論文賞

メタンのCO2改質および部分酸化反応における酸素センサを用いたガス組成分析

　

室山 広樹 殿1), 奥田 翔大 殿1),3) , 松井 敏明 殿1)
橋上 聖 殿2), 川野 光伸 殿2), 稲垣 亨 殿2), 江口 浩一 殿1)
（1) 京都大学大学院工学研究科，2) 関西電力（株））

　炭化水素，とりわけメタンを原料とした触媒による改質反応は，燃料電池の普及に伴い需要が増加している水素の製造や，有用な化学品や液体燃料への変換が可能な合成ガス（水素と一酸化炭素の混合ガス）の製造に広く用いられている。メタンの改質反応は，吸熱反応（水蒸気改質および炭酸ガス改質）および発熱反応（部分酸化）に大別され，それぞれの反応において，さらに高性能な改質反応用触媒の開発や反応機構の解明のために研究・開発が盛んに行われている。それぞれの改質反応において，生成ガス成分の変化や触媒の劣化状況を簡便に把握できれば，改質触媒の性能向上に対し非常に重要な情報を得ることができる。著者らは，改質反応中のガス組成の簡易なその場分析手法として酸素センサに着目し，その適用可能性について評価を行ってきた。
　本論文では，Ni/α -Al2O3触媒を用いた二つの異なるメタンの改質反応（炭酸ガス改質および部分酸化）をモデルとして，触媒層内に挿入した酸素センサ（Y2O3-ZrO2）により，触媒層入口から出口までの複数箇所において酸素分圧をリアルタイムで測定し，その値からメタン転化率や各ガス種の濃度を算出することを試みている。いずれの反応においても，触媒層出口での酸素分圧から算出したメタン転化率や生成ガス組成が，ガスクロマトグラフによる分析から得られた結果とほぼ一致しており，本手法により正確な組成推定が可能であることを明らかにしている。また，メタンの炭酸ガス改質では，触媒層のある点において水蒸気の分圧が高くなり，その後減少に転じていることから，メタンの炭酸ガス改質と並行して，二酸化炭素と生成水素の逆水性ガスシフト反応による水蒸気生成と，その後の水蒸気改質反応が連続して進行していることが本手法により確かめられている。加えて，本手法により，メタンの部分酸化反応では，触媒層入口から出口にかけてメタンが変換される過程において，触媒層前段ではメタンの完全酸化反応が進行し，後段では未反応のメタンと生成した二酸化炭素や水蒸気による改質反応が進行していることを確かめた。この際，各測定点でのメタン転化率の経時変化を比較すると，触媒層出口に比べ，触媒層入口でのメタン転化率の低下がより顕著であることより，活性劣化は触媒層入口から進行することを明らかにした。
　以上のように，本研究で得られた知見は，酸素センサにより任意の測定点においてリアルタイムでのメタン転化率と生成物の組成推定が可能であることを示し，基礎研究から実用レベルまで広く適応可能であることにより，本研究分野における大きな貢献と言える。
　よって，本論文は本会表彰規程第6条に該当するものと認められる。

[対象論文] J. Jpn. Petrol. Inst., 61, (2), 72 (2018).
[現在] 3) エクソンモービル・ジャパン(同)

 

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