水素製造と同時に産業材料「重水」を回収 ―水電解装置の運用変更で回収効率が約2割向上、国産化も視野に―

2026-03-05 日本原子力研究開発機構

日本原子力研究開発機構(JAEA)は、水の電気分解(PEM型水電解)で水素を製造する過程を利用し、産業材料である重水を効率よく回収する新しい運転手法を開発した。重水は半導体、医薬、核融合などに不可欠だが、日本は多くを輸入に依存している。本研究では、水素が発生する陰極側に重水素濃度の低い水を供給することで、ガスと水の間で起こる同位体交換反応の平衡を水側に有利にし、重水素が気相へ逃げるのを抑えて液体の重水として回収しやすくした。実機条件に近い実験では、従来法に比べて回収効率が約2割向上することを確認した。本手法は装置構造を大きく変えず運用変更のみで導入可能であり、水素製造と同時に重水回収を行う技術として、重水の国産化や供給安定化への貢献が期待される。成果は学術誌「Chemical Engineering Journal」に掲載された。

水素製造と同時に産業材料「重水」を回収 ―水電解装置の運用変更で回収効率が約2割向上、国産化も視野に―

<関連情報>

同位体交換平衡シフトによるPEM水電気分解における重水素濃縮効率の向上 Enhancement of deuterium enrichment efficiency in PEM water electrolysis via isotope exchange equilibrium shift

Masahiro Yano, Shinji Kubo, Satoshi Yasuda
Chemical Engineering Journal  Available online: 2 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172423

Highlights

  • A new isotope separation method for PEM-WE by controlling cathode-side deuterium concentration.
  • Cathode water addition controls D concentration, boosting LPCE shift, separation factor, and enrichment efficiency.
  • Demonstrated 10–20% higher D enrichment over conventional methods across a wide range of initial D concentrations.
  • Theoretical simulations based on chemical equilibrium support experimental results and proposed mechanisms.

Abstract

This study presents an in-situ, liquid phase catalytic exchange (LPCE)-based process-intensification approach for hydrogen-isotope separation in proton-exchange membrane water electrolysis (PEM-WE). Supplying water directly to the cathode enables deliberate tuning of the local isotopic composition at the catalyst surface, which in turn enhances both the separation factor and the deuterium enrichment efficiency. A chemical-equilibrium model reproduces these trends by attributing the gain to a thermodynamic shift of the LPCE toward the liquid phase at the cathode. The effectiveness of the method was validated across a wide range of initial deuterium concentrations in the anode feedwater and under high current densities, indicating its versatility. This approach offers a promising and practical strategy for efficient hydrogen isotope separation using PEM-WE.

0505化学装置及び設備
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