科學研究 - 低成本製氫，利用陰離子交換膜不使用貴金屬

通過電解水低成本製氫的方法受到關注。東京工業大學開發出了在鹼性環境下也不會分解的離子交換劑製氫方法，而無需使用鉑和鈦等高價的金屬。預計2030年前後可以利用太陽能和風力等可再生能源發電的電力低成本製氫。該方法有望幫助日本政府達成2050年之前實現溫室氣體淨零排放的國家目標。

常規的水電解法是，通過向利用「離子交換劑」（僅能通過氫離子的交換薄膜）隔開的觸媒和水中的電極施加電壓，在陰極一側產生氫。然而，在該方法中，氫離子會移動，導致溶液變成強酸性環境。因此，「分隔器」等部件需要大量使用在酸性環境中也不會溶解的昂貴金屬鉑等，因而導致成本升高。

備受期待的是通過氫氧根而非氫離子的「陰離子交換膜」。由於分解過程中溶液也會變成鹼性，因此可以使用鋁以外的大部分金屬。此舉作為低成本製氫法受到了關注。

存在的問題是薄膜的耐久性。以往的陰離子交換膜用久了以後分子結構會瓦解，只能使用10小時左右。東京工業大學的山口猛央教授等人組成的研究團隊分析了薄膜聚合物的分解機制，並以此為基礎開發出了在鹼性溶液中也不會分解的交換薄膜。

東京工業大學開發的陰離子交換膜

利用這種新交換膜進行的電解水實驗中，薄膜的性能在80攝氏度的溫度下維持了約150個小時。另外，對0.1～1.7伏的電壓變化也顯示出了高耐久性。

由於不使用貴金屬就可以製氫，山口教授表示：「這可以說是一項有助於以低成本、高性能和高耐久性實現氫氣生產的成果」。據介紹，新開發的陰離子交換膜還易於量產。

工業用氫的價格目前為1N立方米（標準立方米＝標準條件下的氣體體積）100日元左右，日本提出了到2030年降至30日元的目標。山口教授指出：「最近由於可再生能源價格的降低，有些地區在技術上應該已經能以低於政府目標的成本製氫了」。

如果能利用陰離子交換膜電解水，實現低成本製氫，那麼就可以利用太陽能和風力發電的電力獲得氫。由此能實現將其儲存或運輸到所需的場所，用於燃料電池車（FCV）等的系統。

目前還在推進結合可再生能源發電和大型蓄電池等來儲存電力的措施，但光這樣並不夠。通過製成氫，可以較電池減輕重量，還可以大量運輸。研究團隊認為，如果能實現，就有望實現全球規模的可再生能源流通，比如在日本利用中東地區的沙質沙漠中設置的光伏電池板發電的能源等。

歐美也在加速推進研發

很多企業都開始重視SDGs（永續發展目標），全球都在積極利用太陽能和風力等可再生能源。為實現「碳中和」及氫社會，各地紛紛開始採取行動。

包括生成過程在内，利用可再生能源電力製造的氫完全不排放二氧化碳（CO2），因此被稱為「綠色氫」。雖然將製造過程中產生的二氧化碳回收的「藍色氫」也很重要，但綠色被認為才是「終極目標」。

以歐美為中心，全球都在加速推進關於利用氫氣的研發。美國在推進大型氫渦輪機的研發項目。歐盟（EU）、德國和法國等發布了氫戰略，並提出對製氫進行補貼以及推進研發等方針。

日本方面，經濟產業省正通過新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）開發氫利用技術。離子交換劑的開發也屬於項目的一部分。

目前還存在關鍵的可再生能源發電成本比其他國家高等課題，所以還需要同時推進降低發電成本的措施。

日文：松元則雄、《日經產業新聞》，2021/05/14
中文：JST客觀日本編輯部