2021 Fiscal Year Research-status Report
イオン飛跡グラフト法によるＨＩ濃縮用カチオン交換膜の創出
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20K05203
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
田中 伸幸 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 高速炉・新型炉研究開発部門 大洗研究所 高温ガス炉研究開発センター, 研究職 (10391294)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 主幹研究員 (70414571)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 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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| Outline of Annual Research Achievements |
熱化学水素製造法ISプロセスにおいて、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工程がある。HI濃縮はカチオン交換膜（CEM）を用いた電解電気透析が行われ、プロトン伝導の抵抗が低く、且つ、水とI-の透過を抑制したCEMが必要である。これに対して、本研究では、イオン飛跡グラフト法により、１次元円柱状イオンチャネルを持つ新規CEMを作製し、HI濃縮に適用することを目的とした。特異的な構造の１次元円柱状イオンチャネルはプロトンを効率的に輸送可能で膜抵抗を低減し、さらに、この構造がチャネルの含水膨潤を防ぎ、水やI-の透過の抑制を目指す。各種の製膜条件に対するHI濃縮性能の評価を実施し、これらより最適な条件のCEMを製膜し、低い電解電圧で高濃度のHI濃縮を達成する。
令和2年度は、まず、イオン飛跡グラフト法によるXe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濃縮に対する適応性を検討し、従来のγ線グラフト膜と同等以上のプロトン輸率及び水の透過係数を示すことを確認するとともに、イオン飛跡グラフト法によるCEMがHI濃縮に適応性を有することを確認した。
令和3年度は、重イオンビームのイオン種の違いによる影響を検討するため、Ar照射を行い、スチレンをグラフト重合したCEMを作成した。本試作膜を電解セルに組込んでHI濃縮試験を実施したところ、昨年度測定したXe照射膜の結果と比較して、消費電力として減少する膜性能を示す傾向が得られた。次年度は、O照射によるイオン種のデータを取得し、イオン種の影響についてのデータを追加してより影響を明らかにすることに加えて、その他の運転条件等の影響を検討し、HI濃縮に対して最適な製膜条件を決定する。
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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
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濃縮の高性能化を達成することを目的としている。
本目的に対して、本年度は、イオン種の違いによる製膜条件の与える影響を検討する計画としていた。上記のデータ取得に対して、予定通りの試験を完了し、期待していた結果に近い範囲での結果を得ており、今後として、各種の製膜条件の依存性を着実に取得していくことで、当初の計画通り性能の最適化を図っていくことができると考えている。これにより、現在までの進捗状況をおおむね計画通り順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
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、各種の製膜パラメータに対するＨＩ濃縮性能のデータ取得を進めることで、膜性能の最適化を図り、ＨＩ濃縮の高性能化を図ることを目的としている。最適化すべきパラメータは、イオン種、イオン交換容量等、多岐にわたるが、この２年間ですでに製膜した膜に対しても、運転条件を変更したデータ取得を行うことでより深い情報を得られることを利用することで、必要以上の製膜回数を減らして省力化を図り、研究を推進していることを検討している。
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