基于甲酸脱氢反应的高压氢气高效制取技术

利用甲酸实现氢能的有效利用

使用氢气代替化石燃料的氢能社会的实现有望成为全球变暖对策的关键。氢气可以利用太阳能或风能制得，且氢气在使用时不会排放CO₂，因此可以作为可再生能源得到有效利用。另一方面，阻碍氢气普及的一大因素是氢气难以储存和运输，因此目前，氢相关领域的众多研究者都在积极研发可高效储存和运输氢气的物质——“氢载体”。其中，日本产业技术综合研究所的姬田雄一郎高级主任研究员和川波肇高级主任研究员等组成的研究小组对高性能催化剂和反应过程进行了研究，以利用“甲酸”作为新的载体候选物质。

能够避免能源浪费和实现氢能储存和运输的技术

利用可再生能源的发电容易受到气候和时间带的影响，因此难以控制发电量。九州电力公司于2018年暂时限制接收太阳能发电产生的电力。这是因为九州日照时间长，光照条件优越，众多可再生能源相关企业利用太阳能进行发电，导致发电量供大于求，大量电力无法供给至电网。另外，目前利用可再生能源的发电也会产生能源浪费，因此也有发电量不足的状况。因此，为了将可再生能源产生的电力用作稳定的电源，必须建立廉价的蓄电技术。

另外，远离消耗地的沙漠等区域比较适合太阳能发电和风力发电。在这种情况下，有望通过水电解将电力转换为氢能，从而将电力以氢能的形式运输至消耗地。但是，为了液化氢气，必须将其冷却至非常低的温度，这样成本就成了一个需要解决的课题。

为解决这一课题，众多研究人员正在研发将氢气转化为氨或有机氢化物等化学物质（载体）的技术。产业技术综合研究所的高级主任研究员姬田雄一郎和川波肇展开合作，分别运用催化化学领域和过程化学领域的知识，发现了一种新的氢载体——“甲酸”（图1）。

图1：甲酸是从蚂蚁中发现的，因此也被称为“蚁酸”。甲酸常被用作家畜饲料的防腐剂、鞣制剂和防冻剂等，年产量高达约100万吨，相当于可以供给至40万辆燃料电池汽车的氢气量。

新型氢载体的发现

姬田研究员以有效利用二氧化碳（CO₂）为目标，从20年前便开始着手研发利用CO₂和氢气合成甲酸的催化剂。而关于将催化剂作为氢载体这一想法的灵感来源于欧洲的某研究小组发表的一篇关于甲酸的论文。姬田研究员回顾道，“我当时一直在思考合成的甲酸可以用在什么领域，又正好阅读了一篇关于从甲酸中提取氢气的论文。受到这篇论文的启发，我试着用现有的催化剂进行了相关实验，发现可以从甲酸中很容易提取出氢气，因此我认为甲酸有望作为一种氢载体。”

甲酸在常温下为液体，具有低毒性和可燃性，易于在瓶子等容器中进行储存和运输等优点。另外，甲酸的制造原料CO₂是取之不尽用之不竭的。因此，早在1960年代就提倡使用甲酸作为氢载体的概念，但研究进展甚微。这是因为常规的甲酸脱氢催化剂需要加热到200℃以上，还需要添加有机溶剂和添加剂，并且能量效率较低。另外，还存在一些其它课题，比如在反应过程中生成副产物一氧化碳，引起燃料电池电极劣化等。

要想解决这些课题，必须使用姬田研究员阅读的论文中提及的催化剂。利用催化剂进行实验后的结果表明，利用甲酸可以在100℃以下的稳定条件下提取出不含一氧化碳的氢气。由此甲酸开始引起人们的关注。