ガス拡散電極

ガス拡散電極（GDE）は、固体、液体、気体の界面と、液体と気体相の間の電気化学反応を促進する電気伝導触媒が結合した電極です。 ^[1]

GDE は燃料電池で使用され、酸素と水素がガス拡散電極で反応して水を形成し、化学結合エネルギーを電気エネルギーに変換します。通常、触媒は多孔質箔に固定され、液体とガスが相互作用できるようにします。これらの濡れ特性に加えて、ガス拡散電極は、低いオーム抵抗で電子輸送を可能にするために、当然最適な電気伝導性を提供する必要があります。

ガス拡散電極の動作にとって重要な前提条件は、電極の細孔系内に液相と気相の両方が共存することであり、これはヤング・ラプラス方程式で証明できます。

${\displaystyle p={\frac {2\ \gamma \cos \theta }{r}}}$

ガス圧p は、細孔システム内の液体と、細孔半径r、液体の表面張力 γ 、および接触角 θ との関係にあります。この式は、不明または達成が困難なパラメーターが多すぎるため、決定のガイドとしてとらえてください。表面張力を考慮する場合、固体と液体の表面張力の差を考慮する必要があります。しかし、炭素上の白金や銀などの触媒の表面張力はほとんど測定できません。平面上の接触角は、顕微鏡で決定できます。ただし、単一の細孔を調べることはできないため、電極全体の細孔システムを決定する必要があります。したがって、液体とガス用の電極領域を作成するには、異なる細孔半径 r を作成するか、異なる濡れ角 θ を作成するように経路を選択できます。

この焼結電極の画像では、3 つの異なる粒径が使用されていることがわかります。異なる層は次のとおりです。

1. 細粒材料の最上層
2. 異なるグループからのレイヤー
3. 粗粒材料のガス分配層

1950年から1970年にかけて焼結法で製造された電極のほとんどは、燃料電池用でした。このタイプの生産は、電極が厚くて重く、通常の厚さが2mmであるのに対し、個々の層は非常に薄く、欠陥がないようにする必要があったため、経済的な理由で中止されました。販売価格が高すぎ、電極を継続的に生産することはできませんでした。

この図はガス拡散の原理を示しています。いわゆるガス分配層は電極の中央にあります。ガス圧がわずかであれば、電解質はこの細孔システムから排除されます。流れの抵抗が小さいため、ガスは電極内を自由に流れることができます。ガス圧がわずかに高いと、細孔システム内の電解質は作業層に制限されます。表面層自体には非常に細かい細孔があるため、圧力がピークになっても、ガスは電極を通って電解質に流れ込むことができません。このような電極は、散布とそれに続く焼結またはホットプレスによって製造されました。多層電極を製造するには、微粒子材料を金型に散布して平滑にします。次に、他の材料を複数の層に適用して圧力をかけます。この製造はエラーが発生しやすいだけでなく、時間がかかり、自動化が困難でした。

1970年頃から、PTFEは化学的に安定しており、バインダーとして使用できる親水性と疎水性の両方の特性を持つ電極の製造に使用されています。これは、PTFEの割合が高い場所では電解質が細孔システムに浸透できず、逆もまた同様であることを意味します。その場合、触媒自体は非疎水性である必要があります。^[2]

PTFE 触媒混合物を製造するには、2 つの技術的なバリエーションがあります。

• 水、PTFE、触媒、乳化剤、増粘剤などの分散液。
• PTFE粉末と触媒粉末の乾燥混合物

分散経路は、主にポリマー電解質を備えた電極に選択され、プロトン交換膜燃料電池（PEM燃料電池）やプロトン交換膜（PEM）または塩酸（HCL）膜電気分解でうまく導入されています。液体電解質で使用する場合は、乾式プロセスの方が適しています。

また、分散ルート（水の蒸発と 340 °C での PTFE の焼結）では、機械的なプレスが省略され、生成される電極は非常に多孔質になります。高速乾燥法では、電極に亀裂が生じ、液体電解質が浸透する可能性があります。亜鉛空気電池やアルカリ燃料電池などの液体電解質を使用する用途では、乾式混合法が使用されます。

酸性電解質の場合、触媒は通常、プラチナ、ルテニウム、イリジウム、ロジウムなどの貴金属です。亜鉛空気電池やアルカリ燃料電池などのアルカリ電解質の場合、炭素、マンガン、銀、ニッケルフォーム、ニッケル メッシュなどのより安価な触媒を使用するのが一般的です。

最初はグローブセルに固体電極が使用されていましたが、フランシス・トーマス・ベーコンがベーコン燃料電池にガス拡散電極を初めて使用し、^[3]高温の水素と酸素を電気に変換しました 。長年にわたり、ガス拡散電極は次のようなさまざまなプロセスに適応されてきました。

• 1980年からの空気亜鉛電池
• 1990年以降のニッケル水素電池
• 廃塩酸の電気分解による塩素製造^[4]
• クロルアルカリ法^[5]
• 二酸化炭素の電気化学的還元

GDE はあらゆるレベルで生産されています。研究開発会社だけでなく、大企業でも、燃料電池やバッテリー装置でよく使用される膜電極アセンブリ(MEA) の製造に使用されています。GDE の大量生産を専門とする企業には、Johnson Matthey、Gore、Gaskatel などがあります。ただし、FuelCellStore、FuelCellsEtc など、さまざまな形状、触媒、負荷を評価できるカスタムまたは少量の GDE を生産する企業も多数あります。

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