塩水に浸すと水素が生成できる新装置

ジョン・ティマー - 2022年11月30日午後9時55分（協定世界時）

再生可能エネルギーが安価になるにつれ、それを経済的に貯蔵する方法を見つける機運が高まっています。 バッテリーは、生産時の短期的な供給量には対応できますが、長期にわたる電力不足や季節的な電力出力の変化には対応できない場合があります。 水素は、再生可能エネルギーの生産性が高い時期の間の長期的な橋渡しとして機能する可能性がある、検討されているいくつかの選択肢のうちの 1 つです。

しかし、水素には独自の問題が伴います。 水を分解して入手するのはエネルギー的にかなり非効率で、長期間保存するのは難しい場合があります。 また、ほとんどの水素生成触媒は純水で最もよく機能しますが、気候変動により干ばつが激化しているため、純水は必ずしも簡単に入手できるわけではありません。

中国を拠点とする研究者グループは現在、海水から始めて水素を出力できる装置を開発した。実際、装置は機能するために海水中に置かれている必要がある。 それを機能させるための重要な概念は、ほとんどの防水衣類がどのように機能するかを理解している人なら誰でもよく知っているでしょう。

防水性と通気性を備えた衣類は、注意深く構造化された孔を備えた膜に依存しています。 膜は水をはじく素材でできています。 細孔はありますが、小さすぎるため液体の水は通過できません。 しかし、それらは個々の水の分子が通過できるのに十分な大きさです。 その結果、衣服の外側にある水分はそこに留まりますが、内側で蒸発した汗は依然として生地を通って外界に出ます。 その結果、生地は呼吸します。

同様の膜が新しいデバイスの機能の中心となっています。 液体の水が膜を通過するのを防ぎますが、水蒸気は通過させます。 大きな違いは、膜の両側に液体の水があることです。

外側には海水があり、標準的な塩分が集まっています。 内側には、水素生成電気分解プロセスに適合する単一の塩 (この場合は水酸化カリウム (KOH)) の濃縮溶液があります。 KOH 溶液に浸漬されているのは、セパレーターの両側で水素と酸素を生成する電極セットで、ガスの流れを純粋に保ちます。

では、ハードウェアが動作し始めると何が起こるでしょうか? デバイス内の水が分解されて水素と酸素が生成されると、水位が低下して KOH 溶液の濃度が増加します (最初は海水よりもはるかに濃度が高かった)。 これにより、水が海水から膜を越えて移動して KOH を希釈することがエネルギー的に有利になります。 そして、細孔があるため、それは可能ですが、水が蒸気の形で移動する場合に限ります。

その結果、水は膜内で一時的に蒸気段階に存在し、デバイス内に入るとすぐに液体に戻ります。 海水中の塩の複雑な混合物はすべて膜の外側に残され、膜を分割する電極には淡水が常に供給されます。 重要なのは、これらすべてが通常の脱塩に必要なエネルギーを使用せずに行われるため、プロセス全体が標準的な電解槽で使用する水を浄化するよりもエネルギー効率が高くなるということです。

これらはすべて原理的には素晴らしいように思えますが、実際に機能するのでしょうか? それを解明するために、研究チームは装置を組み立て、深セン湾の海水（香港とマカオの北にある入り江）で使用した。 そして、ほぼすべての妥当なパフォーマンス評価基準から見て、それはうまく機能しました。

3,200 時間の使用後でも性能を維持しており、使用後の膜の電子顕微鏡検査では、この時点では細孔が塞がれていないことが示されました。 このシステムに使用された KOH は完全に純粋ではなかったため、海水に含まれるイオンが低レベルで含まれていました。 しかし、これらのレベルは時間の経過とともに増加せず、システムが電解チャンバーへの海水の侵入を防止していることが確認されました。 電力に関しては、このシステムは標準的な電解槽とほぼ同じ量のエネルギーを使用しており、水の浄化にエネルギーコストがかかっていないことが確認されました。