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熱化学水素製造法ISプロセスの実用材料製反応機器およびヨウ化水素濃縮技術に関する研究開発

Research and development on chemical reactors made of industrial structural materials and hydriodic acid concentration technique for thermochemical hydrogen production IS process

久保 真治; 岩月 仁; 竹上 弘彰; 笠原 清司; 田中 伸幸; 野口 弘喜; 上地 優; 小貫 薫

Kubo, Shinji; Iwatsuki, Jin; Takegami, Hiroaki; Kasahara, Seiji; Tanaka, Nobuyuki; Noguchi, Hiroki; Kamiji, Yu; Onuki, Kaoru

熱化学水素製造法ISプロセスは、水素社会に向けた大量の水素を安定に供給できる水素製造技術の候補として期待されている。実用材料製反応機器の健全性及びヨウ化水素濃縮技術の研究を実施した。機器健全性の研究では、ISプロセスを構成する3つの反応工程について、実用材料製反応機器の試作試験を行った。ブンゼン反応工程では、フッ素樹脂被覆材等を素材とするブンゼン反応器を製作し、反応溶液を循環しつつ30回の熱サイクル負荷試験を行って健全性を確認した。硫酸分解反応工程では、炭化ケイ素製硫酸分解反応器を製作し、100時間の反応試験を行って健全性を確認した。同様に、ヨウ化水素分解反応工程では、ハステロイC-276を装置材料に用いてヨウ化水素分解反応器を製作し、100時間の反応試験を行って健全性を確認した。ヨウ化水素濃縮技術の研究では、カチオン交換膜を用いてHIx溶液を濃縮する電解電気透析法に取り組み、アノード液中の微量硫酸は濃縮挙動に影響しないことを見出して、HIx溶液の精製操作を簡略化できる可能性を明らかにした。さらに、Nafion膜及び放射線グラフト重合法で試作したETFE-St膜の性能を予測するため、Nernst-Planck式とSmoluchowski式に基づいてプロトン輸率, 水透過係数, 膜内IR損を定式化し、HIx溶液の電解電気透析における濃縮効率を支配する、膜におけるプロトン透過選択性、溶媒水透過性および膜の電気抵抗(IR損に伴なう電位差)の推算を可能にした。

JAEA has been conducting a study on IS process for thermochemical hydrogen production in order to develop massive hydrogen production technology for hydrogen society. Integrity of the chemical reactors and concentration technology of hydrogen iodide in HIx solution were studied. In the former study, the chemical reactors were trial-fabricated using industrial materials. A test of 30 times of thermal cycle test under circulating condition of the Bunsen reaction solution showed integrity of the Bunsen reactor made of fluororesin lined steel. Also, 100 hours of reaction tests showed integrity of the sulfuric acid decomposer made of silicon carbide and of the hydrogen iodide decomposer made of Hastelloy C-276. In the latter study, concerning electro-electrodialysis using cation-exchange membrane, sulfuric acid in the anolyte had little influence on the concentration performance. These results suggest the purification system of HIx solution can be simplified. Based on the Nernst-Planck equation and the Smoluchowski equation, proton transport number, water permeance, and IR drop of the cation exchange membrane were formulated. The derived equations enable quantitative estimation for the performance indexes of Nafion membrane and, also, of ETFE-St membranes made by radiation-induced graft polymerization method.

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