2018 Fiscal Year Research-status Report
Ion exchange mechanism during anion exchange membrane electrolysis
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17K05970
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
伊藤 博 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (60356483)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | アニオン交換膜 / イオン置換 / 水電解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アニオン交換膜(AEM)を用いた水電解装置は，低コストで高性能な水素製造装置として期待されている．しかしアニオン交換膜は大気中の二酸化炭素(CO2)を容易に吸収し，膜中水酸化物イオン(OH－)が炭酸イオン種(CO32－/HCO3－)に置換されてしまい，膜のイオン導電率の低下を招くという問題がある．一方で水電解運転によって炭酸イオン種が水酸化物イオンに再置換される可能性が示唆されている．本研究ではこのイオン置換および再置換のメカニズム解明することを主要な課題としている．
昨年度は，電解中のイオン置換を把握するために必須となる安定した電解運転を行うことが可能な電極構造の選定を行った．その結果，アノード（水素発生極）はアイオノマを結着剤として触媒を直接膜上に塗工する構造（CCM構造）とし，カソード（酸素発生極）は化学的に安定なPTFEを結着剤として触媒を給集電体上に塗工し焼成して担持する構造（CCS構造）とすることが適当であるとの結論に至った．
今年度は，このアノード－CCM／カソード－CCSから成る電極層を適用したセルを駆使して，AEM中イオン置換に大きな影響を及ぼす電解液について実験的研究を行った．その結果，1)純水を電解液に用いた水電解は可能ではあるが，セル抵抗が著しく大きくなり，水電解装置としての実用上の運転は困難，2)アルカリ溶液の場合，水酸化カリウム(KOH)溶液よりも炭酸カリウム（K2CO3）を用いた時に膜抵抗が低く維持でき，より優れた電解性能を発揮できることが明らかになった．この膜抵抗の電解液依存性から，膜内イオン種は電解液イオン種と同一ではなく，膜界面でのイオン交換が膜内イオン種組成に大きく影響することが明らかになった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で主要な課題とする「イオン置換および再置換のメカニズム解明」について，電解液イオン種が電解に及ぼす影響を定量的に評価することによって，膜内イオン種の支配因子が膜界面でのイオン交換にあることを特定した．また生成水素の露点を測定することにより，膜内イオン種が膜内水分量へはさほど影響を及ぼさないという知見を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
水電解セルを用いた水電解運転に伴うイオン置換の挙動を解析すると共に，膜内イオン種の同定を行うため，セル運転中の電解液を抽出し，イオンクロマトなどの分析装置を駆使してセルから排出されるイオン種の分析を行う．またアニオン交換膜について水電解に供する前後のサンプルをフーリエ変換赤外分光光度計測(FT-IR)，ラマン分光計側，小角X線散乱法（SAXS）等を適宜駆使して分析を行い，膜構造とイオン種の相関関係の解析を進める．
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| Causes of Carryover |
予備試験において，セル部材としてニッケル繊維焼結体の優位性が示唆されたため，同サンプルの購入を計画していた．当方が希望する仕様を満たす製品の入手先を探索していたが，年度内に見出すことができず，購入に至らなかった．次年度もさらに探索を続けつつ，代替サンプルの購入も視野に入れている．また上記のとおり，サンプルの分析も精力的に行う予定で，必要がれば分析外注費としての予算使用も考えている．
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