成功实现热化学制氢过程中主要反应能耗的大幅度降低！制氢效率预计可达40%

成功实现热化学制氢过程中主要反应能耗的大幅度降低

制氢效率预计可达到国家项目的目标值40%

国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构（董事长：平野俊夫，以下简称“量研”）高崎量子应用研究所的高级研究员泽田真一和项目负责人八卷彻也、芝浦工业大学（校长：村上雅人，以下简称“芝浦工大”）的野村干弘教授和今林慎一郎教授、国立研究开发法人日本原子能研究开发机构（董事长：儿玉敏雄，以下简称“原子能机构”）的研究主席久保真治和研究副主干田中伸幸等人通过热化学制氢IS工艺¹⁾，成功将制氢过程主要反应——本生反应²⁾的过电压（相当于反应能耗）减少了约70%。利用该成果，预计能够将太阳能驱动的IS的制氢效率^3）提高至40%。

IS工艺作为下一代能源载体^4）——氢气的大规模、稳定的制造方法，因可用碘（I）和硫（S）的化合物对水进行热分解而备受关注。为了使制氢效率达到40%（比现有的水电解法效率更高），需要把IS工艺的主要反应——本生反应的过电压从原来的0.65V降低到0.2V（大幅度节能化）。由于反应过电压的约70%是由阳离子交换膜^6）的电阻引起的，因此降低膜的电阻是降低电压的关键。对此，量研采用量子束接枝^7）与交联^8）技术，开发出一种新型低电阻阳离子交换膜，其主要实现方法为：将现有膜的离子交换容量⁹⁾提高至原来的约2倍，从而使膜电阻减半，同时为了防止由此导致的膜机械强度的降低，将接枝链的交联密度^10）提高至原来的2倍。

另外，芝浦工大开发出一种多孔金阳极，以用来减少占反应过电压的另外30%的由阳极反应（硫酸生成反应）时引起的过电压。而且，原子能机构还通过膜电阻和阳极反应活性的温度依赖性发现，本生反应的最佳温度为50℃。

将开发出的阳离子交换膜和金阳极安装在膜本生反应器中，并在50℃的环境下进行测试。与现有的测试结果相比，膜电阻的过电压减少了约80%，阳极反应的过电压减少了约40%，从而成功将整体反应过电压降低至目标值0.2V。该成果表明，即使在相对较低的650℃太阳能温度下，制氢效率也有望达到40%，即在世界上首次证实了该技术的可实现性。

将来，研究小组将整合项目中建立的各基本技术，以使该技术投入实际使用，并实施实验室规模制氢试验。如果能够通过此研究，成功建立太阳能驱动IS工艺技术，那么将来有可能进行大规模制氢，并将其提供给燃料电池汽车和家用燃料电池，有望为构建“氢社会”做出巨大贡献。

本研究的一部分是在内阁府综合科技创新会议主导的战略性创新创造项目（SIP）“能源载体”（管理法人：国立研究开发法人科学技术振兴机构（董事长：滨口道成）的委托研究课题“热化学制氢”项目中实施的。本研究成果已于2020年4月16日（周四）发布于《International Journal of Hydrogen Energy》期刊（IF₂₀₁₈=4.084）。

氢有望成为下一代清洁能源载体，但是，当前的主流制氢法——利用化石燃料的水蒸气改质法存在排放温室效应气体二氧化碳的问题。

因此，热化学制氢法因其温室效应气体零排放的特点而备受关注，其在制氢过程中，通过多个化学反应的组合，在远低于水的直接分解温度（约4000℃）的低温下热分解水。热化学制氢法中的IS工艺将碘（元素符号：I）和硫（元素符号：S）的化合物用作循环物质，由以下式（1）～（3）表示的反应组成（图1）。

本生反应（室温）：2H₂O+I₂+SO₂⇒2HI+H₂SO₄（1）

碘化氢分解反应（400℃）：2HI⇒H₂+I₂（2）