芝浦工大など、CO₂フリー水素の高効率な生産を可能にするISプロセス用の反応器を新開発

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芝浦工業大学と量子科学技術研究開発機構は2017年3月2日、熱化学反応で水から水素を製造するISプロセスの高効率化が期待される「イオン交換膜型ブンゼン反応方式」の実用化に向けて、新開発のイオン交換膜と電極触媒を用いた反応器を作製し、目標とする反応条件での実験に成功したと発表した。

ISプロセスは、ヨウ素（I）と硫黄（S）を循環物質とした熱化学反応サイクルにより、水を分解して水素と酸素に変換する技術だ。二酸化炭素を排出せずに高温熱で水素を製造することができる。同プロセスの最初に位置するブンゼン反応は大量の循環物質を必要とする。解決策として膜ブンゼン反応方式が検討されてきたが、既存のイオン交換膜では水素イオンの選択的な透過性が十分でないという問題があった。また、陽極側の電極触媒にて消費される電力が大きいことも問題だった。

そこで、芝浦工業大学と量子科学技術研究開発機構は、放射線を利用した高分子グラフトと架橋技術を用い、網目構造を持つ新しいイオン交換膜を開発。これにより、水の透過を既存の膜より60％削減するとともに、水素イオンの輸率をほぼ1.0と理論限界レベルに高め、水素イオンの選択的かつ効率的な透過を可能にした。また、新たに開発した貴金属複合触媒を陽極とする膜ブンゼン反応器を動作させ、陽極の消費電力が従来から半減することを確認した。

これらの成果に基づき、太陽熱を利用する場合の膜分離新ISプロセス全体のエネルギー計算を行ったところ、太陽熱発電と水電解水素製造の組み合わせよりも10ポイント以上も効率が向上することが分かった。今後は、イオン交換膜・電極触媒の耐久性向上をはじめ、エネルギー低減に向けた改良などの実用化研究を進めていくとしている。

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