低碳素技术研究

氢气载体制造技术(Direct MCH®

关于Direct MCH®,一种从海外大量进口绿色氢气的技术。

可以大量利用的可再生能源存在地域分布不均的现象。因此,我们正在开发从可再生能源丰富的海外高效进口大量可再生能源的技术。由于可再生能源不能远距离运输,必须将其转化为氢气等化学能。用这种方式利用可再生能源制成的氢气称为绿色氢气(CO2零排放氢气)。输送这些氢气的手段是氢气载体。甲基环己烷(MCH)是氢气载体之一,是由甲苯结合氢气制成的液体,由于其单位体积含氢量是氢气的500倍,所以能有效地携带氢气。此外,MCH是一种液体,其特性与石油相似,因此可以利用现有的石油产业设施。输送而来的MCH在日本的需求地提取氢气(脱氢反应)。扩大可再生能源利用的一个重要问题是如何有效地进行这一系列过程(可再生氢生产,MCH生产,运输,脱氢,使用),以提供廉价的可再生能源。

现有技术为先生产绿色氢气,再生产MCH的两步工艺,为了提高效率和降低成本,本公司开发了直接MCH®工艺。Direct MCH®工艺无需先制造氢气,利用甲苯的直接电化学反应,一步到位地由水和甲苯来直接制造MCH。下面介绍一下工作原理和开发情况。

反应原理和基础研究与开发

Direct MCH®的反应器为电解槽,其结构如图所示。水首先在阳极催化剂上电解,产生氧,氢离子和电子。生成的氢离子通过离子交换膜流向阴极,从外电路而来的电子和甲苯在阴极催化剂上反应生成MCH。这个过程中重要的性能指标是电流密度(反应速率)和反应选择性(法拉第效率)。当这些性能指标提高后,较小规模的电解槽就可以实现大量的MCH生产,从而降低设备成本,最终降低氢气成本。
旨在改善这种性能的研究和开发的一个例子是促进阴极的水排放。在离子交换膜中,水与质子一起被输送到阴极。如果这些水覆盖了阴极催化剂,由于与甲苯的接触受阻,反应就会受到抑制,作为副反应会产生氢气,降低了MCH生产的法拉第效率。
作为对策,我们正在研究如何控制催化剂层和甲苯流经的扩散层的宏观,微观结构和化学性质,使水能够有效地排出。

为实现实用化的电解槽大型化和工艺开发

为实现Direct MCH®的实用化,本公司正在开发大型化电解槽和相关工艺。同时,本公司将目光投向了可再生能源丰富的澳大利亚, 并在当地进行Direct MCH®的技术验证。在2021年,本公司利用 Direct MCH®技术,成功地实现了在澳大利亚制造绿色氢气,运送至日本,分离氢气、精制、加压以及填充至燃料电池汽车(FCV)、行驶的一系列绿色氢气供应链的技术验证。
(参考:关于澳洲生产的CO2零排放氢气的验证成功的相关活动

现在,本公司正在进行商用规模制造设备(右图)的兆瓦级电解槽以及电解设备的工艺开发。这些开发将在可再生能源丰富的澳大利亚进行技术验证,力争早日实现实用化。本公司将通过构筑这样的绿色氢气制造,运输,使用的供应链,为CO2减排做出贡献。