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» 2021年03月22日 08時00分 公開

人工光合成ではない「P2C」でCO2からCOを生成、東芝が工業化にめど研究開発の最前線(1/2 ページ)

東芝がCO2(二酸化炭素)を燃料や化学品の原料となるCO(一酸化炭素)に電気化学変換する「Power to Chemicals(P2C)」を大規模に行う技術を開発。一般的な清掃工場が排出する年間約7万トンのCO2をCOに変換でき、CO2排出量が清掃工場の数十倍になる石炭火力発電所にも適用可能だという。

[朴尚洙,MONOist]
東芝が開発したP2C電解セルスタック 東芝が開発したP2C電解セルスタック(クリックで拡大) 出典:東芝

 東芝は2021年3月22日、CO2(二酸化炭素)を燃料や化学品の原料となるCO(一酸化炭素)に電気化学変換する「Power to Chemicals(P2C)」を大規模に行う技術を開発したと発表した。一般的な清掃工場が排出する年間約7万トンのCO2をCOに変換でき、CO2排出量が清掃工場の数十倍になる石炭火力発電所にも適用可能だという。2025年の市場投入を目指して開発を進めるとともに、政府が推進するカーボンニュートラルによる需要拡大に合わせて2030年ごろから本格的に事業化していきたい考えだ。

 今回開発したのは、電力を使ってCO2からCOを生成するP2Cの電解セルの大面積化と、電解セルを複数積層するスタック化の技術である。

P2C電解セルの処理性能向上に必要な3つの要素 P2C電解セルの処理性能向上には、大面積化、スタック化、高電力密度化の3つの要素がある(クリックで拡大) 出典:東芝

 東芝は2019年3月、CO2を気相で直接反応させられる独自開発の還元触媒電極を用いた電解セルにより、液相で反応する従来型の電解セルと比べて約466倍となる電流密度700mA/cm2、ファラデー効率(全電流に対する生成物に寄与した部分電流の割合)92%を達成していた。この性能は、CO2を効率的に触媒と反応させる三相界面制御技術と、多孔質構造で触媒活性面積を増大させる構造制御技術によって実現した。触媒の材料については詳細を明かしていないものの「燃料電池などで用いられている一般的な金属材料」(東芝 研究開発本部 研究開発センター トランスデューサ技術ラボラトリー 上席研究員の北川良太氏)としている。

独自開発の還元触媒電極を用いた電解セルの技術三相界面制御技術と構造制御技術によって実現 東芝が2019年3月に発表した独自開発の還元触媒電極を用いた電解セルの技術(左)。三相界面制御技術と構造制御技術によって実現した(右)(クリックで拡大) 出典:東芝

 しかしこの時点では、電解セルの面積は1cm2にすぎず、P2C電解セルを工業的に利用可能にする上ではCO2の処理能力を大幅に増やすための大規模化の技術が必要だった。そこで東芝は、電解セルの大面積化とスタック化に向けた開発に着手。今回の発表では、面積を従来比100倍となる100cm2に広げて4層にスタックした電解セルを開発した。電流密度200mA/cm2で動作させた際のファラデー効率は94%を達成している。2019年3月発表時の電解セルを用いると1m2当たりのCO2処理能力は年間約4トンにすぎないが、新たに開発した電解セルを用いれば1m2当たり年間約35トンのCO2を処理できる。

開発したP2C電解セルスタックの処理性能 開発したP2C電解セルスタックの処理性能。P2C電解セルは、東芝は2014年ごろに開発していた人工光合成セルと比べて1700倍近い処理性能の向上を果たしていたが、今回の大面積化とスタック化によりさらに処理性能が向上した(クリックで拡大) 出典:東芝

 一般的な清掃工場は、敷地面積が5万m2に対してCO2の年間排出量は約7万3000トンになる。この清掃工場に近接した約2000m2の空きスペースに、新開発のP2C電解セルを用いた電解装置を設置すれば、排出されるCO2をほぼ全てCOに変換できることになる。なお、約2000m2の広さは、バスケットコート5つ分(2100m2)、50mプール2つ分(2500m2)に当たる。また、CO2をCOなどの有価物に変換する他技術と比較した場合、光触媒を用いる人工光合成では195ha(1haは1万m2)、藻類培養で723haの敷地が必要になるという。

一般的な清掃工場のCO2排出量に求められるCO2電解装置の性能と設置面積 一般的な清掃工場のCO2排出量に求められるCO2電解装置の性能と設置面積(クリックで拡大) 出典:東芝
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