高温電気分解

高温電気分解（HTEまたは蒸気電気分解、HTSEとも呼ばれる）は、高温の水や鉄や炭素ナノ材料などの他の製品から水素を生成する技術であり、エネルギーが高ければ分子を分解するために必要な電力が減り、溶融塩や水酸化物などの新しい、潜在的に優れた電解質が開発される。^{[1] [2] [3] [4]}室温での電気分解とは異なり、HTEは材料の熱容量に応じて高温範囲で動作します。^[5]化石燃料の燃焼による人間と環境への有害な影響^[6]のため、HTEは水素を大規模に製造し、燃料として使用するための必要な代替かつ効率的な方法となっています。 HTEのビジョンは、すべての経済セクターで脱炭素化^{[7] [8]}に向かうことです。 このプロセスに必要な材料は、熱源、電極、電解質、電解膜、および電源です。

このプロセスでは、水蒸気に変換するためにエネルギー（熱の形で）を利用し、その後、電解システム（電流源に接続された2つの電極、電解質、膜で構成）に送られます。高温（ほとんどのトポロジーでは650℃以上）では、セルの構築に使用される材料が導電性になります。したがって、電気化学反応が発生し始め、セルが適切な温度に達し、蒸気が供給されている間に電気が供給されると、セルは機能し始めます^[9] 。蒸気は最終的に、以下の式に従って 水素（カソード）と酸素（アノード）^{[10]に分解されます。}

${\displaystyle {\ce {全体: 2H2O -> 2H2 + O2}}}$

${\displaystyle {\ce {陰極: 2H2O ->2H + 2OH^{-}}}}$

${\displaystyle {\ce {陽極: 2OH^{-}-> H2O + (1/2)O2}}}$

高温電気分解は、エネルギーの一部が熱として供給されるため電気よりも安価であり、また電気分解反応が高温でより効率的であるため、従来の室温電気分解よりも経済的に効率的である。実際、2500℃では、水は熱分解によって水素と酸素に分解されるため、電気入力は不要である。このような温度は非現実的であり、提案されているHTEシステムは100℃から850℃の間で動作する。^{[13] [14] [15]}

使用される電力が熱機関から供給されると仮定すると、1 kgの水素を生成するのに、HTEプロセス自体と必要な電力のために141.86メガジュール（MJ）の熱エネルギーが必要になります^{[説明が必要]}。100°Cでは、350MJの熱エネルギーが必要です（効率41％）。850°Cでは、225MJが必要です（効率64％）。850°Cを超えると、標準的なクロム鋼の耐腐食能力を超え始め、^[16]そのような高温で動作する工業規模の化学プロセスを設計および実装することは、すでに容易なことではありません。

固体酸化物電解セル（SOEC）は、高温で機能し、高温電気分解に使用される電気化学デバイスです。これらのセルの成分は、デバイスが高温でも物理的にも電気化学的にも良好に機能することを保証します。^{[9]そのため、}固体酸化物電解セルの電極と電解質の材料の選択は不可欠です。プロセスのために調査されている1つのオプション^[17]では、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）電解質、ニッケル（Ni）サーメット蒸気/水素電極、およびランタン酸化物（La ₂ O ₃）、ストロンチウムおよびコバルト酸素電極が使用されました。

HTE を使用した場合でも、電気分解はエネルギーを貯蔵する方法としてはかなり非効率的です。電気分解プロセスと、生成された水素を再び電力に変換する際の両方で、エネルギーの大幅な変換損失が発生します。

現在の炭化水素価格では、HTE は、副産物として二酸化炭素を生成する炭化水素の 熱分解による経済的な水素源と競合できません。

HTE は、カーボン ニュートラル燃料や一般的なエネルギー貯蔵として使用される「グリーン」水素をより効率的に生産する方法として注目されています。安価な非化石燃料熱源 (集光型太陽熱、原子力、地熱、廃熱) を非化石燃料電力源 (太陽光、風力、海洋、原子力など) と組み合わせて使用​​できれば、経済的になる可能性があります。

HTEに使用できる安価な高温熱源は、すべて非化学的なもので、原子炉、集光型太陽熱集熱器、地熱源などがあります。HTEは実験室で水素1グラムあたり108キロジュール（電気）で実証されていますが、^[18]商業規模ではありません。^[19]

利点と課題

言うまでもなく、HTEの最も注目すべき利点は、排出量ゼロの可能性があるため、グリーン水素を大規模に製造する機会を提供することです。^[8]このプロセスにより、水分子の分解の反応速度が向上します。^[20]電気要件の一部は熱に置き換えられ、電気は熱よりも高価なため、コストが少し安くなります。

しかし、HTE 技術には次のような制限がありました。

1. 100℃を超えると、液体の水の電気分解には加圧が必要となり、合理的に達成できる作業圧力によって制限される。^[21]
2. 強い酸化還元条件や高温作業環境下でも化学的にも物理的にも安定した材料を作り出す。^[22]
3. 低い電気伝導率、高い動作温度、および/またはイオン濃度での化学的および物理的安定性。^[22]

熱を利用して水から水素を抽出する熱化学サイクルは数百種類知られています。たとえば、熱化学硫黄ヨウ素サイクルです。発電ステップは効率がかなり低く、省略できるため、熱化学生産は HTE よりも高い効率に達する可能性があります。ただし、大規模な熱化学生産には、高温、高圧、高腐食性の環境に耐えられる材料の大幅な進歩が必要です。

DOE原子力局は、米国 内の3つの原子力施設で高温電気分解を試験する実証プロジェクトを実施している。^[23]

• ニューヨーク州オスウィーゴのナインマイルポイント原子力発電所
• オハイオ州オークハーバーのデイビス・ベッセ原子力発電所
• ミネソタ州レッドウィングのプレーリーアイランド原子力発電所

NASAの火星2020年探査車パーサヴィアランスの火星酸素ISRU実験では、ジルコニア電解装置を使用して、固体酸化物電解セルによる高温電気分解により、火星の大気中の二酸化炭素から1時間あたり5.37グラムの酸素を生成しました。^{[24] [25] [26]}

• 原子力エネルギー局
• 高圧電気分解

• 米国エネルギー省の高温電解