Overvoltage reduction in membrane Bunsen reaction for hydrogen production by using a radiation-grafted cation exchange membrane and porous Au anode

放射線グラフト膜および多孔質金電極を用いた水素製造法における膜ブンゼン反応過電圧の低減

澤田 真一*; 木村 壮宏*; 西嶋 陽之*; 小平 岳秀*; 田中 伸幸 ; 久保 真治  ; 今林 慎一郎*; 野村 幹弘*; 八巻 徹也*

Sawada, Shinichi*; Kimura, Takehiro*; Nishijima, Haruyuki*; Kodaira, Takahide*; Tanaka, Nobuyuki; Kubo, Shinji; Imabayashi, Shinichiro*; Nomura, Mikihiro*; Yamaki, Tetsuya*

熱化学水素製造法ISプロセスでは、カチオン交換膜を用いた膜ブンゼン反応が検討されている。しかし、従来のカチオン交換膜および電極材料では過電圧が高く、熱効率として採用できる段階ではなかった。本報では、高IECの放射線グラフト膜及び多孔質金電極を用いて、セルの過電圧を低下させることを目指した。放射線グラフト膜はプロトン透過に対する低い抵抗を示し、金電極はアノード極で生じるSO酸化反応を効率化した。この結果、膜ブンゼン反応で生じる過電圧が200mA/cmの条件で0.21Vまで削減された。本結果は、従来の商用カチオン交換膜及び非多孔質電極を用いた場合の1/3の値である。また、電流-電圧特性の解析結果から、放射線グラフト膜の方が金電極に比べて、より効果的に過電圧削減に貢献していることが明らかとなった。

An electrochemical membrane Bunsen reaction using a cation exchange membrane (CEM) is a key to achieving an iodine-sulfur (IS) thermochemical water splitting process for mass-production of hydrogen. In this study, we prepared both the radiation-grafted CEM with a high ion exchange capacity (IEC) and the highly-porous Au-electroplated anode, and then used them for the membrane Bunsen reaction to reduce the cell overvoltage. The high-IEC grafted CEM exhibited low resistivity for proton transport, while the porous Au anode had a large effective surface area for anodic SO oxidation reaction. As a result, the cell overvoltage for the membrane Bunsen reaction was significantly reduced to 0.21 V at 200 mA/cm, which was only one-third of that of the previous test using the commercial CEM and non-porous anode. From the analysis of the current-voltage characteristics, employment of the grafted CEM was found to be more effective for the overvoltage reduction compared to the porous Au anode.