沸騰大変動時代（四十一）

彦根藩二代当主である井伊直孝公をお寺の門前で手招き雷雨から救っ
たと伝えられる招き猫と、井伊軍団のシンボルとも言える赤備え（戦
国時代の軍団編成の一種、あらゆる武具を朱りにした部隊編のこと）
と兜（かぶと）を合体させて生まれたキラクタ「ひこにゃん」。



【最新メタネ－ションと触媒技術②】
ラスト・ディケイド事業創出の研究調査も今回で最終段階に入ったと
作業していたら、俳優の中尾淋さんの訃報が届きビックリ（享年八十
一　合掌）。
それにしても情報の処理時間が幾何的に増して（老い）ているようで
第４次産業革命の再認識する。さぁ！帆を上げよう！
「最新メターネーションプラントと光触媒製造法」の開発段階も最終
段階に入ったと確認する。

1.特開2024-070149 ガス還元装置、ガス還元方法 東北大学

【概要】

下図１のごとく、反応器本体１０と、反応器本体１０に形成されたマ
イクロ流路２０と、反応器本体１０に形成され、マイクロ流路２０に
連通し、マイクロ流路２０内に気体を導入する気体導入口３０と、反
応器本体１０に形成され、マイクロ流路２０に連通し、マイクロ流路
２０内に液体を導入する液体導入口４０と、マイクロ流路２０の内側
面に設けられた陰極５０と、マイクロ流路２０の内側面に設けられ、
陰極５０と対向する陽極６０と、反応器本体１０に形成され、マイク
ロ流路２０に連通し、マイクロ流路２０から反応気体を導出する気体
導出口７０と、を備え、マイクロ流路２０は、前記気体と前記液体と
からなる気液混合流を保持する、ガス還元装置１。で体の還元を高効
率で行うことができるガス還元装置、およびガス還元装置を用いたガ
ス還元方法を提供する。

図１実施形態に係るガス還元装置の概略構成を示す平面図 

【符号の説明】

１ ガス還元装置 １０ 反応器本体　２０ マイクロ流路　３０ 気体
導入口　４０ 液体導入口 ５０ 陰極 ６０ 陽極 ７０ 気体導出口 
８０ 気体選択透過フィルタ ９０ 液体導出口 １００ 電圧印加手段
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
【特許請求の範囲】
【請求項１】 反応器本体と、 前記反応器本体に形成されたマイクロ
流路と、前記反応器本体に形成され、前記マイクロ流路に連通し、前
記マイクロ流路内に気体を導入する気体導入口と、前記反応器本体に
形成され、前記マイクロ流路に連通し、前記マイクロ流路内に液体を
導入する液体導入口と、前記マイクロ流路の内側面に設けられた陰極
と、前記マイクロ流路の内側面に設けられ、前記陰極と対向する陽極
と、前記反応器本体に形成され、前記マイクロ流路に連通し、前記マ
イクロ流路から反応気体を導出する気体導出口と、を備え、前記マイ
クロ流路は、前記気体と前記液体とからなる気液混合流を保持する、
ガス還元装置。
【請求項２】前記陰極は、前記マイクロ流路の内側面を細線化または
多孔質化された部位と、前記部位に担持された還元触媒金属と、を有
する、請求項１に記載のガス還元装置。
【請求項３】前記還元触媒金属は、銅、銀、鉄、ニッケル、白金、ロ
ジウム、金、銀、亜鉛、パラジウム、錫、鉛、インジウム、チタン、
タングステンおよびモリブデンから選択される少なくとも１種の金属、
あるいはこれら金属の合金または酸化物である、請求項２に記載のガ
ス還元装置。
【請求項４】前記マイクロ流路に接続され、前記マイクロ流路から反
応液体を導出する液体導出口を備える、請求項１に記載のガス還元装
置。
【請求項５】前記気体導出口に設けられ、前記マイクロ流路から導出
される反応気体を選択的に透過し、前記反応気体に含まれる不純物を
除去する気体選択透過フィルタを備える、請求項１に記載のガス還元
装置。
【請求項６】前記マイクロ流路の幅および高さは、０１ｍｍ～２０ｍ
ｍである、請求項１に記載のガス還元装置。
【請求項７】 前記気体導入口からの前記気体の流入速度は、００１ｓ
ｃｃｍ～１００ｓｃｃｍである、請求項１に記載のガス還元装置。
【請求項８】 前記陰極と前記陽極に電圧を印加する電圧印加手段を
備える、請求項１に記載のガス還元装置。
【請求項９】 前記反応器本体を２つ以上備える、請求項１に記載の
ガス還元装置。
【請求項１０】請求項１～９のいずれか１項に記載のガス還元装置を
用いたガス還元方法であって、前記液体導入口から前記マイクロ流路
内に前記液体を導入する工程と、前記気体導入口から前記マイクロ流
路内の前記液体に前記気体を導入し、前記マイクロ流路内で前記気液
混合流を形成する工程と、前記陰極と前記陽極に電圧を印加し、前記
液体中で前記気体を還元する工程と、前記気体導出口を介して前記マ
イクロ流路から前記気体の還元によって生成した反応気体を導出する
工程と、を有する、ガス還元方法。
【請求項１１】 前記気体は二酸化炭素を含み、前記液体は水、エタ
ノールおよびカルボン酸類から選択される少なくとも１種を含む液体
であり、前記陰極は銅を含み、前記反応気体はメタンを含有する、請
求項１０に記載のガス還元方法。
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【発明の詳細な説明】(関心事外は任意割愛） 
【背景技術】
太陽光等の再生エネルギーを利用して、グリーンな燃料を作り出し、 
貯蔵・利用するコンセプトは、「Ｐｏｗｅｒ－ｔｏ－Ｘ（Ｘは、Ｇａｓ
やＦｕｅｌ等）」と呼ばれ、近年注目を浴びている技術である。温暖 
化ガスである大気中の二酸化炭素の増加を和らげるための手法とし、 
例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）を還元して、有用なエネルギー源に物 
質変換する技術が挙げられる。この技術は、「Ｐｏｗｅｒ－ｔｏ－Ｘ」 
の中でも有望な技術の１つである。一方、ＣＯ２の還元技術は、宇宙 
ステーションでのＣＯ２除去や、火星（大気の９５％がＣＯ２）での 
エネルギー確保等の要請も研究開発の動機となっている。 
 二酸化炭素を熱化学的に還元する方法に対して、二酸化炭素を電気化
学的に還元する方法には、以下のような利点が挙げられる。
（１）燃料や有用な化学物質に変換し、利用した電解液を再利用でき
る。この際に消費される化学物質は、水と二酸化炭素のみである。
（２）電気化学的に還元する方法は、常圧・常温で実施できる。
（３）電気化学的還元に必要な電力は、再生可能な資源から得られる

 二酸化炭素を電気化学的に還元する方法には、上記のような利
点があるにもかかわらず、現在までに実用可能な、電気化学的還元
のための触媒電極やメタネーション・システムが開発されていない。
その理由としては、以下の（１）、（２）の２つの理由が挙げられる。
（１）二酸化炭素の電気化学的還元反応は、複雑な多電子移動プロセ
スである。
例えば、以下の（Ａ）、（Ｂ）の電気化学的還元反応が知られている（
例えば、非特許文献１参照）。
ＣＯ２＋８Ｈ＋＋８ｅ－→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
電気化学ポテンシャルＥ０＝－０．２４Ｖ・・・（Ａ）
ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ
電気化学ポテンシャルＥ０＝－０．５２Ｖ・・・（Ｂ）
（２）反応の選択性が低く、様々な生成物を生成する。金、銀、亜鉛、
パラジウムを電気化学電極として用いた場合、一酸化炭素が反応生成 
物として生成する。一方、銅を電気化学電極として用いた場合、メタ 
ン、エチレン、エタノール等の複数種の反応生成物として生成する。 
また、錫、鉛、インジウムを電気化学電極として用いた場合、ギ酸が 
発生する反応メカニズムも存在する（例えば、非特許文献１参照）。 

 銅を触媒として用いた場合、一般的には様々な生成物が生成する（ 
例えば、非特許文献２、３参照）。
 二酸化炭素の電気化学的還元では、Ｃｕ（１１１）表面にてメタンが 
優勢的に生成し、Ｃｕ（１００）表面にてエチレンが優勢的に生成す 
る（例えば、非特許文献２参照）。また、二酸化炭素の電気化学的還 
元では、プロトンの遷移を伴わない還元反応が優勢になり、一酸化炭 
素が電極表面でＣ－Ｃ結合を形成することで、エチレンが形成しやす 
い。白金やニッケル等の表面においても、この反応が優勢となる。ま 
た、電解めっきやスパッタ堆積で形成した多結晶Ｃｕを利用した二酸 
化炭素の電気化学的還元では、エチレンの形成が優位となることが知 
られている（例えば、非特許文献３参照）。

 Ｃｕナノ粒子が表面に存在する電極、電解研磨されたＣｕ電極、スパ 
ッタ体積で形成されたＣｕ電極それぞれの表面の影響について検討し 
たところ、粗面化されたＣｕ電極表面は炭化水素に対して高い生成種 
の選択性があることが報告されている（例えば、非特許文献４参照）。
 一方、その報告には、以下の２つの競合する反応が、電気化学電流に 
寄与するとしている。
＊ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→＊ＣＯ＋Ｈ２Ｏ
（＊は表面に吸着した分子を示す）
２＊Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２
 つまり、中間生成物である一酸化炭素の生成を促進するためには、水 
素イオンが必要であるが、水素分子が生成してしまい、一酸化炭素の 
生成効率が低下するのが一般的である。
 以上のように、二酸化炭素の電気化学的還元は有望な技術ではあるが、 
技術的な困難さのため、実用化に至っていない。

 二酸化炭素の電気化学的還元に用いられるＨ型セルが知られている（ 
例えば、非特許文献５、６参照）。このセルでは、陰極の電解液に溶 
解した二酸化炭素しか反応物質として利用できないため、二酸化炭素 
の還元の反応速度は、二酸化炭素の物質移動（溶解速度）の制限によ 
って決まる。水溶液系の電解質への二酸化炭素の溶解度は極めて小さ 
いという事実が、二酸化炭素の還元速度を事実上決めている。また、 
固体電解質が陰極と陽極の間に存在すると、大きな還元電流が流せな 
いという課題がある。

二酸化炭素と湿気を帯びた蒸気と混合させて利用する反応器が知られ 
ている（例えば、非特許文献７参照）。この反応器では、イオン交換 
膜等の固体電解質膜を用いているため、固体電解質中の水素イオンの 
拡散が二酸化炭素の還元反応を律速する要因となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】以下割愛
【発明の効果】
本発明によれば、固体電解質膜を用いずに、気体の還元を高効率で 行 
うことができるガス還元装置、およびガス還元装置を用いたガス還元
方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス還元装置の概略構成を示す平
面図である（前出記載）。

【図２】本発明の一実施形態に係るガス還元装置の概略構成を示し、
図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。

【図３】本発明の一実施形態に係るガス還元装置の概略構成を示す斜
視図である。

【図４】本発明の一実施形態に係るガス還元装置の概略構成を示す斜
視図である。

【図５】本発明の一実施形態に係るガス還元装置により二酸化炭素を
還元し、排出されたガスをカスクロマトグラフィーで分析した結果を
示す図である。
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【今回の調査事例：赤字事例は「触媒構造例」】
２．特開2024-55688　生成装置及び生成方法　日立造船株式会社
３．特開2024-40891　水電解一体型メタネーションセルおよびそれを
　用いた電解メタネーション装置　学校法人福岡大学
４．特開2024-38944　触媒反応装置　日立金属株式会社
５．特開2024-029659 製造システム及びメタンの製造方法　静岡大学
６．特開2024-21052  触媒構造体 日本特殊陶業株式会社
７．特開2024-18475 炭化水素製造装置および炭化水素製造方法 
   日立製作所