摘 要：为在2050年实现碳中和，人们正在努力推进将可再生能源作为电力主要来源、向非化石类能源的转换、氢能利用的扩大等。另外，人们也越来越关注以排出的二氧化碳（CO2）为原料制造塑料等化学品的技术。P2C（Power to Chemicals）是指利用可再生能源将固定排放源排出的废气和大气中的CO2通过电解（CO2电解）转化成一氧化碳（CO），然后将其与由可再生能源制取的氢（H2）进行合成，制成燃料和塑料等化学品。东芝集团为实现P2C的实用化，正在推进技术开发。此次成功开发出用于CO2电解的大型阴极电极，电极面积为400cm2, CO生成法拉第效率达到96%以上，获得了良好的特性。另外，如果将该技术应用于喷气式飞机燃料制造，有望制造出CO2排放量比化石燃料减少约80%的替代燃料。
关键字：可再生能源、绿氢、CO2资源化、P2X、P2G、P2C、碳循环、CO2电解技术、喷气式飞机燃料
1、引言
为实现碳中和，除了将可再生能源作为主要电力来源和提高能源效率，还需要将可再生能源绿氢的扩大利用、回收并储存CO2的CCS（Carbon Dioxide Capture and Storage）、回收CO2的碳循环等新技术应用到社会实践。尤其是在2030年代以后，太阳能等不稳定的可再生能源将作为主要电力来源，如何应对电力系统的不稳定以及剩余电力的处理成为课题。东芝集团拥有解决这些课题的抽水发电、蓄电池、虚拟电厂（VPP）、电力控制系统等技术，此外还在研究P2X（Power to X）的有效性（图1）。
图1. P2X的概念
P2X是以可再生能源作为主要电力来源时，将剩余电力和CO2等转化成H2和化学品资源的新概念。
P2X包括通过水电解制备绿氢（H2）的P2G（Power to Gas），以及利用这些H2将CO2转化为资源的P2C，两者均使用可再生能源电力。P2G不仅可以利用可再生能源的剩余电力制备H2，还可以通过调整其产量来实现需求响应，从而有助于电力系统的稳定。P2G制备的H2被用于各行各业，同时其中一部分也用于将CO2转化为资源。
塑料和飞机、远洋船舶、车辆的燃料等化学品主要由碳和氢组成，因此利用CO2和绿氢制造高环境附加值化学品的P2C，今后有望作为实现化学品低碳化的方法被持续使用。
P2C的概念如图2所示：将大气中的CO2以及设施排出的CO2分离回收，再利用可再生能源电能将其电解转化成CO；制得的CO可与H2反应生成化学品和合成燃料等，还可通过微生物发酵生成乙醇。这些产品被用于各种用途，最终CO2作为产品被固定或被排放到大气中。排放的CO2需要通过DAC（Direct Air Capture）回收，即使不回收，也比使用原油制造排放量少。
图2. P2C的概念
P2C是利用可再生能源电能将从废气和空气中分离回收的CO2电解生成CO，再通过化学合成和发酵制成燃料和塑料等化学品。
此碳循环中，CO2分离回收、合成以及发酵过程虽然仍存在经济性上的问题，但正在进行实用化研究。为了实现该碳循环，东芝集团正在推进CO2电解技术的开发。该技术投入实用后，可生产图3所示的化学品。
图3.通过P2C工艺可以制造的化学制品示例
这些化学品目前是用原油和天然气制造的，如果实现P2C，就可以用CO2生成的CO和H2进行合成，从而减少化石燃料的使用量。
下面将介绍CO2电解技术的概况、CO2电解池大型化的对策，以及P2C技术在喷气式飞机燃料制造中的应用前景。
2、CO2电解技术的开发
2.1 固体高分子型CO2电解池的结构和特征
此前开发出的CO2电解技术(1),(2)基于人工光合作用技术，在常温常压下将CO2通过电解转化为CO。但是，人工光合作用技术只能转化溶于水溶液中的微量CO2，因此存在产量低的问题。为了解决这一问题，研究人员开发出了不使用水溶液，而是直接与CO2气体反应的固体高分子型CO2电解池(3),(4)。这种电池的转化速度可以达到以往电解池(1)的约450倍，产量大幅提高(5)。
图4展示了固体高分子型CO2电解池的原理。单电池由气体扩散层和催化剂层组成的阴极、固体高分子隔膜和阳极构成。在供给电解液和CO2气体的同时，通过施加外部电压，阴极侧发生如式（1）所示的CO2还原反应，生成CO和氢氧化物离子（OH‒）。通过采用这样的电解池结构，可以调整气相CO2、液相水（H2O）以及固相（催化剂）电子（e‒）等三相的供给量，从而实现了式（1）的反应控制（三相界面控制）。
另外，通过在催化剂层内形成大量CO2（气相）、H2O（液相）、