北大、常温で高い水素透過性を持つ水素分離膜の開発に成功。燃料電池などへの応用期待

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水素固溶機構(a)及び水素イオン-電子混合伝導機構(b, c)による水素透過膜の概念図

北海道大学は2017年9月26日、古くからセラミックスとして利用されている窒化チタンを使った、常温でも高い水素透過性を持つ水素分離膜を開発したと発表した。

近年水素は、燃料電池などの普及にともないエネルギー源として注目され、需要が高まっている。水素は通常、水の電気分解や天然ガスの改質により生成されるが、その過程で生じるプロセスガスには水素の他にも様々な成分が含まれている。このため、水素のみを選択的に分離する必要がある。

水素を分離する最も簡単で効率的な方法は、水素のみを選択透過する固体膜を用いる方法だ。しかし、ニッケルやチタン、ニオブ、バナジウムなどの水素を大量に吸収する性質を持つ合金を使った膜を用いる方法は、水素が合金の金属原子間の結合を切断してしまうために、透過膜として長時間利用できないという課題がある。また、劣化を起こさないパラジウムは、希少金属のため大規模な利用が難しく、新しい原理に基づいた水素透過膜材料が求められている。

同大学では、窒化チタン(TiN)のナノ粒子膜が、室温でも非常に優れた水素透過性を持つことを発見。TiN微粒子からなる緻密膜を200nmまで薄くすることに成功し、厚さ5μm(5000nm)の銀パラジウム合金膜と比較して室温で50倍の水素透過速度を実現させた。

今回開発した水素分離膜によって、家庭用や車載用燃料電池への高純度水素分離供給や各種化学プロセスにおける水素分離が、簡便に行えるようになることが期待される。

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