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 ゼロカーボン時代に向けて水素の活用に注目が集まっている。そこでカギとなる技術が、再生可能エネルギーの電力によって水から水素を取り出す水電解だ。ただし、水電解の核となる触媒に現在課題がある。触媒が高コストである上に、アノード(酸素発生極)が溶出してしまい、性能低下を招くなどの耐久性の問題があるのだ。こうした課題を解決する可能性のある触媒が見つかった。

 京都大学 大学院理学研究科教授の北川宏氏らの研究グループが開発した、Ru(ルテニウム)-Ir(イリジウム)合金触媒がそれだ。非常に高価な従来のIr単体のアノード触媒と比べて、材料費を約1/10に抑えられる。耐久性も従来触媒を上回るため、触媒交換の頻度が減り、ランニングコストの低減も期待できるとする。さらに、水素の製造効率も従来触媒よりも高い。

 この合金は、水電解方式の1つである固体高分子膜(PEM:Polymer Electrolyte Membrane)水電解*1の触媒として使用する。PEM水電解の触媒はこれまで一般に、カソードにPt(白金)、アノードにIrを使ってきた。新触媒はカソードにも使用できるという。

*1 PEM水電解=この水電解装置は、アノード触媒層、カソード触媒層、ガス拡散層、PEMなどの要素から構成される。アノードの酸素発生反応(酸化反応)でプロトンと酸素、電子が発生する。プロトンは電解質膜とガス拡散層を、電子は外部回路を通ってカソードへと移動し、そこで水素発生反応(還元反応)をして水素を生成する。アルカリ水電解法といったPEM以外の水電解原理よりも電解槽を小型化できるが、高価な材料を使用する必要がある。

 経済産業省が策定した「水素基本戦略」における水素コスト(プラント引き渡しコスト)の達成目標は、2030年で30円/Nm3〈Nm3は標準状態(0℃、1気圧)に換算した1m3の気体〉。現状の水素コストは約100円/Nm3であり、今回の新触媒の発見は、目標達成に貢献する技術といえる。

図1 低コストかつ高耐久のRu-Ir合金
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図1 低コストかつ高耐久のRu-Ir合金
新触媒を使って水電解を実施している様子。Ru-Ir合金はアノード触媒だけではなく、カソード(水素発生極)にも利用できるという。(写真:京都大学 北川宏研究室)