New Energies, new possibilities

出光興産、東京大学、大阪大学、産業技術総合研究所は2024年7月4日、常温・常圧環境下でアンモニア（NH3）を空気中の窒素（N2）と水（H2O）と電力から連続的に合成する技術で、競合のアンモニア生成速度を20倍上回る世界最高性能を達成したと発表した（図1）。今後、2028年度までにシステムの規模を拡大すると同時に生産効率をさらに高める研究開発を進め、その後は社会実装に向けた開発をして、2032年度に1000トン/年規模のアンモニア生産を目指すとしている。

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図1　競合に対して約20倍のアンモニア生成速度を実現

報告例1は2020年、報告例2は2023年でいずれも中国科学院の研究者の論文（出所：出光興産）

　アンモニアは100年余り前にドイツで水素（H2）と空気（実際には窒素ガス）から合成する技術「ハーバー・ボッシュ（HB）法」が開発されたことで、低コストで量産できるようになり、それを肥料に用いることで食料の生産量が飛躍的に高まり、世界の人口の急速な増加につながった。ただし、HB法には、
（1）高温高圧を必要とし、結果として装置が超大型になる
（2）水素は別途、生産または調達する必要がある
（3）（2）の水素を生産する過程で、少なくともこれまでは大量の二酸化炭素（CO2）を排出していた
といった課題があった。

　こうした背景から、出光興産らは新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のグリーンイノベーション基金事業の委託業務として、常温常圧でしかも、水素の生産や調達を必要としないアンモニア合成法の開発を進めている。

PEM形水電解システムの一部を流用

　システムの概要は図2の通りになる。まず、水素の代わりとしての水、そして窒素原子Nの供給源としての窒素ガスを電解セルスタックに投入する。この際、還元剤と、窒素分子の3重結合を切るための触媒も同時に投入する。

（a）システムの構成

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（b）実際のシステム

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図2　システムはPEM形水電解に似る

今回のアンモニア電解合成システムの構成（a）と、実際の実験システム（b）。研究者が手にしている黒いデバイスが電解セル。今後はこれをより大型にする計画だ（出所：（a）は出光興産の資料に日経クロステックが加筆、（b）は出光興産）

　この電解セルスタックは、水を電気分解するPEM（Proton Exchange Membrane）形水電解のセルスタックと、多くの部材や構造が共通する。PEM形水電解では、水をアノードで酸化してプロトン（H＋）にした後、カソードで還元して水素を取り出す。

　今回の電解セルスタックでもアノードの役割はPEM形水電解と同じである。ただ、カソードでこのプロトンに加えて、水、及び触媒に配位した窒素原子Nなどをまとめて還元することでアンモニアを合成する。

世界をリードする2つのブレークスルー

　この開発では大きく2つのブレークスルーがあった。1つは、常温常圧の下で窒素分子の3重結合を切るための触媒の開発だ。これは東京大学 大学院 工学系研究科 教授の西林仁昭氏の研究チームが開発したモリブデン（Mo）を基にした触媒（図3）である。空気中の窒素を固定する根粒菌が持つ酵素「ニトロゲナーゼ」についての研究が端緒になっている。

図3　Mo触媒の例

東京大学の西林研究室が開発したMo触媒の化学式の例。最近はさらに改良が進んでいるようだ。tBuは、tertiary Butyl（出所：東京大学 西林研究室）

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出光などが「世界最高性能」、常温常圧で水素不要のアンモニア合成 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)

　東京ガスは2024年7月、水を電気分解して水素を取り出す水電解装置に用いる、レアメタルのイリジウム（Ir）を用いた触媒層付き電解質膜（Catalyst Coated Membrane：CCM）で、世界トップクラスの省Ir化を達成していることを明らかにした。

　東京ガスは、燃料電池の量産製造技術を持つSCREENホールディングスと共同で、プロトン交換膜（Proton Exchange Membrane：PEM）形水電解装置に使われるCCMを開発している。新聞紙を刷る輪転機に似た、ロール・ツー・ロール（R2R）式で量産することを目指している（図1）。しかも、以前からCCMの大型化と、酸素発生極（アノード）で用いるIr触媒の省Ir化を並行して進めており、大型化については現時点では寸法が25cm×50cm（電極面積1200cm2超）のCCMを開発済み。2024年度中にも、これを70cm超角（5000cm2）に拡大する計画。既に、SCREENホールディングスは、PEM形水電解セルを製造する新工場を建設中だという。

（a）電極面積が1200cm2超のCCM

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（b）ロールに巻いたCCM

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（c）酸化イリジウム（IrO2）

（d）PEM形水電解のセルスタックの試作例

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（e）セルを構成する部材

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図1　CCMの本格量産に向けCCMの大型化と省Ir化にまい進

東京ガスが2024年春に初公開した電極面積が1200cm2超のCCM（a）、SCREENホールディングスとの共同開発で、開発当初からロール・ツー・ロール式での製造を想定する（b）、アノードにおける触媒には酸化イリジウム（IrO2）を利用する（c）、開発初期に試作したセルスタック（d）、セルを構成する部材（e）（出所：日経クロステック）

 

水電解装置の省イリジウム化競争、東京ガスが世界の先頭集団へ | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)

 

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A technology company that has developed a metallic alloy coating that could double hydrogen production from alkaline electrolysers and halve the stack capex cost for H2 projects has today (Thursday) commissioned a demonstration plant to scale-up testing to commercially-sized systems.

Oxford NanoSystems’ (ONS) so-called “nanoFlux” alloy coating encourages the formation of more, smaller bubbles on the electrodes within an electrolyser, which in turn allow more electrons to move throughout the system — enabling the use of higher electrical currents and more hydrogen production in any given time period.

パナソニック エレクトリックワークス社は、高純度の水素と空気中の酸素との化学反応で発電する、三相三線に対応した純水素型燃料電池「H2 KIBOU FC-H99RJR1P」を、業務用途をターゲットに12月に発売する。 新製品は、2023年6月に発売した「H2 KIBOU FC-H50MJD1P」のアップデートモデル。ユーザーからの要望に応え、最大発電出力を現行の5kWをベースに、約2倍の9.9kWまで高めたという。複数台連結することで発電出力をさらに上げることも可能。発電時に発生する熱は貯湯設備で集約することで、工場やビルなどでお湯として利用できる。 さらにアプリを使用し、発電出力を1kW刻みで調整可能になった点も特徴。複数台連結させることも可能なため、様々な需要変動が予想される工場などで柔軟な発電計画を立てられるという。 また機器構成を見直し、メンテナンス面を機器前面のみに変更することで、設置スペースを現行機と比べて53%削減。設置環境温度も下限-15℃までとなり、加えて高地(標高1,000m)、耐塩害仕様にすることで設置自由度がアップしたという。 このほかシステム全体の構成を見直したことで、イニシャルコスト(kW単価)を低減。設計寿命を9万時間から10万時間に延伸し、総点検停止までの期間を現行機の10年から15年に拡大することで、ライフサイクルコスト(kWh単価)低減にも貢献する。

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