水素エネルギーの新たな寵児：発泡鉄ニッケル合金が水素製造電解装置をどのように変えるか

1. 水素の新時代

水素は 16 世紀に発見されて以来、その豊富さ、高いエネルギー密度、環境に優しく低炭素な特性から、重要なクリーンエネルギー源と考えられてきました。

現在、水素製造プロセスは、炭素排出量の規模によって、グレー水素、ブルー水素、グリーン水素に分類されています。このうち、再生可能エネルギーを用いて水を電気分解して製造されるグリーン水素は、温室効果ガスや有害物質を排出せず、高い純度を誇ります。これは最もクリーンな水素製造方法であり、将来の水素エネルギーの主要な方向性を示しています。

グリーン水素は主に水の電気分解電解装置が水を水素と酸素に分解する技術です。現在、主な電解装置技術には、ALK（アルカリ水電解）、PEM（プロトン交換膜電解）、SOEC（固体酸化物電解セル）、AEM（固体高分子電解質）の4つがあります。で（交換膜電気分解について）

世界的なカーボンニュートラルの実現という文脈において、グリーン水素はエネルギー転換における重要な分野であることは疑いようがありません。電解装置技術がコストをさらに削減し、効率を向上させる能力は、この重要な分野における将来の成功にとって極めて重要です。

2. 主力：アルカリ電解装置

ALK（アルカリ水電解）による水素製造は、通常KOHまたはNaOH溶液を用いたアルカリ電解液環境で行われます。この電解技術の最大の利点は、陽極板と陰極板の両方に貴金属が含まれていないことです。金属sであるため、電解装置のコストが最も低くなります。さらに、このタイプの電解装置は商業的に最も成熟しており、豊富な運転経験を有し、市場を席巻しています。国内の主要機器の一部は、主要性能指標（KPI）が国際的に先進的なレベルに達しており、セルあたりの水素生産量が大きいため、電力系統駆動の電解装置への適応が容易です。

アルカリ電解装置は主にエンドプレート、ガスケット、バイポーラプレートなどの部品で構成されています。電極電解装置は、数十から数百個の電解セルで構成され、ネジと端板で押し付けられて円筒形または四角形を形成します。隣接する2枚のプレートで区切られた各電解セルは、正極板と負極板、陽極電極、隔膜、シーリングガスケット、そして陰極電極の6つの部品で構成されています。

アルカリ電解槽の電極は、電気化学反応が起こる場所であり、電解槽の水素生成効率を決定づける鍵となります。家庭用の大型アルカリ電解槽に使用されている電極のほとんどは、純ニッケルメッシュ、発泡ニッケル、あるいは高活性触媒をコーティングした純ニッケルメッシュ/発泡ニッケル基板などのニッケル系電極です。これらの中で、発泡ニッケルは安価で成熟した製品です。その電極材料には多数の微細孔が充填されており、広大な表面積を提供します。これにより、溶液と電極の接触面積が大幅に増加し、物質移動距離が短縮され、電解反応効率が大幅に向上します。

発泡鉄ニッケル合金材料従来のニッケル系材料を凌駕する性能を有し、活性酸素発生部位をより多く提供し、触媒効率も大幅に向上しています。これはアルカリ水電解の更なる飛躍と発展に向けた「画期的な成果」です。権威ある試験によると、実際の作業条件下では、泡鉄ニッケルを用いたアルカリ水電解の効率は従来のニッケルメッシュよりも優れています。国内外の最先端の研究に基づくと、直流電力消費量は4.0～4.3KWH/標準立方メートルと低く、エネルギー効率は80～85%に達します。

3. AEM電解装置の誕生

固体ポリマー陰イオン交換膜（AEM）水電気分解は、低コストの陰イオン交換膜をセパレーターとして使用し、低濃度のアルカリ溶液または純水を電解質として使用し、非貴金属触媒を反応に使用する水素製造プロセスです。

AEM 電解装置では、陽極は通常、遷移金属酸化物 (例: 酸化ニッケル、酸化コバルト) で構成され、陰極は一般にニッケル、白金、パラジウムなどの貴金属またはその合金で作られています。

陽極での反応は4OH−−4e−→O2​↑+2H2​Oです。陰極での反応は2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−です。

ここで言及した4OH−は、このプロセスで重要な陰イオンです。陰イオン交換膜の作用により、陰極で生成されたOH−は陽極に移動し、陽極側のOH−濃度が上昇します。その結果、陽極でより多くの酸素と水が生成されます。その結果、陰極にはより純粋な水素生成物が残ります。

正極材料と負極材料の主な役割は、水分解反応を触媒し、生成された水素と酸素を効率的に取り出すことです。そのため、正極材料と負極材料はいずれも強力な触媒活性と多孔性を備えていなければなりません。また、電極反応を円滑に進行させるためには、正極材料と負極材料は高い陰イオン伝導性と電子伝導性も備えていなければなりません。

現在、最も広く使用されている陰極材料はニッケル合金であり、陽極材料は主にニッケルと鉄の合金です。鉄とニッケルは水分解において強力な触媒活性を示すだけでなく、入手しやすく低コストです。AEMは腐食性の高い環境で動作しないため、陽極材料や陰極材料にイリジウムやチタンなどの貴金属触媒を必要としません。これにより、AEM装置の製造コストが大幅に削減され、その性能はPEM技術に劣らないため、世界中で新たに開発される水素電解装置の主流となっています。

4. 波に乗る：フォーム鉄ニッケル

現在主流の ALK (アルカリ電解) 技術でも、新興の AEM 技術でも、泡鉄ニッケルは独自の応用上の利点と幅広い展望を提供します。

素材特性: 革新的な3Dメッシュデザイン

• 超高比表面積：細孔径は20～450μm、多孔度は98%以上で、有効表面積は平面電極の数百倍に相当します。これにより反応速度が大幅に向上し、溶液と電極の接触面積が飛躍的に増加し、物質移動距離が短縮され、電気分解反応効率が大幅に向上します。
• 効果的な触媒鉄ニッケル発泡体の表面には、ニッケル系および鉄系の触媒がコーティングされています。これらの触媒は、水を水素と酸素に分解する水電気分解反応を促進します。
• 構造サポート：発泡ニッケルの 3 次元構造は優れたサポートを提供し、電極の安定性と構造的完全性を維持し、長期の動作を保証します。
• 高い導電性：鉄とニッケルはどちらも優れた電気伝導体であり、鉄ニッケル発泡体の 3 次元構造により表面積が大きくなり、電流の分散に役立ちます。

触媒層の適用

現在、電解装置の触媒層には主にアノード触媒層（OER-CL）そしてカソード触媒層（HER-CL）は、それぞれ酸素発生反応（OER）と水素発生反応（HER）を促進します。OERとHERはどちらも運動学的に不活性であるため、反応活性を高め、エネルギー消費量を削減するために、通常は電極に触媒を担持します。これが触媒層（CL）の機能です。Ni系触媒は、アルカリ性媒体中で高い活性と優れた耐食性を示し、他の遷移金属（Fe、Coなど）よりも安定しているため、OER触媒とHER触媒の両方として広く使用されています。Feは酸素親和性が高いため、OH-種を吸着する傾向があるため、OERの運動学的促進剤としてよく使用されます。発泡ニッケル鉄合金材料NiFe 金属の特性を兼ね備えたこの材料は、水素製造用のアノード材料として使用すると大きな利点を発揮します。

拡散層の応用

ガス拡散層（GDL）は、主にガス拡散（カソードでは水素、アノードでは酸素）に使用されます。さらに、金属伝導性と熱伝導性を有するため、電子と熱の伝達も促進するため、多孔質輸送層（PTL）とも呼ばれます。現在、発泡ニッケルは拡散層材料として市場で広く使用されています。さらに、高品質でコスト効率の高い発泡鉄ニッケルは、より経済的な選択肢となっています。