海水水素

科学者たちは、脱塩などの前処理プロセスを必要とせずに、海水から直接グリーン水素を生成できるシステムを開発しました。 遷移金属酸化物触媒上にルイス酸層を導入する開発チームは、この方法が商業応用の高い可能性を示していると述べている。

地球の表面の水の 97% 以上は海洋の塩水であり、2% は氷床、氷河、雪を頂いた山脈に淡水として蓄えられており、毎日の水の供給ニーズに利用できるのはわずか 1% です。

 
塩水は、脱塩と呼ばれるプロセスを通じて飲料水に変えることができます。この技術は、世界の一部の地域で、人間の消費用、家庭用および工業用の淡水を生産するために利用されています。 しかし、淡水化はエネルギーを必要とするプロセスであり、さらに悪いことに、持続不可能なエネルギー源によって電力が供給されることがよくあります。

水をその構成部分に分割することもよく理解されています。 電気分解として知られるこのプロセスでは、電解液に浸した 2 つの電極間に直流電流を流して水を水素と酸素に分解します。 水素はカソード、つまり負極で生成され、酸素は正極、つまりアノードで生成されます。

ガスの混合物は爆発する可能性があるため、ほとんどの電解槽は厚い多孔質プラスチックシートでアノードとカソードを分離し、反応を促進するためにニッケルや鉄などの金属触媒が使用されます。

これら両方のプロセス、つまり海水を脱塩し、それを分解して水素を生成するプロセスは、クリーンで手頃な価格のエネルギー燃料を提供するための最良のソリューションの 1 つとして長い間賞賛されてきました。これにより、都市の電力から製造まであらゆるものに電力を供給できるようになります。鉄鋼、肥料の製造、さらには飛行機の燃料など、潜在的な用途のリストは長いものです。

しかし、世界中の飛行に水素燃料をまだ使用していない理由の 1 つは、塩水やその他の不純物によって電極が腐食され、電極の寿命が短くなることが挙げられます。 これらの部品はプラチナなどのレアメタルでできていることが多いため、交換し続けると高額な費用がかかります。 海水中の塩化物イオンも問題であり、電気分解中にアノードで塩素電気酸化反応 (ClOR) が酸素発生反応 (OER) と競合します。 この反応により、次亜塩素酸塩などの有毒で腐食性の塩素種が放出されます。 次亜塩素酸塩は比較的不安定で、アンモニアや酸と混合すると有毒な塩素ガスを放出する可能性があり、またステンレス鋼を侵食する可能性もあります。

これを回避するには、海水を処理する前に脱塩して浄化することが考えられますが、これも経済的に必ずしも実行可能であるとは限りません。 別のオプションは、腐食を抑制するために電極をポリアニオンでコーティングすることですが、これもコストがかかる可能性があります。

マイナス面のない気候変動対策はほとんどありません。 再生可能エネルギーを利用して水分子を分解して作られる「グリーン」水素は、二酸化炭素の匂いを吐き出すことなく大型車両に動力を与え、製鉄などの産業を脱炭素化できる可能性がある。 しかし、水分解装置または電解装置は純水を扱うように設計されているため、グリーン水素の規模を拡大すると、世界的な淡水不足がさらに悪化する可能性があります。 現在、いくつかの研究チームが海水から直接水素を製造する進歩を報告しており、これは無尽蔵のグリーン水素源となる可能性がある。

現在、ほぼすべての水素は、メタンを分解し、化石燃料を燃やして必要な熱と圧力を発生させることによって作られています。 どちらのステップでも二酸化炭素が放出されます。 グリーン水素はこの汚れた水素に代わる可能性がありますが、現時点では 2 倍以上のコストがかかり、1 キログラムあたり約 5 ドルです。 その理由の一部は、貴金属から作られた触媒に依存する電解槽のコストが高いことです。 米国エネルギー省は最近、電解槽を改良し、グリーン水素のコストを 1 キログラムあたり 1 ドルまで下げるための 10 年にわたる取り組みを開始しました。

もしそれらが成功し、グリーン水素の生産が急増すれば、世界の淡水供給に対する圧力が高まる可能性がある。 電気分解を利用して1キログラムの水素を生成するには、約10キログラムの水が必要です。 国際再生可能エネルギー機関によると、トラックや主要産業をグリーン水素で運営するには年間約250億立方メートルの真水が必要となる可能性があり、これは人口6,200万人の国の水消費量に相当する。

海水はほぼ無限にありますが、それを分割することには独自の問題が伴います。 電解槽は電池とよく似た構造になっており、一対の電極が水状の電解質に囲まれています。 1 つの設計では、カソードの触媒が水分子を水素 (H+) イオンとヒドロキシル (OH-) イオンに分解します。 カソードでの過剰な電子は、水素イオンのペアを縫い合わせて水素ガス (H2) を作り、水から泡立ちます。 一方、OH- イオンは電極間の膜を通ってアノードに到達し、そこで触媒が酸素を酸素ガス (O2) に編み込み、放出されます。

しかし、海水を使用すると、アノードで O2 を生成する電気的衝撃により、塩水中の塩化物イオンが腐食性の高い塩素ガスに変換され、電極や触媒が侵食されます。 これにより、通常は何年も稼働できる電解槽がわずか数時間で故障してしまいます。

水素は、肥料を含む多くの製品の製造に使用される多用途の化学物質です。 水素は、太陽光や風力などの再生可能だが断続的なエネルギー源によって生成された電気を利用する燃料電池技術の重要な要素でもあります。 世界中で生産される水素のほとんどは、メタンを熱と蒸気にさらして水素を生成するプロセスに由来します。

水素は、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用して、電気を使って水分子を水素と酸素に分解する水の電気分解からも生成できます。 しかし、落とし穴があります。 電気分解には、脱イオンされた非常にきれいな水が必要です。つまり、すべての不純物、ミネラル、および帯電粒子を最初に除去する必要があります。 従来の浄水プロセスは高価な設備を必要とし、エネルギー損失を引き起こす可能性があります。

ジョンズ・ホプキンス大学環境健康工学部の研究者らは、ペンシルベニア州立大学と協力し、予備的な脱塩を必要とせずに、海水を直接の水素源として利用する方法を発見した。 彼らの成果は『Environment Science & Technology』に掲載されています。

「塩水の浄化に使用される薄膜複合膜を水電解装置で使用すると、水を水素ガスと酸素に分解しながら、他のタイプの膜では発生する有害な塩素ガスの生成を回避できることがわかりました。」
研究の中で、ロッシらは、電気分解装置で薄膜複合膜を直接テストした。この装置は、電気を使用して水を水素と酸素に分解し、水の浄化と水素生成の両方を単一のステップで行う装置である。 彼らは、この材料の多孔質微細構造により、小さなプロトンと水酸化物イオンのみが膜を通過して、望ましくない反応を引き起こす可能性のある不純物やその他のイオンを排除できることを発見しました。 研究者らは、この新しいアプローチは、高価なイオン交換膜を超純水供給と組み合わせて使用​​する従来のシステムに取って代わる可能性があると述べている。

「安価な脱塩膜は、より高価なポリマーベースの膜の代替となり、海水などの低品位水源からの水素製造に使用できます」とロッシ氏は述べた。 「その結果、再生可能エネルギー源からの効率的な水素製造プロセスが実現し、浄水の必要がなくなりました。」

同氏は、海水は塩分濃度が高いため、電解槽で使用するのが難しいと指摘した。 しかし、沿岸地域など、太陽光や風力などの再生可能電力を発電できるものの、利用可能な真水が少ない場所では豊富に存在し、利用可能です。 このような場所では、このプロセスで海水の代わりに廃水などの他の低品位の水源が使用される可能性があります。

米国国立科学財団の資金提供を受けたチームは、電流を利用して水分子中の水素と酸素を分離する海水電解装置の新しい概念実証設計に浄水技術を統合しました。

環境技術者のブルース・ローガン氏によると、この新しい「海水分解」方法により、風力や太陽エネルギーを貯蔵可能で持ち運び可能な燃料に変えることが容易になる可能性があるという。

「水素は素晴らしい燃料ですが、それは自分で作らなければなりません」とローガン氏は言う。 「それを実現する唯一の持続可能な方法は、再生可能エネルギーを使用し、水から生成することです。また、人々が他のことに使いたくない水を使用する必要があります。それは海水です。したがって、水素を生成するという聖杯は、海水と、海岸や沖合の環境で見られる風力や太陽エネルギーを組み合わせることだろう。」

海水は豊富にあるにもかかわらず、水の分解にはあまり使用されません。 電解槽に入る前に水が脱塩されない限り、これは高価な追加のステップであり、海水中の塩化物イオンが有毒な塩素ガスに変化し、装置を劣化させて環境に浸透します。

これを防ぐために、研究者らは、元々は逆浸透処理プロセスで水を浄化するために開発された薄い半透膜を挿入した。 逆浸透膜は、電解槽で一般的に使用されているイオン交換膜に取って代わりました。
「逆浸透の背後にある考え方は、水に非常に高い圧力をかけて膜を通過させ、塩化物イオンを後ろに保持するということです」とローガン氏は語った。

『Energy & Environmental Science』誌に掲載された一連の実験を通じて、研究者らは市販の逆浸透膜 2 枚と、システム内のすべての正電荷イオンの移動を可能にするイオン交換膜の一種である陽イオン交換膜 2 枚をテストしました。

クリーン エネルギーは世界中の国にとって最優先事項です。 従来の電力は石炭、天然ガス、石油などの化石燃料に依存していますが、クリーン エネルギーには太陽光、風力、地熱、水力発電、バイオマスなどさまざまな形があります。

水素も再生可能エネルギーの主要なエネルギー貯蔵オプションであり、高レベルの炭素排出量の削減に役立つ可能性があります。
現在の研究では、水を酸素と水素に分解するプロセスである塩水電気分解が、淡水電気分解の一般的な課題に対する実行可能な解決策であることを示唆しています。 海水の電気分解は、世界的な淡水不足を悪化させることなく、持続可能な水素を生成できる可能性がある。

米国エネルギー省代替燃料データセンターによると、純粋な水素は地球上に豊富に存在する元素であり、クリーンで持続可能な再生可能エネルギーへの移行をサポートする上で大きな期待が寄せられています。

水素が生成された後は、燃料電池で発電することができ、排出されるのは水蒸気と暖かい空気だけです。 水素は温室効果ガス、窒素酸化物、炭化水素、その他の粒子状物質を放出しないため、環境に悪影響を及ぼしません。
水素には、クリーン エネルギー経済の構築に役立つ他の利点もあります。 これは、脱炭素化が一般に困難な分野における最適なエネルギー ソリューションです。 これにより、現代の電力網の信頼性と回復力が向上します。 また、公衆衛生や環境の状態を改善することもできます。

さらに、世界の産業における雇用の機会とエネルギー安全保障を増やすことができます。 これにより、運輸業界の持続可能性が高まり、電気自動車（EV）への移行が促進されます。 そしてそれは収益の増加に貢献し、世界経済を強化することができます。

グリーン水素の製造に関連するコストを押し上げる課題の 1 つは、電解槽に超純水が必要であることです。 多くの水源は汚染物質で満たされているため、このことが従来の塩水の電気分解を困難にしています。
EPA は鉛、塩素、細菌の存在を理由に水に対して厳しい要件を設けていますが、すべての水に汚染物質が含まれていないことを必ずしも意味するわけではありません。

海水電気分解
海水の電気分解の研究は 19 世紀初頭に始まりました。 科学者たちは水素製造を進歩させましたが、それが注目を集めたり、実行可能なエネルギーソリューションになったりすることはありませんでした。 20 世紀には、水素は主に天然ガスから抽出され、自動車、バス、飛行船、ロケットの動力として使用されていました。

この水素の使用は実現可能ではありましたが、その製造はエネルギーを大量に消費し、気候変動の主な原因の 1 つである炭素排出の一因となっていました。 さらに、一部の都市では都市固形廃棄物を水素燃料電池技術で濾過し、水素を生成し、地域の水道における廃棄物由来の汚染を防止しています。

さまざまな研究者や科学者が、これらの課題を回避するために海水の電気分解を使用する高度な技術を開発しています。 これらの技術が適切に機能すれば、淡水資源を使用したり炭素排出に寄与したりすることなく、持続可能な水素を生成できるようになります。

製品は中国のすべての地域で販売され、世界各国に輸出されています。 アメリカ、ドイツ、モロッコ、ケニア、サウジアラビア、ベトナム、アルジェリア、インド、タンザニア、台湾など20以上の国と地域で販売されています。 中国航天、ペトロチャイナ、中国核集団、BYD、九里専門、トニーエレクトロニクス、鄭能源集団などの有名企業への提供に成功。 烏蘭堡、海口、海南、海南海口、雲南昆明などの多くのグリーン水素水素化ステーションがあり、グリーン水素製造プロジェクトを提供しています。