2019 Fiscal Year Annual Research 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 | 電解液濃度 / 粘性 / ガス排出 |
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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．
昨年度の結果から，AEM水電解においては，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)pH12程度の希薄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．
今年度は，この炭酸カリウム（K2CO3）溶液の濃度が電解性能に及ぼす影響を検討した．これまでは10wt.%K2CO3溶液(pH11.8)を用いてきたが，ここではその濃度範囲を広げ，これ以外に5wt.%(pH11.7)，20wt.%(pH12.0)，30w.%(pH12.1)のK2CO3溶液についても電解液として電解試験に用いた．その結果興味深いことに，これまで用いてきた10wt.%K2CO3溶液を中心に5-20wt.%の範囲では電解性能に大きな違いは生じないが，30wt.%溶液では電解性能が顕著に劣化することが明らかになった．一昨年の結果と合わせて考えてもK2CO3溶液の場合は，5-20wt.%の濃度範囲の溶液が電解液として適することが分かった．この原因は現在検討中であるが，ある濃度を超えると膜中に炭酸イオンが多く侵入し，膜抵抗を上昇させる効果以外にも，溶液の粘性が増し，気泡の放出がスムーズにいかなくなる可能性があることが想定される．
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