ELECTROCHEMICAL REACTOR, PRODUCTION SYSTEM OF FUEL GAS, AND PRODUCTION METHOD OF FUEL GAS

発明の概要

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical reactor, a production system of fuel gas, and a production method of fuel gas in which fuel gas is obtained with high efficiency, suppressing a carbon deposition.
SOLUTION: An electrochemical reactor 100 comprises: a cathode 2 including a first metal selected from a group of nickel, ruthenium, and cobalt; an anode 3 including a second metal of ruthenium or cobalt; and a porous electrolyte membrane 1 including a metal oxide through which oxide ions permeate, being interposed between the cathode 2 and the anode 3. Oxidant gas including oxygen and biogas are supplied toward the cathode 2.

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