主要成果
フローニンゲン大学の化学エンジニアチームは、水蒸気から直接水素を抽出する耐久性の高いセラミック電解質を開発しました。この新型セルは、従来の設計と比較して水素の生産速度を2倍に向上させており、電気エネルギーを水素に変換する効率は95%以上に達しています。特筆すべきは、性能の低下や安定性の喪失なく、500時間以上の連続運転を達成した点です。
技術・詳細
本技術で採用されているのは「プロトン導電性セラミック電解質セル（PCEC）」です。一般的な液相電解装置は液体の水を電気分解しますが、これには加熱と分解に膨大な電力を必要とします。対してPCECは、400°Cから650°Cの中間温度域で水蒸気を用いるため、化学結合を切断するために必要な電力を大幅に削減できます。
PCECの内部構造と動作プロセスは以下の通りです。
- セラミック膜を用いて、水蒸気を酸素と正電荷を持つ水素イオン（プロトン）に分解する。
- 膜の細孔を通過できるのは非常に小さいプロトン（H+）のみであり、反対側の負電荷に引き寄せられて再び水素（H2）を形成する。
- 他の原子は膜を通過できないため、生成された水素が分離され、後工程での高コストな精製プロセスが不要となる。
研究チームは、高温かつ腐食性の高い環境に耐えうる電極材料の開発という課題に対し、ペロブスカイト酸化物マトリックスに基づいた「自己組織化電極」を設計しました。材料を外気に加熱すると、電極と膜の境界でイオンが移動し、表面に微細なプラセオジム酸化物ナノ粒子が自然に発生します。さらに、表面に酸洗浄処理を施すことで活性触媒部位の数を増やし、性能をさらに向上させました。
背景・業界の文脈
現在、産業用水素の多くは天然ガスから抽出されていますが、このプロセスでは大量の二酸化炭素が排出されます。化学プラントでは、肥料の製造、燃料の精製、プラスチックの製造などのために膨大な量の水素を必要としています。そのため、環境負荷の低いクリーンな水素製造手法の確立が急務となっていました。
今後の展望
今回の設計は、化学メーカーが工場内で発生する廃熱を利用して、クリーンな「Power-to-X」プロセスを運用するための現実的な手段を提供します。追加の電力を消費することなく水素生産量を倍増させ、かつ長期的な安定性を証明したことで、重工業における脱化石燃料化を加速させる可能性があります。
元記事: https://interestingengineering.com/innovation/ceramic-cell-delivers-double-clean-hydrogen
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