海水からの水素製造とは何ですか？なぜそんなに注目されているのでしょうか？技術的な困難は何ですか?

海水の直接電気分解による水素製造のパイロット試験の成功がなぜこれほど注目を集めているのでしょうか。それはどれくらい難しいですか？海水の電気分解で水素を製造するには、どのような技術的困難を克服する必要があるのでしょうか?

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海水からの水素製造

水の電気分解による水素製造は、非常に重要なグリーン水素製造技術と考えられています。現在、実用化されている水の電気分解技術は、電解質として淡水を使用しています。周知のとおり、世界の淡水資源は極めて限られており、水素製造のために水力発電が大規模に利用されており、これが淡水資源の不足をさらに悪化させていることは間違いありません。一方、海水には資源が豊富にあるため、「海水水素製造」というアイデアが生まれました。

地球の総水量の 96.5 パーセントを占める淡水とは異なり、海水は 90 以上の化学物質や元素が含まれる複雑な組成を持っています。海水に含まれる多数のイオン、微生物、粒子は、水素製造中に副反応の競合、触媒の不活性化、隔膜の閉塞などの問題を引き起こす可能性があります。

このため、海水を原料とする水素製造技術は2つの異なるルートを形成しています。まず、海水からの直接水素の製造、すなわち天然海水をベースとした水素の製造は、主に電気分解や光分解により製造される。第二に、海水の間接的水素製造は、海水から脱塩して不純物を除去し、まず海水を脱塩して高純度の淡水を形成し、その後水素を製造することである。

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2 つの大きな利点

海洋水素生産プラットフォームは、エネルギーの長期貯蔵またはファインケミカルの生産サイトとして使用でき、グリーンエネルギーを化学生産システムと密接に統合することができます。

海洋水素製造プラットフォームは、広範囲の海洋再生可能電力の消費の問題を解決でき、再生可能電力を使用してその場で水素とグリーンアンモニアを生成することが、広範囲の海洋再生可能エネルギーの主要な応用方法になる可能性があります。未来。

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技術的な難しさ

技術的な難しさ 1: 海水中の多くの不純物がカソード水素発生の発生に影響を与える

電解水のプロセスでは、陰極から H2 が析出しますが、陰極水素発生反応の最も困難な問題は、天然海水中に Na+、Mg2+、Ca2+ などのさまざまなカチオンが溶解していることです。さまざまな細菌、微生物、小さな粒子が存在します。

これらの不純物は、海水電解の進行に伴って電極に目詰まりを起こし、電解系内の電極・触媒を毒したり、劣化を促進させて耐久性を低下させます。

技術的な難しさ 2: 塩化物イオンは陽極腐食を引き起こし、陽極酸素発生反応に影響を与える

水の電気分解プロセスでは、通常、陽極から O2 が析出します。しかし、海水中に大量の塩化物イオン (Cl-) が存在すると、アノード材料の深刻な腐食が引き起こされ、電極の損傷や高電圧が発生し、効率的な酸素発生反応が停止します。さらに、アノードの塩素酸化反応でも高濃度の塩化物イオンが発生し、触媒の活性点を占有するため、アノードの酸素発生反応の効率が低下します。

技術的な難しさ3：陽極酸素発生反応と酸素塩素化反応の競合

海水の電気分解のプロセスでは、アノードでは酸素発生反応 (OER) と酸素塩素化反応 (ClOR) という 2 つの反応が起こります。酸素発生反応: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1.23V (対RHE)

塩素酸化反応: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1.71V (対RHE)

2 つの E0 が似ているため、競合関係が生じ、電解槽の動作電圧が大幅に制限されることがわかります。また、ClOR 反応と次亜塩素酸塩生成はいずれも 2 電子反応であり、ClOR 反応は OER 4 電子反応よりも速度論的に起こりやすいため、通常、OER の過電圧は ClOR よりも高く観察されます。

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研究状況

現時点では、海水からの水素製造はまだ研究試験の初期段階にあり、多くの課題を抱えていますが、海水電気分解による水素製造の研究開発はある程度の進歩を遂げています。 2022年、謝和平学会員のチームは、海水からの直接水素製造の分野で独自の大きな進歩を遂げ、相転移と移行による脱塩を行わずに海水から直接水素を製造する新しい原理と技術を革新的に確立した。海水水素製造の実証プロジェクトは国内外で数多く行われているが、それらはまだ小規模な実証実験であり、その多くは建設中または計画中である。

海水電気分解による水素製造は、小規模なパイロットテストから最終的な産業全体への応用までには長い道のりがあります。しかし、私たちは、兆レベルの水素エネルギーの軌跡において、この技術が最終的に適用されれば、「脱炭素化」の道に最も深い痕跡を残すことになると信じています。