水素のオンサイト生産への可能性。工場の産業廃棄熱程度の低温度条件下での水素生産システムを開発

2026年7月6日

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.152637

論文タイトル

水素生産のための中温域におけるBa2Ca0.66Nb1.34-xFexO6-δペロブスカイト上の顕著な熱化学的水分解
Remarkable thermochemical water-splitting on Ba2Ca0.66Nb1.34-xFexO6-δ perovskites at medium temperatures for hydrogen production

ビジネスインサイト

従来の熱化学システムで必要だった1300–1500 ℃という極めて高い触媒再生温度を700–1000 ℃へと大幅に引き下げ、水素生成自体も150–500 ℃の中低温域で可能にしたことで、鉄鋼、セメント、ガラス、化学などの基礎産業部門に豊富に存在する廃棄熱を直接利用した低コストな局所的水素生産（オンサイト生産）に影響を与える可能性。
予備的な技術経済分析において、新開発のペロブスカイト触媒を用いた水分解は、従来のグリーン水素（電気分解）やブルー水素（メタン改質＋二酸化炭素回収・貯留）よりも低いコストで水素を製造できる可能性が示され、特に再生可能エネルギー由来の電力が比較的安価な地域（オーストラリアなど）におけるクリーンエネルギー市場の勢力図に影響を与える可能性。

概要

バリウム、ニオブ、カルシウム、鉄からなる無毒で安定なペロブスカイト触媒を用い、従来の技術よりも約500 ℃低い温度条件下で、水を水素と酸素に分離する中低温域での熱化学的水分解法を実証した。これにより、工場の産業廃棄熱を直接利用した低コストかつクリーンな局所的水素生産の可能性を明らかにした。

研究の詳細

背景

金属酸化物を用いた2段階熱化学的水分解プロセスは、持続可能な水素（H2）生産の有望なアプローチであるが、従来のプロセスは約1300–1500 ℃という非常に高い還元（再生）温度を必要としていた。この超高温条件は、材料の安定性、反応器の設計、および実際の操業において大きな課題となっており、より低い温度で動作するコスト効率の高い材料の開発が世界の研究最前線となっていた。また、現在主流の水素生産法（水蒸気改質）は二酸化炭素を排出し、電気分解（グリーン水素）は高コストであるため、効率的で安価な新技術が求められていた。

主要な結果

バリウム、ニオブ、カルシウム、鉄から構成されるペロブスカイト構造材料である Ba2Ca0.66Nb1.34-xFexO6-δ (x = 0.34, 0.66, 1) が、中温域での熱化学的水分解に極めて有効であることを実証した。
テストされた組成の中で、x = 1 に相当する Ba2Ca0.66Nb0.34FeO6-δ（通称BNCF100）が最も高い熱化学的反応性を示し、700 ℃の等温サイクル下で材料1グラムあたり約100 μmolのH2を生成した。
1000 ℃での熱還元に続く冷却酸化（1000 ℃から150 ℃への冷却、水蒸気不完全分圧0.0419気圧）の条件下において、10サイクルにわたり平均1014.22 μmol/g（ハイライトでは1014 μmol/gと記載）という顕著なH2収量を達成した。また、酸化温度が低いほどH2収量が大幅に増加することが観察された。
X線回折（XRD）分析により、10回の生産サイクル後も材料の結晶構造変化が極めて小さく、高い構造安定性を維持していることが証明された。メカニズムの解析により、カルシウム（Ca）原子と鉄（Fe）原子の間に形成される酸素欠損（Fe-VO-Ca酸素欠損サイト）が水分解の活性サイトとして機能し、H2O分子がこのサイトで解離吸着を起こすことで水素が効率的に生成されることを明らかにした。

材料と方法

バリウム、ニオブ、カルシウム、鉄からなり、複雑な製造プロセスを必要とせず毒性成分を含まない Ba2Ca0.66Nb1.34-xFexO6-δ (x = 0.34, 0.66, 1) ペロブスカイト触媒（BNCF触媒）を合成した。
等温サイクル（700 ℃）および熱還元（1000 ℃）後の冷却酸化（1000-150 ℃）条件下において、操作モード、還元温度、水蒸気不完全分圧（0.0419気圧など）がH2生産に与える影響を調査・評価した。
10サイクルにわたる連続的な熱化学的水分解試験を実施し、試験前後の材料変化をX線回折（XRD）分析により測定した。

実用化までのフェーズ

基礎研究・新規触媒材料開発フェーズ（ラボ環境での10サイクルにわたる触媒の有効性・安定性検証、および予備的な技術経済性分析を完了した段階）。

社会実装に向けた課題

①ラボスケールから、実際の工場や再生可能エネルギー発電所の周辺に設置・稼働できる産業規模の反応器設計・システムへのスケールアップ、②数千サイクル以上の長期間に及ぶ連続運用時における触媒の物理的・化学的耐久性と構造安定性の実証、③実操業下の複雑な工業環境において産業廃棄熱を効率的に捕集してプロセスに投入するための熱交換・システム統合技術の最適化、④バーミンガム大学の事業化部門（University of Birmingham Enterprise）が進めている、英国および欧州での商業化に向けた開発・ライセンスパートナーの獲得