量研機構他、熱利用による水素製造の大幅な省エネ化を達成

ISプロセスの原理（量研機構発表資料より引用）

量子科学技術研究開発機構、芝浦工業大学、日本原子力研究開発機構による研究チームは4月17日、高温熱を利用した水素製造の効率（システムの駆動に要した全消費エネルギーに対し、製造した水素の燃焼エネルギーの割合）を40％にまで向上できる見通しが得られたと発表した。熱化学反応サイクルで水を水素と酸素に分解するシステム「ISプロセス」の実用化に向けて研究を進めてきたもの。〈量研機構他発表資料はこちら〉

「ISプロセス」は、高温の熱源として高温ガス炉や太陽熱を用いる水素製造技術として期待されており、高温ガス炉では、原子力機構の「HTTR」について、3月末に新規制基準適合性の審査書案が取りまとめられ、所要の検査を経て年度末頃に運転再開の予定となっている。

膜ブンゼン反応の原理（量研機構発表資料より引用）

「ISプロセス」の中心となる「ブンゼン反応」では、大量の循環物質（ヨウ素と硫黄）と、これに伴う機器の大型化が必要となることから、過剰なヨウ素を抑えるため、量研機構と芝浦工大は2017年に「膜ブンゼン反応器」を開発した。これは、「ブンゼン反応」で起きる「硫酸（H2SO4）生成反応」と「ヨウ化水素（HI）生成反応」の中で、電極に挟まれたイオン交換膜を介して、水素イオン（H+）を陰極側に効率的に透過させる仕組みで、ヨウ素使用量の約8割削減につながったが、電圧の低減や強酸環境での耐食性などが課題となっていた。

今回、量研機構の高崎量子応用研究所は、放射線照射による改質（量子ビームグラフト・架橋技術）で新たなイオン交換膜を開発し、水素イオンの透過に起因する電圧を約8割低減。耐食性に優れた貴金属によるめっき加工技術などに取り組んできた芝浦工大は、表面積を増大した金陽極を新たに開発し、硫酸生成に起因する電圧を約4割低減することに成功した。また、原子力機構は「ブンゼン反応」の最適温度を50度Cと判断。開発された陽イオン交換膜と金陽極を反応器に装着した試験も50度Cで実施され各技術を実証するデータが得られた。

今回の研究成果では、太陽熱を熱源とした650度C程度の比較的低温でも水素製造効率40％を達成できる見通しが立ったとしている。