謝和平院士のチームは6月2日、東方電気グループと協力して、福建省興化湾の洋上風力発電所で、海水原位を淡水化せずに直接電気分解して水素を製造する世界初の洋上風力発電技術のパイロットテストに成功しました。

なぜ海水を直接電気分解して水素を作る試作成功が注目されているのでしょうか。これって神様が難しいんですか?海水電解水素制の技術的難点は何ですか?

海水から水素が作られ

水電解水素製造技術は非常に重要なグリーン水素製造技術であり、現在商用化されている水電解技術の多くは淡水を電解液として使用しています。しかし、世界の淡水資源は非常に限られており、水電解制水素技術の広範な応用に伴って、淡水資源不足の問題に拍車をかけることは間違いありません。それに比べて海水資源は豊富なので、海水を利用して水素を作ろうという発想になりました。

地球上の水の96.5%が海水で、淡水と違ってその成分は非常に複雑で、90以上の化学物質や元素が含まれています。海水中に豊富なイオン、微生物、粒子などの物質を含んで、水素を制造する時に副反応の競争、触媒の不活化、隔膜の詰まるなどの問題を引き起こします。

このため、海水を利用して水素を作る技術には2つの方法があります。1つ目は、海水を直接使って水素を作る方法で、主に電気分解や光分解によって実現します。2つ目は、間接的に海水を利用して水素を作る方法で、海水を除塩と雑水処理して、海水を高純度の真水にしてから水素を作る方法です。

2つの強みがあり

海上水素製造プラットフォームは、複数の機能を備えており、エネルギーの長期貯蔵と精密化学品の生産が可能です。それはグリーンエネルギーと化学工業生産システムを緊密に結合することができて、最大の効果を発揮します。

将来、深遠海地域では、洋上水素製造プラットフォームを利用して、再生可能な電力の消納という難題を解決することができます。これにより、再生可能な電力で水素やグリーンアンモニアを作ることができ、将来、深遠海の再生可能エネルギーの主要な用途になると期待されています。

技術的な難点

第1の技術的難点は、海水中に不純物が大量に存在すると、カ極水素析出の発生に影響を与えることです。

水を電解する過程でH2が陰極から析出します。陰極析水素反応の場合、最大の問題は、天然の海水中にNa+、Mg2+、Ca2+などの様々な溶解カチオンが含まれていることです。

海水電解の過程の中で、これらの不純物は電極を引き起こすことができ(ありえ)て、さらに電解の系統の中の電極と触媒に毒をもたらしたり老化を加速して、それらの耐久性が悪くなります。

二つ目の技術的難点は、塩素イオンが陽極を腐食させ、陽極の酸素析反応に影響を与えることです。

水を電気分解する過程では、一般的に陽極から酸素(O2)が発生します。しかし、海水中に大量の塩素イオン(Cl-)が存在して、これは陽極材料がひどい腐食を受けて、さらに電極を壊して高電圧にして、効率的な酸素反応を中断します。また、高濃度の塩素イオンは陽極上で塩素酸化反応を起こし、触媒の活性部位を占有し、陽極酸素生成反応の効率を低下させます。

第三の技術的難点は陽極析酸素反応と酸素塩化反応の競争の問題です。

海水電解では陽極で酸素分解(OER)と酸素塩化(ClOR)の2つの反応が起こります。

酸素分解は4OH→O2+H2O+4e-です。E0=1.23V (vs.rhe)です。

塩素酸化反応:cl- +2 ol-→ocl- +H2O+2e-;E0=1.71V (vs.rhe)です。

このように両者のE0は非常に類似しており、電解槽が動作する電圧を著しく制限する競争関係にあることがわかります。また、塩素化反応と次亜塩素酸塩形成はどちらも二電子反応であり、酸素分解に必要な四電子に比べて塩素化反応のほうが力学的に容易であることがわかります。そのため、通常観察されるOER過電位はClORよりも高くなります。

現状を検討し

現在、光解海水制水素はまだ早期の研究と試験段階にあり、多くの課題に直面しています。それに比べて、海水電解から水素を作る研究開発は進んでいます。謝和平院士の率いるチームは、2022年に海水から直接水素を製造する分野で重大なオリジナルの突破を達成しました。彼らは相転移転移による海水を淡水化しない原位置から直接電気分解して水素を製造するという全く新しい原理と技術を革新的に提起しました。現在、国内外で海水水素制造のパイロットプロジェクトがいくつか登場していますが、これらのプロジェクトはまだ小規模なパイロットプロジェクトであり、大部分はまだ建設中または建設予定の段階にあります。

海水電解水素制は小試験、中試験から最終工業上の広範な応用までまだ克服しなければならない多くの挑戦がありますが、私達はこの技術が最終的に応用されたら、それは「脱炭素」の道に最も影響力のある効果を生み出すことを固く信じています!

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