硫黄・ヨウ素循環

硫黄-ヨウ素サイクル（S-Iサイクル）は、水素を生成するために使用される3段階の熱化学サイクルです。

S-I サイクルは、正味反応物が水、正味生成物が水素と酸素である 3 つの化学反応から構成されます。その他の化学物質はすべてリサイクルされます。S-I プロセスには効率的な熱源が必要です。

水素を生成するために組み合わされる 3 つの反応は次のとおりです。

I ₂ + SO ₂ + 2 H ₂ O- 熱→2 HI + H ₂ SO ₄ (120 °C (250 °F)) (ブンゼン反応)

その後、HI は蒸留または液液重力分離によって分離されます。

2H2SO4の_​​_​ + 熱→2 SO ₂ + 2 H ₂ O + O ₂（830 °C（1,530 °F））

水、SO ₂および残留 H ₂ SO _{4 は}、凝縮によって酸素副産物から分離する必要があります。

2 こんにちは+ 熱→ I ₂ + H ₂ (450 °C (840 °F))

ヨウ素とそれに伴う水または SO2_は凝縮によって分離され、水素生成物はガスとして残ります。

反応式：2 H ₂ O → 2 H ₂ + O ₂

硫黄とヨウ素の化合物は回収され、再利用されるため、このプロセスはサイクルとして考えられます。この S-I プロセスは化学熱機関です。熱は高温の吸熱化学反応 2 と 3 でサイクルに入り、熱は低温の発熱反応 1 でサイクルから出ます。サイクルに入る熱とサイクルから出る熱の差は、生成された水素の 燃焼熱の形でサイクルから出ます。

• すべての流体（液体、ガス）プロセスなので、連続生産に適しています。
• 高い熱効率が予測される（約50％）
• 副産物や排出物（水素と酸素以外）のない完全に閉鎖されたシステム
• 十分な高温が達成できる場合、太陽光、原子力、ハイブリッド（例：太陽光と化石燃料）の熱源での応用に適しています。
• 競合する熱化学プロセスよりも発達している
• 比較的小規模から大規模なアプリケーションまで拡張可能
• 高価または有毒な触媒や添加物は不要
• 火力発電所（効率約30～60%）からの電力を使用した水の電気分解（効率約70～80%）よりも効率的で、合計で効率約21～48%になります。
• 地域暖房に適した廃熱は、コジェネレーションが必要な場合に利用できる

• 非常に高い温度が必要（少なくとも850℃（1,560℉）） - 現在の加圧水型原子炉や集光型太陽熱発電では達成不可能または困難
• 腐食性試薬が媒介物として使用される（ヨウ素、二酸化硫黄、ヨウ化水素酸、硫酸）。そのため、プロセス装置の構築には高度な材料が必要である。
• 大規模に実現するには、さらなる大幅な開発が必要
• 提案された温度範囲では、先進的な火力発電所は50％を超える効率（熱入力あたりの電力出力）を達成することができ、効率の利点をある程度打ち消すことができる。
• 漏洩した場合、揮発性ヨウ素やヨウ化水素酸など、腐食性やや毒性のある物質が環境に放出されます。
• 水素をプロセス熱として使用する場合、必要な高温により、熱の直接利用と比較した利点が疑問視される。
• 水力、風力、または現在利用可能な地熱発電などの非熱または低品位の熱エネルギー源を使用できない

S-Iサイクルは1970年代にゼネラル・アトミックス社で発明されました。 ^[1] 日本原子力研究開発機構（JAEA）はヘリウム冷却高温試験炉でS-Iサイクルの実験に成功しており、^{[2] [3] [4] [5]}この原子炉は1998年に初臨界に達しました。JAEAは、さらに第4世代の超高温原子炉（VHTR）を使用して工業規模の量の水素を製造することを望んでいます。（日本人はこのサイクルをISサイクルと呼んでいます。）水素製造のためのより大規模な自動化システムをテストする計画が立てられています。国際原子力研究イニシアチブ（INERI）協定に基づき、フランスのCEA、ゼネラル・アトミックス社、サンディア国立研究所は硫黄-ヨウ素プロセスを共同で開発しています。アイダホ国立研究所、カナダ、韓国、イタリアでも追加の研究が行われています。

S-Iサイクルでは、腐食性の化学物質を最高約1,000 °C（1,830 °F）の温度で操作します。プロセス条件下で十分な耐腐食性を持つ材料を選択することが、このプロセスの経済的実現可能性にとって重要です。提案されている材料には、耐火金属、反応性金属、超合金、セラミック、ポリマー、コーティングなどがあります。^{[6] [7]} 提案されている材料には、タンタル合金、ニオブ合金、貴金属、高シリコン鋼、^[8]いくつかのニッケルベースの超合金、ムライト、炭化ケイ素（SiC）、ガラス、窒化ケイ素（Si ₃ N ₄）などがあります。最近の小規模なプロトタイピングの研究では、新しいタンタル表面技術が、より大規模な設備を製作するための技術的かつ経済的に実現可能な方法である可能性があることが示唆されています。^[9]

硫黄-ヨウ素サイクルは、水素ベースの経済に水素を供給する方法として提案されています。このサイクルでは、現在の水蒸気改質法のように炭化水素は必要ありませんが、燃焼、核反応、または太陽熱集熱器からの熱が必要です。

• セリウム(IV)酸化物-セリウム(III)酸化物サイクル
• 銅-塩素サイクル
• ハイブリッド硫黄サイクル
• 高温電気分解
• 鉄酸化物サイクル
• 亜鉛-酸化亜鉛サイクル

• Paul M. Mathias と Lloyd C. Brown による「熱化学的水素製造のための硫黄-ヨウ素サイクルの熱力学」、2003 年 3 月 23 日、日本化学工学会第 68 回年次大会で発表。(PDF)
• 寺田篤彦;岩月仁、石倉修一、野口裕樹、久保真司、奥田裕之、笠原誠治、田中信行、太田裕之、大貫薫、日野隆太郎、「熱化学水分解ISプロセスパイロット試験計画による水素製造技術の開発」、Journal of Nuclear科学技術、Vol.44、No.3、p. 477–482 (2007)。 (PDF)。

• 水素：原子力で作られる私たちの未来（MPRプロファイル第9号）
• 水素製造のためのモジュール式ヘリウム炉の使用（世界原子力協会シンポジウム2003）