有機ハイドライドから燃料電池を利用した直接発電に成功

省エネルギー・省設備により、カーボンフリーな水素社会実現に前進

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　早稲田大学理工学術院の福永 明彦（ふくなが あきひこ）教授らの研究グループとENEOS株式会社は、固体酸化物型燃料電池※1を利用して、水素キャリア※2である有機ハイドライド※3から直接発電することに成功しました。

　有機ハイドライドは水素キャリアとして、カーボンフリーな水素社会※4の構築に向けてその実用化が大変期待されています。しかしながら、有機ハイドライドから水素を取り出す際の触媒の耐久性、熱エネルギー消費が課題となっています。本研究において、高価な貴金属を用いない固体酸化物型燃料電池を利用して、有機ハイドライドの一つであるメチルシクロヘキサンから水素を取り出すと同時に発電することに成功しました。その結果、必要なエネルギーの低減が図れるだけでなく脱水素設備も不要にできることが期待されます。加えて、燃料電池を化学品の酸化合成デバイスに適用できることも明らかにしました。

　本研究成果は、『Applied Energy』誌（論文名：Dehydrogenation of methylcyclohexane using solid oxide fuel cell – A smart energy conversion）にて、2023年7月4日（現地時間）にオンライン掲載されました。

図1 :有機ハイドライドからの直接発電により、脱水素設備が不要でロスの少ないエネルギー変換に成功

■ 研究の波及効果や社会的影響

　水素社会の構築には、安全で効率の良い水素キャリアが不可欠です。現在有機ハイドライドの一つであるメチルシクロヘキサンが最有力候補の一つですが、エネルギーロスが約30%と大きいことが課題となっています。本研究の燃料電池を用いたメチルシクロヘキサンからの直接発電により、エネルギーロスの低減と設備の簡素化が期待できます。その結果、地球温暖化対策に必須とされている水素社会の構築を前進させることができます。

　加えて、燃料電池を用いて、伝導イオンと化学品を反応させることが可能なことを見出したので、今後、燃料電池を応用した新たな合成化学が創出される可能性があります。

■研究者のコメント

　燃料電池は、これまで水素と酸素の電気化学反応により高効率でカーボンフリーな電気が得られるデバイスとして研究開発されてきました。本研究では、このデバイスを応用することにより、有機ハイドライドからの脱水素反応および芳香族環の酸素置換反応を制御できることを明らかにしました。他方、今回は原理検証の段階であり、反応速度や反応収率には改善の余地がありますので、今後、実用化に向けた研究開発を継続していきたいと考えています。

■用語解説

※１ 固体酸化物型燃料電池

高温でイオン伝導性を有した固体電解質を用いた燃料電池である。全て固体で構成され、発電効率が高い。化学反応が高温で行われるため、白金などの高価な触媒が不要である。

※２ 水素キャリア

水素を輸送・貯蔵のために別の状態や材料に変換したもの。有機ハイドライド、アンモニア、水素吸蔵合金等。

※３ 有機ハイドライド

代表的な水素キャリア。触媒反応により水素を可逆的に放出する有機化合物、特にメチルシクロヘキサンやシクロヘキサン、デカリンなどの飽和縮合環炭化水素の総称。水素を液体状態で、輸送、貯蔵でき水素密度が大きい。

※４ カーボンフリーな水素社会

CO2を発生しない水素を主要なエネルギー源に転換し、利用する社会のこと。水素社会の実現には、燃料電池・水素利用技術の開発と実用化、経済性の向上、および関連インフラの整備などが必要である。

■論文情報

雑誌名：Applied Energy

論文名：Dehydrogenation of methylcyclohexane using solid oxide fuel cell – A smart energy conversion

執筆者名（所属機関名）：Akihiko Fukunaga（福永明彦）*、 Asami Kato（加藤朝巳）*、 Yuki Hara（原悠起）*、 Takaya Matsumoto（松本隆也）**

*早稲田大学理工学術院 先進理工学部 応用化学科

**ENEOS（株）中央技術研究所

掲載日時（現地時間）：2023年7月4日

掲載URL：https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121469

DOI：10.1016/j.apenergy.2023.121469

※記事にされる場合には https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121469 の掲載をお願いいたします。