ここでは、水素透過金属膜がどんな使われ方をするのか解説していきます。
まず、水素透過金属膜の特徴をあげておきましょう。
1. とてもキレイな水素を作ることができる
2. シンプルなしくみで水素を分離できる
3. 水素のみが通りぬけられる
4. 膜の反対側に水素が原子の状態で出てくる
これらの特徴を活かすことで、色々な目的や使い方が生まれてくるのです。
まず、1つ目の「とてもキレイな水素を作ることができる。」という特徴についてです。
今、環境問題が大きな問題となっており、クリーンなエネルギーとして水素を活用していこうとする動きが世界中で見られます。
例えば、水素の最も代表的な使い方の1つである「燃料電池（ねんりょうでんち）」は、水素と酸素を化学反応させて電気を取り出すものです。
燃料電池
水素と酸素が反応すると、水ができます。逆に言えば、水しか出さず、地球温暖化の原因とされている二酸化炭素も出てこないため、とても環境にやさしい発電方法だと言われています。今この燃料電池で動く車が作られています。
燃料電池バス・自動車
今の車はガソリンスタンドでガソリンを入れないと走らないですが、燃料電池自動車も水素を入れないと走ることができません。
そうした水素を入れるための水素ステーションが少しずつ作られています。
水素ステーション
燃料電池に使う水素はとてもキレイであることが必要です。よってキレイな水素をつくることのできる水素透過金属膜はとても大事な材料なのです。
将来こうした水素ステーションであなたが入れる水素は水素透過金属膜を通ってキレイになった水素かもしれませんね♪
また、とてもキレイな水素は他にも使い道があります。例えば、半導体の製造にはキレイな水素は欠かせません。
次に2つ目の特徴「シンプルなしくみで水素を分離できる。」についてです。
従来型PSAとの比較
今使われている水素をつくる装置はPSA方式といって、吸着剤に水素以外の不純物をとらえることできれいな水素を作り出す方法です。
しかしこの方法にはいくつか欠点があります。
1. 騒音が大きい
2. 装置そのものが大きく場所を取り過ぎてしまう
3. かなりキレイな水素を作れるが、そのキレイさは十分ではない
4. 不純物を吸着できる量に限界があり、吸着剤を切り替える必要がある。そのため反応経路が複雑になる
一方、水素透過金属膜は「水素透過金属膜とは」のページでも説明したように、水素しか透過しないので十分にキレイな水素を得られます。
また、水素を透過させるのに騒音は一切出ず、とてもコンパクトに設計することができます。
さらに切り替えがいらず、連続運転が可能です。
このような利点から、将来はPSA方式の水素製造装置の代わりとして、水素透過膜が使われる可能性があります。
次に3つ目「水素だけが膜を通りぬけられる。」という特徴です。
メンブレンリアクター
水素は自然界には単体で存在しないので、何かしらの化学反応によってつくる必要がありますが、化学反応はどれだけ反応が起こるかという効率が決まっています。
上の図のように、AとBという物質が反応して水素とCができるとしましょう。このとき、反応があるところまで進むと、AとBは「仕事した～。反応終わり♪」となり、最終的には決まった量だけ水素ができます。
しかしながら、水素透過金属膜のように水素だけを通すものがあると、反応が起こって水素ができても、水素だけが膜を通っていなくなってしまいます。
そのため、物質たちは「あれ？まだ反応が起こってないじゃん」と勘違いし、さらに反応を起こし水素を作ります。
そうすると、水素透過金属膜がない場合に比べてとても効率がよくなります。
このように水素透過金属膜を使う仕組みを「メンブレンリアクター」といいます。
また別の使い方として「水素センサー」があります。
水素センサー
何か特定の物質がどれだけあるかを測る装置を「センサー」といいます。
水素透過金属膜を使うことで、水素を感知する「水素センサー」を作ることができます。
上の図のように、ある部屋に水素が入っていて、その量を知りたいとします。そこに水素透過金属膜を持ってくると、水素だけが膜を通りぬけてセンサー側にたまります。最後には部屋の中とセンサーの中の水素の圧力が同じになります。
そのときの、センサーの中の圧力を測れば、部屋の中の水素の量も分かるということです。
水素透過金属膜を使うことで、他にどんなガスがいても水素のみがどれだけいるかを知ることができるため「水素センサー」として使うことができるのです。
最後に4つ目「膜の反対側に水素が原子の状態で出てくる。」です。
「水素透過金属膜とは」で説明しましたが、水素は2つの水素原子がカップルになった水素分子という状態で存在します。
この仲良しカップルを引き離すのは、本来とてもむずかしいのですが、水素透過金属膜は１度原子になった水素が金属の中を溶解・拡散して反対側にぬけてそこで再結合して分子に戻るので、膜の反対側表面にはまだ分子にもどっていない水素がたくさんいるのです。
こうした水素は再結合するために、相手を探してさまよっています。そこに違う物質を吹きつけてあげることで、相手を探している水素と反応させて全くちがう物質を生み出すことができます。
反応器としての利用
このように水素透過金属膜は色々な利用法・活用法があります。
今後の研究によってさらに新しい使い方が生まれるかもしれませんね。
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☆ ポイント 水素透過金属膜はキレイな水素をつくりだすだけでなく、水素センサーや新しい化学反応器にも応用できる。 今後の研究によってさらに面白い使い方が生まれるかもしれない。 |
