メタンと二酸化炭素を含む実バイオガスからの多孔質電気化学反応器を用いた水素-一酸化炭素混合燃料の製造

摘要

現在，工業的に利用されている水素の90%以上がナフサの水蒸気改質（C_mH_n+mH_2O>(m+w/2)H_2+mCO)とその後の水性ガスシフト反応(mCO+mH_2O→mH_2+mCO_2)で製造されている.改質後のガスは水素と二酸化炭素の混合ガスからなる.化石燃料の消費と二酸化炭素の排出を抑制するために，再生可能エネルギ一を用いた発電や水素製造が進められている.再生可能エネルギーの一つに，食物残渣や下水汚泥から発生するバイオガスがある.バイオガス中のメタン(60vol%)をそれに含まれる二酸化炭素（40vol%)で改質（ドライリフォーミング）することにより，H_2-CO混合燃料を製造できる（CH_4+CO_2→2H_2+2CO).これは固体酸化物形燃料電池の燃料として利用でき，発電が可能である.バイオガスのドライリフォーミング反応を促進し，競争反応であるメタン熱分解(CH_4—C+2H_2)や一酸化炭素の不均化反応（2CO→C+CO_2)を抑制するための触媒研究が数多く行われている.これらに有効な触媒としてルテニウムやロジウムが報告されている一方で，ニッケルはメタン熱分解を促進する触媒研究に加えて，分離膜を用いた生成ガスからの水素の分離も研究されている.水素の分離により，ドライリフォーミングの逆反応および水性ガスシフト反応の逆反応(H_2+CO_2→CO+H_2O)が抑制され，水素の生成量を増やすことができる.これらの反応の標準ギブス自由エネルギー変化を熱力学データべ一スを用いて計算し，図1に示した.ドライリフォーミング反応(a)およびメタン熱分解反応(b)は642°C以上で進行する.一方で，一酸化炭素の不均化反応(d)は700°C以下で進行する.