| 研究課題/領域番号 |
24K08146
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27010:移動現象および単位操作関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
田中 伸幸 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 大洗原子力工学研究所 高温工学試験研究炉部, 研究職 (10391294)
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| 研究分担者 |
澤田 真一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (70414571)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2026年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2025年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2024年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
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| キーワード | 水素製造法ISプロセス / カチオン交換膜 / イオン飛跡グラフト法 / ヨウ化水素濃縮 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
熱化学水素製造法ISプロセスでは、ヨウ化水素（HI）溶液中のHIを濃縮するためにカチオン交換膜（CEM）を用いた電解電気透析が行われる。CEMの性能には高いプロトン伝導と選択性が要求されるだけでなく、高い耐久性を併せ持つ必要がある。本研究では、イオン飛跡グラフト法CEMに対して、架橋構造を導入し、イオン交換基を有するグラフト鎖の連結性を高め、耐久性を向上することを目的とする。架橋構造は、イオンチャネルの膨潤を抑制し、効率的にH+輸送でき、HI濃縮性能向上に寄与することを利用して、HI濃縮性能と耐久性を両立したCEM製膜の達成を目指す。
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| 研究実績の概要 |
熱化学水素製造法ISプロセスでは、ヨウ化水素（HI）溶液中のHIを濃縮するためにカチオン交換膜（CEM）を用いた電解電気透析が行われる。CEMの性能には高いプロトン（H+）伝導と選択性が要求されるだけでなく、ISプロセスの経済性向上のため、性能を長期的に維持する高い耐久性を併せ持つ必要がある。本研究では、高いHI濃縮性能を示すイオン飛跡グラフト法CEMに対して、架橋構造を導入することで、イオン交換基を有するグラフト鎖の連結性を高め、耐久性を向上することを目的とする。架橋構造は、イオンチャネルの膨潤を抑制し、効率的にH+輸送でき、HI濃縮性能向上に寄与するため、HI濃縮性能と耐久性を両立したCEMを作製できると期待した。本研究では、イオン飛跡グラフト法で用いるグラフト用モノマーに架橋剤を添加したCEMを作製し、HI濃縮環境における性能の経時変化からCEMの耐久性を評価する。また、赤外分光などで分子構造の変化を解析し、劣化メカニズムを検討する。これらの知見を活用して性能と耐久性を両立したHI濃縮用CEMの製膜を達成する。
令和6年度は、まず、イオン飛跡グラフト法によるAr照射を行い、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ETFE）の基材に対して、スチレンモノマー及び架橋剤のジビニルベンゼンをグラフト鎖として重合した後、スチレングラフト鎖をスルホン化し、CEMを作成した。本試作膜のHI濃縮に対する温度依存性を検討し、100℃までHI濃縮が可能であることを確認した。また、耐久性を検討するための耐久性試験の手順について検討し、長時間の性能の経時変化を取得することが可能であることを確認した。さらに、耐久性を評価するための性能指標を決定するため、性能劣化に伴うエネルギーコストの上昇量を検討し、コストを抑えるために必要な性能指標を示した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題は、熱化学水素製造法ISプロセスにおける、ヨウ化水素（HI）溶液中のHIを共沸組成濃度以上に濃縮するHI濃縮工程に対して用いられるカチオン交換膜（CEM）に対して、イオン飛跡グラフト法による新規CEMを適応することで、HI濃縮環境における耐久性向上を達成することを目的としている。
この目的に対して、令和6年度は耐久性向上の要となる架橋剤を添加したCEMを製膜し、そのHI濃縮性能を評価することを計画していた。計画に対して、性能の温度依存性を測定し、想定の運転温度において十分な濃縮が行えていることが確認できたこと、今後進めていく耐久性試験についても手順を確立し、評価試験を行うための環境を整えることができたことから、現在までの進捗状況をおおむね順調に進展していると評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
ヨウ化水素（HI）濃縮に用いられるカチオン交換膜(CEM)に対して、イオン飛跡グラフト法により作成したCEMを適応し、ＨＩ濃縮環境での耐久性向上を図ることを目的としている。令和6年度の成果により、導入した架橋剤が想定通りに高温でのHI濃縮が可能であることを確認できた。また、耐久性試験の手順についても確立できたことから、今後は、それらのCEMを中心に耐久性試験を行い、性能の経時変化のデータの蓄積を着実に進めて、研究を推進していく。
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