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摘要：在现有PEM水电解装置的基础上，通过向产生氢气的电极侧（阴极）供水，使氢与水之间发生的同位素交换反应的平衡向水一侧倾斜，使重氢气体倾向于溶于液体中，从而提升重水回收的效率，实验证实，效率比以往高约20%。

关键词：PEM水电解、重水、反应平衡、阴极、置换反应

要点

在脱碳化的背景下，水电解的应用不断普及。本研究开发出一种新的操作方式，在制取氢气的同时，以比以往高约20%的效率回收重水（含重氢的水）。重水在半导体、医药及核聚变等领域是不可或缺的材料。
通过向产生氢气的电极侧（阴极）供水，可使氢与水之间发生的重氢置换（同位素交换）反应的平衡向水一侧倾斜，从而创造有利于在液相中回收重水的条件。
该方法只需对现有的水电解装置进行小幅调整，就可在制氢过程中增添“重水回收”功能。另外，若将浓缩水作为下一段的原料进行多段循环，各阶段的改善效果可不断叠加，有望进一步提高回收效率。

概要

在脱碳化的背景下，水电解制氢正在不断普及。在水电解过程中，已知由于同位素的特性，重氢容易以重水的形式残留在水中，并在电解液中易被浓缩。然而，由于制氢才是主要目的，这种特性一直未能得到充分利用。本研究着眼于这一问题，探讨了在制氢的同时高效回收重水的操作方法。重水在半导体和光纤制造、药品制造以及未来的核聚变等领域是不可或缺的基础材料。

本研究采用固体聚合物（PEM）型水电解装置，引入了向产生氢气的电极侧（阴极）供给重氢浓度较低的水这一工艺。通过这种方式，可使在生成的氢气与水之间发生的同位素交换反应的平衡向水一侧偏移，从而抑制重氢变为气体，使其更容易以液体形式（重水）得到回收。利用实际设备在设定的运行条件下进行实验，与以往方法相比，回收效率提高了约20%。此外，理论模型也再现了相同的趋势，证实了向阴极侧供水带来的改善效果。

该成果无需改变现有水电解装置的基本结构，即可在制氢过程中增添“重水回收”的功能。今后将采用大型单电池或电堆进行试验，验证改善效果的复现性及长时间运行的稳定性，并进一步完善引入时所需的操作步骤。

背景与经过

为实现脱碳社会，氢能的利用不断扩大，作为制氢手段的水电解装置不断普及。特别是PEM型水电解装置，搭配可再生能源，可在不排放CO₂的情况下制氢，并且响应速度快、装置精简，在产业中的应用不断扩大。

然而，除了制氢用途以外，水电解装置的其他性质尚未被充分利用。其中之一是在水电解过程中会发生氢（H）和重氢（D）的互换（同位素交换），因此理论上可应用于重水的回收和浓缩。但是这一用途在产业中的应用有限，主要原因是难以在实用条件下兼顾制氢性能和耐久性。以往的研究多致力于通过改进电极催化剂来提高效率，但是许多方法需要使用昂贵的材料，成为实现产业化的一大障碍。

重水在半导体和光纤制造、制药以及核聚变等尖端产业是不可或缺的物质。在自然界中，重水仅极微量（约0.015%）存在于水中，其浓缩过程需要消耗大量能量。

日本原子能研究开发机构通过在核能领域的重水应用与研究，积累了关于重水、重氢分离与分析的知识。基于这些积累，研究团队以采用PEM的电化学装置为基础，开展重氢回收的相关研究。

本研究旨在探索如何在不断普及的PEM型水电解装置上，在保持制氢功能的同时增添重水回收这一附加价值。考虑到现场情况，尽量减少额外能耗和设备改造至关重要。在梳理影响回收效率的因素后发现，关键在于——氢与重氢替换的同位素交换反应的平衡会因生产氢气的催化剂附近的水的组成而发生变化。基于此，本研究着眼于向电解装置供水的方式，作为调整局部环境的手段。

研究成果

本研究提出了一种仅需在现有PEM型水电解装置中增加供水，即可将重水回收效率提升约20%的方法。目标是抑制重氢以气体形式逸出，使其更容易以液体形式得到回收。该方法无需大幅改变电极催化剂或电池结构，可直接利用现有设备进行改装，具有显著优势。PEM型水电解装置是由阳极、阴极和固体高分子膜构成的三层结构系统（图1）。当含有重水的原料水被送至阳极进行电解时，氢离子（H⁺）和重氢离子（D⁺）穿过固体高分子膜移动至阴极，此时部分水和重水也会一起被带至阴极侧。在阴极，催化剂表面生成氢同位素气体，而被带过去的水和重水则以液体形式残留在催化剂附近。

此时，生成的气体会与周围的水之间会发生重氢往来的同位素交换反应，最终达到某一比例的平衡（图2a）。随着该反应的进行，原本应以气体形式逸出的重氢会被水吸收，从而更容易以液体形式的重水得到回收。若将回收的重水重新送回原料侧继续电解，原料水中的重氢浓度就会逐渐升高，不断浓缩。

研究团队注意到，这种平衡会随反应中所涉及的重水浓度而变化。其中关键的一点是：当阴极附近的重水浓度降低时，反应会倾向于向补充重水的方向进行（图2b）。利用这一特性，研究人员在阴极侧额外供给低浓度的重水，有意降低阴极附近的重水浓度。这样便创造了更有利的条件，促使气化的重氢更容易向水相转移，从而增强其转化为液态重水的倾向。

为验证其有效性，研究人员采用实际设备在设定运行条件（高电流密度2.0 A cm^-2）下进行了重水浓缩实验，并比较了是否向阴极侧供水时的差异。在保持除供水位置（图3a、b）以外的其他条件一致的前提下，通过测定达到的浓度与原料浓度之差来评价重氢回收效率（即有多少从气体侧逸出的重氢以液体形式被回收）。

当原料水的重氢浓度约为10%时，传统方法（不向阴极侧供水）的重水浓度变化为10.0%→23.8%，而本方法则表现为10.5%→27.3%，回收效率比传统方法提高了约20%。即使原料水的重氢浓度约为90%时，也观察到了同样的回收率提升，表明本方法在低浓度到高浓度范围内均有效。

为进一步确认所获得的改善并非偶然，而是由于控制了阴极附近发生的同位素交换反应的平衡所致，研究团队构建了一个包含平衡状态的理论模型，比较了有无供水的情况。结果表明，理论计算很好地再现了在实验中观测到的浓缩行为，证实了本方法通过有意地改变平衡状态，使原本以气体形式逸出的重氢更容易被回收至液体侧。

综上所述，本研究成果聚焦于PEM型水电解中重水浓缩的关键——平衡，提出了通过“供水”这一操作上的改进来调控该平衡并提高回收效率的方法论。

未来展望

为实现碳中和，PEM型水电解装置正在不断普及。在这一背景下，本方法无需大幅改变催化剂材料或装置结构，仅通过增加供水即可提高重水回收效率，具有易于在现有设备上引入的特点。这使得在制氢的同时，可为现有装置增添回收和浓缩重氢的附加价值。此外，若将浓缩后的重水作为原料水输送至另一反应单元（下一段）进行再次浓缩，做成多段式结构，则各段的改进效果可逐步累积，从而有望进一步提升装置整体的回收效率。由于PEM型水电解设备通常采用将电池叠层以扩大性能的堆叠结构，因此便于研究基于多段化的设备设计。随着PEM型水电解装置的普及，重水回收的应用场景将不断扩大，有助于重水的回收利用，强化相关供应链。

此外，由于本方法在高浓度领域同样有效，因此在循环利用宝贵重水的社会氛围下，也可考虑将其应用于重水回收及高度纯化工艺。未来，研究团队将致力于抑制浓缩过程中重氢气体的外泄，对包括周边工艺在内的整个系统进行优化。

今后，将构建能够再现电极内浓度分布和同位素交换过程的模型，梳理供水条件与回收效率之间的关系，并提出相应的设计方针。同时，针对多段式结构，从模型和实证两方面评价整体装置的效率提升逐步累积的机制。此外，计划使用大型单电池或电堆模块，确认提升效果的可重复性和长时间运行的稳定性，并通过与产业界的合作制定具体的实施方案。

https://www.jaea.go.jp/02/press2025/p26030501/

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