太陽熱/化学燃料転換のための低温作動型メタン改質触媒デバイスの開発

吸熱反応であるメタンの二酸化炭素改質反応(CH_4+CO_2→2CO+2H_2)に集光太陽熱をプロセスヒートとして吸収させることで、製造燃料の持つエネルギーを原料メタンと比較して25%程度、太陽エネルギーによって増大させることが可能である。触媒を担持したセラミック発泡体プレート(触媒デバイス)に集光を直接照射し、これに反応ガスを流通して改質を行う大型のソーラー改質器が、欧米で既に開発されているが、この改質器を日本等の温帯地域で有効に利用するには、さらに高活性の触媒デバイスが必要である。本研究では、従来のセラミック発泡体に替えて、熱伝導効率の高い金属発泡体をデバイスに使用することが有効と考え、検討を行った。今年度は、昨年度に開発したRu/γ-Al_2O_3担持型Ni-Al-Cr合金発泡体(高温耐久性)の触媒デバイスについて合成条件を検討し、反応活性をさらに向上させることができた。今年度の研究成果の総括として、下記の2点が見出された。1)本研究のRu/γ-Al_2O_3担持金属発泡体は、太陽集光のエネルギー密度が低い場合に従来のRu/γ-Al_2O_3担持セラミック発泡体を超える反応効率を実現する。集光のエネルギー密度が200kW/m^2程度のとき、従来の触媒デバイスではエネルギー転換率が高々45%程度であるのに対し、本研究の金属発泡体触媒デバイスでは70%を超えるエネルギー転換率を達成することができた。コスト的にも高価なRhに替えて、より安価なRuを使用できるので触媒デバイスのコストダウンができる。2)本研究の金属発泡体触媒デバイスは、集光のエネルギー密度が高い場合においても、そのエネルギー分布が不均一なときに、従来のセラミック発泡体よりも高い反応効率を実現する。これらの特性は金属発泡体の良熱伝性によるものと考えられる。200kW/m^2の集光エネルギー密度は、日本等の温帯地域で1000倍程度の集光で容易に達成できる。実用化のためには、今後、本反応デバイスの大型化による反応試験が必要である。

吸熱反応であるメタンの二酸化炭素改質反応(CH_4+CO_2→2CO+2H_2)に集光太陽熱をプロセスヒートとして吸収させることで、製造燃料の持つエネルギーを原料メタンと比較して25%程度、太陽エネルギーによって増大させることが可能である。触媒を担持したセラミック発泡体プレート(触媒デバイス)に集光を直接照射し、これに反応ガスを流通して改質を行う大型のソーラー改質器が、欧米で既に開発されているが、この改質器を日本等の温帯地域で有効に利用するには、さらに高活性の触媒デバイスが必要である。本研究では、従来のセラミック発泡体に替えて、熱伝導効率の高い金属発泡体をデバイスに使用することが有効と考え、検討を行った。今年度は、昨年度に開発したRu/γ-Al_2O_3担持型Ni-Al-Cr合金発泡体(高温耐久性)の触媒デバイスについて合成条件を検討し、反応活性をさらに向上させることができた。今年度の研究成果の総括として、下記の2点が見出された。1)本研究のRu/γ-Al_2O_3担持金属発泡体は、太陽集光のエネルギー密度が低い場合に従来のRu/γ-Al_2O_3担持セラミック発泡体を超える反応効率を実現する。集光のエネルギー密度が200kW/m^2程度のとき、従来の触媒デバイスではエネルギー転換率が高々45%程度であるのに対し、本研究の金属発泡体触媒デバイスでは70%を超えるエネルギー転換率を達成することができた。コスト的にも高価なRhに替えて、より安価なRuを使用できるので触媒デバイスのコストダウンができる。2)本研究の金属発泡体触媒デバイスは、集光のエネルギー密度が高い場合においても、そのエネルギー分布が不均一なときに、従来のセラミック発泡体よりも高い反応効率を実現する。これらの特性は金属発泡体の良熱伝性によるものと考えられる。200kW/m^2の集光エネルギー密度は、日本等の温帯地域で1000倍程度の集光で容易に達成できる。実用化のためには、今後、本反応デバイスの大型化による反応試験が必要である。