水電解技術の進展が低価格な再生可能エネルギーの実現に期待

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(Water splitting advance holds promise for affordable renewable energy)

2020/3/ ワシントン州立大学(WSU)

Illustration depicting the separation of Hydrogen and Oxygen from water.

・ WSU とロスアラモス国立研究所(LANL)は、水電解の触媒に、低価格で豊富な材料であるニッケルと鉄を使った高効率な水電解装置を開発。
・ 水を電気で水素と酸素に分解して水素を取り出す水電解のプロセスは、水素燃料の形でエネルギーを貯蔵する手法を提供し、その電気には太陽光や風力エネルギーが利用できる。
・ 一般的には高効率なプロトン交換膜(PEM)水電解装置を用いているが、非常に高額で、高い酸性条件を要し、白金やイリジウム等の貴金属触媒とチタン製の耐食性金属板が必要。
・ 新技術では、アニオン交換膜(AEM)水電解装置を用いてアルカリ条件下で水を分解するので、貴金属ベースの触媒を必要としない。
・ WSU では、ニッケルと鉄をベースにした触媒を開発し、LANL では、電極用バインダーを開発。電極用バインダーには、触媒と結合して高速電気化学反応を促し、高い pH 値環境を提供する導電性水酸化物ポリマーを使用。
・ 両者の開発の組み合わせにより、水素製造速度は従来型の AEM 水電解装置使用時の約 10 倍まで向上し、高額な PEM 水電解装置に匹敵するまでになった。
・ DOE によると、米国では現在、主に天然ガス改質のプロセスで、年間約 1000 万トンの水素を生成。再生可能エネルギー由来の電気を動力源とする水電解プロセスで水素を生成すると、多くの経済的・環境的メリットが見込まれる。
・ 世界の水素発電市場は 2023 年までに 1991 億ドルに達すると予想されており、水素エネルギーの潜在的な市場は、大量のエネルギー変換や電力グリッド管理から自動車用燃料電池まで、様々。研究室の見込みでは、全米の約 600 の風力発電所は、水電解システムに直接接続できる状態にあるとのこと。
・ 本研究には、Pajarito Powder 社、サンディア国立研究所(SNL)も貢献。
・ 本研究は、DOE とワシントン州共同の JCDREAM プログラム下に設立された HydroGen Advanced Water Splitting Materials Consortium の支援を受けた。
URL: https://news.wsu.edu/2020/03/09/water-splitting-advance-holds-promise-affordablerenewable-energy/

(関連情報)
Nature Energy 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Highly quaternized polystyrene ionomers for high performance anion exchange membrane water electrolysers
URL: https://www.nature.com/articles/s41560-020-0577-x

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Alkaline anion exchange membrane (AEM) electrolysers to produce hydrogen from water are still at an early stage of development, and their performance is far lower than that of systems based on proton exchange membranes. Here, we report an ammonium-enriched anion exchange ionomer that improves the performance of an AEM electrolyser to levels approaching that of state-of-the-art proton exchange membrane electrolysers. Using rotating-disk electrode experiments, we show that a high pH (>13) in the electrode binder is the critical factor for improving the activity of the hydrogen- and oxygen-evolution reactions in AEM electrolysers. Based on this observation, we prepared and tested several quaternized polystyrene electrode binders in an AEM electrolyser. Using the binder with the highest ionic concentration and a NiFe oxygen evolution catalyst, we demonstrated performance of 2.7 A cm−2 at 1.8 V without a corrosive circulating alkaline solution. The limited durability of the AEM electrolyser remains a challenge to be addressed in the future.

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