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本研究課題は、固体高分子形の燃料電池と水素ポンピングを組み合わせ、室温・常圧下で動作する省エネルギーでの重水素濃縮デバイスを提案、その基礎的動作を実証する。昨年度は燃料電池で重水素が濃縮する電極触媒探索を行った。その結果、アノードにPd膜を用いた場合、アノードから排出される水素同位体ガスの重水素が濃縮可能であることを初めて明らかにした。今年度は、燃料電池と水素ポンピングを組み合わせた省エネルギーでの重水素濃縮能について検証を行った。
実際のデバイス系は、それぞれアノードにPd膜を用いた燃料電池と水素ポンピングデバイスを用いる。燃料電池のアノードに水素と重水素ガスの混合ガスを導入すると、発電するのと同時に、アノードの排出からは相対的に重水素の濃度が高まった水素同位体ガスが排出される。このガスを水素ポンピングのアノードに供給し、電気化学反応を起こすと、アノードの排出からは、さらに重水素の濃度が高まったガスを得ることができる。このとき水素ポンピングを駆動させるエネルギー源として、燃料電池の発電で得られたエネルギーを使用することで、濃縮プロセスで使用するエネルギーをほとんど使用せずに動作させることが可能となる。
この概念に基づき、燃料電池の発電性能を評価をし、電圧－電流特性の知見を得た。この結果から水素ポンピングデバイスに印加する電流と電圧を決定した。実際に上記のセットアップを構築して水素同位体ガスを流したところ、無電力で駆動することを確認、また、重水素濃縮能について評価を行った結果、入力した水素同位体ガスに対して、およそ1.4倍程度、重水素が相対的に濃縮され排出されるのが示された。以上、燃料電池と水素ポンピングを組み合わせて、ほとんどエネルギーを必要とせず、水素同位体ガスを濃縮可能であることを示した。
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