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| プロトン交換膜電気分解 | |
|---|---|
 PEM電解反応の図。 | |
| 代表的な材料 | |
| 電気分解の種類： | PEM電解 |
| 膜／ダイヤフラムのスタイル | 固体ポリマー |
| 双極板／分離板材 | チタンまたは金とプラチナでコーティングされたチタン |
| 陽極上の触媒材料 | イリジウム |
| 陰極上の触媒材料 | 白金 |
| 陽極PTL材料 | チタン |
| 陰極PTL材料 | カーボン紙／カーボンフリース |
| 最先端の運用範囲 | |
| 細胞温度 | 50～80℃ [ 1 ] |
| スタック圧力 | <30 bar [ 1 ] |
| 電流密度 | 0.6-10.0 A/cm 2 [ 1 ] [ 2 ] |
| セル電圧 | 1.75～2.20V [ 1 ] |
| 電力密度 | 4.4 W/cm 2 [ 1 ] |
| 部分負荷範囲 | 0-10% [ 1 ] |
| エネルギー消費スタックの比エネルギー消費量 | 4.2～5.6 kWh/Nm 3 [ 1 ] |
| 特定エネルギー消費システム | 4.5～7.5 kWh/Nm 3 [ 1 ] |
| セル電圧効率 | 67～82％[ 1 ] |
| システム水素生成速度 | 30 Nm 3 /h [ 1 ] |
| 生涯スタック | <20,000時間[ 1 ] |
| 許容可能な劣化率 | <14 μV/h [ 1 ] |
| システム寿命 | 10～20歳[ 1 ] |
プロトン交換膜（PEM）電解は、固体高分子電解質（SPE） [ 3 ]を備えたセル内での水の電気分解であり、このSPEはプロトンの伝導、生成ガスの分離、および電極の電気絶縁を担っています。PEM電解槽は、現在アルカリ電解槽を悩ませている部分負荷、低電流密度、および低圧運転の問題を克服するために導入されました。[ 4 ] [ 1 ]プロトン交換膜が使用されています。
水の電気分解は、エネルギーキャリアとして使用される水素の製造において重要な技術です。水の電気分解は、高速な動的応答時間、広い動作範囲、および高効率により、再生可能エネルギー源と組み合わせたエネルギー貯蔵のための有望な技術です。持続可能性と環境への影響の観点から、PEM電気分解は、副産物として酸素のみを排出し、炭素排出がないため、高純度で効率的な水素製造のための有望な技術と考えられています。[ 5 ] IEAは2022年に、さらなる努力が必要だと述べました。[ 6 ]イリジウムの入手可能性は、PEM技術の普及の制約となる可能性があります。[ 7 ] [ 8 ]
PEMを用いた電気分解は、アルカリ電解技術の欠点を克服するために開発されたゼネラル・エレクトリック社によって1960年代に初めて導入されました。[ 9 ]初期の性能は1.88Vで1.0A/cm2で、当時のアルカリ電解技術と比較すると非常に効率的でした。1970年代後半には、アルカリ電解装置は2.06Vで約0.215A/cm2の性能を報告しており、[ 10 ]そのため1970年代後半から1980年代初頭にかけて、水電解用の高分子電解質への関心が急激に高まりました。PEM水電解技術はPEM燃料電池技術に似ており、ナフィオン、フマペムなどの固体ポリスルホン化膜が電解質（プロトン伝導体）として使用されています。[ 11 ]
初期の研究から今日に至るまでの歴史的パフォーマンスの徹底的なレビューは、Carmo らによる 2013 年のレビューで多くの動作条件とともに時系列順に記載されています。[ 1 ]
PEM電解の最大の利点の1つは、高電流密度で動作できることです。[ 1 ]これにより、特に風力や太陽光などの非常に変動の大きいエネルギー源と組み合わせたシステムでは、エネルギー入力の急激な増加によって回収されないエネルギーが発生するため、運用コストを削減できます。ポリマー電解質により、PEM電解槽は非常に薄い膜（約100～200μm）で動作しながら高圧を維持できるため、膜を横切るプロトンの伝導によって主に低オーム損失（0.1 S/cm）が発生し、圧縮された水素が出力されます。[ 12 ]
ポリマー電解質膜は、その固体構造によりガスの透過率が低く、非常に高い生成ガス純度を示します。[ 1 ]高いガス純度を維持することは、貯蔵の安全性と燃料電池での直接使用のために重要です。標準条件下でのO2中のH2の安全限界は、O2中の4モル％ H2です。[ 13 ]
さらに、貴金属コーティングの物理蒸着（PVD）などの高度な製造技術は、コスト削減に貢献します。これらの技術により、バイポーラプレートや多孔質輸送層などのコンポーネントに必要な貴金属の量を大幅に削減しながら、高い性能を維持し、耐食性を向上させることができます[ 14 ]。これにより、コアコンポーネントの動作寿命が延び、システムのライフサイクル全体の経済性が向上します。
電解槽は、電気と水を水素と酸素に変換する電気化学装置であり、これらのガスは、後で使用するためのエネルギー貯蔵手段として使用できます。この用途は、風力タービンや太陽電池などの動的な電気源からの電力網の安定化から、燃料電池車の燃料としての局所的な水素製造まで多岐にわたります。PEM電解槽は、固体高分子電解質（SPE）を使用して、電極を電気的に絶縁しながら陽極から陰極にプロトンを伝導します。標準条件下では、水の分解に必要なエンタルピーは285.9 kJ/molです。持続的な電気分解反応に必要なエネルギーの一部は熱エネルギーによって供給され、残りは電気エネルギーによって供給されます。[ 15 ]
稼働中の電解槽の開回路電圧の実際の値は、セル／スタック設計が熱エネルギー入力をどのように利用するかによって、1.23Vから1.48Vの間になります。しかし、稼働中の電解槽では、内部電気抵抗、プロトン伝導、セル内の物質輸送、触媒利用など、他にも多くの電圧損失が発生するため、これを正確に判断したり測定したりすることは非常に困難です。
酸化還元反応は触媒表面で起こる。しかし、酸化還元反応に実際に利用可能な触媒表面積（電気化学的表面積（ECSA））は、露出した触媒表面面積（幾何学的表面積）とは一致しない。したがって、電気化学的表面積と幾何学的表面積の比率を最大化することが、性能向上と貴金属触媒使用量の削減に不可欠である。
PEM電解槽の陽極側で起こる半反応は、一般的に酸素発生反応（OER）と呼ばれています。ここでは、反応物である液体の水が触媒に供給され、そこで供給された水が酸化されて酸素、プロトン、電子が生成されます。
PEM電解槽の陰極側で起こる半反応は、一般的に水素発生反応（HER）と呼ばれています。ここでは、供給された電子と膜を透過してきた陽子が結合し、気体状の水素が生成されます。
下の図は、PEM電解の仕組みを簡略化したもので、個々の半反応とPEM電解槽の完全な反応を示しています。この図では、水素製造のために電解槽がソーラーパネルと接続されていますが、ソーラーパネルは他の電源に置き換えることも可能です。
熱力学第二法則によれば、反応のエンタルピーは次のようになる。
どこは反応のギブズ自由エネルギーであり、は反応の温度であり、これはシステムのエントロピー変化である。
熱力学的エネルギー入力を伴う全体のセル反応は次のようになる。
上記の熱入力と電気入力は、電気分解反応を起こすために電気で供給できる最小エネルギー量を表しています。反応に最大量の熱エネルギー（48.6 kJ/mol）が供給されると仮定すると、可逆セル電圧は計算可能です。
どこは電子の数であり、はファラデー定数です。不可逆反応が存在せず、すべての熱エネルギーが反応に利用されると仮定したセル電圧の計算は、低位発熱量（LHV）と呼ばれます。高位発熱量（HHV）を使用した別の定式化では、電気分解反応を駆動するためのすべてのエネルギーが、必要なエネルギーの電気成分によって供給されると仮定して計算され、その結果、より高い可逆セル電圧が得られます。HHVを使用する場合、電圧の計算は熱中性電圧と呼ばれます。
燃料電池と同様に、電解セルの性能は、通常、セル電圧を電流密度に対してプロットすることによって得られる分極曲線によって比較されます。PEM電解槽（PEM燃料電池にも同様に当てはまります）における電圧上昇の主な原因は、オーム損失、活性化損失、および物質輸送損失の3つの主要な領域に分類できます。PEM燃料電池とPEM電解槽では動作が逆であるため、これらのさまざまな損失の影響の程度は2つのプロセス間で異なります。[ 1 ]
PEM電解システムの性能は、過電圧とセル電流密度の関係をプロットすることで比較できます。これは基本的に、水素と酸素を生成するために必要なセル面積1平方センチメートルあたりの電力を表す曲線になります。PEM燃料電池とは逆に、PEM電解槽の性能が良いほど、一定の電流密度におけるセル電圧は低くなります。下の図は、ユーリッヒ研究センターによる、熱中性運転下の25 cm 2単セルPEM電解槽のシミュレーション結果で、電圧損失の主な原因と、さまざまな電流密度におけるそれらの寄与を示しています。
オーム損失とは、電解槽の構成要素の内部抵抗によって電解プロセスに生じる過電圧のことです。この損失により、電解反応を維持するために追加の電圧が必要となり、この損失の予測はオームの法則に従い、運転中の電解槽の電流密度と線形関係になります。
電気抵抗によるエネルギー損失は完全に失われるわけではありません。抵抗による電圧降下は、ジュール熱と呼ばれるプロセスによって電気エネルギーが熱エネルギーに変換されることに関係しています。この熱エネルギーの大部分は反応物である水とともに持ち去られ、環境に放出されますが、ごく一部は電気分解プロセスで熱エネルギーとして回収されます。回収できる熱エネルギーの量は、システムの動作やセル設計の多くの側面によって異なります。
プロトンの伝導によるオーム損失は、ジュール熱効果を除けば、オームの法則に従う効率の低下に寄与します。PEMのプロトン伝導率は、膜の水和、温度、熱処理、およびイオン状態に大きく依存します。[ 16 ]
ファラデー損失は、陰極ガス出口で水素を生成せずに供給される電流と相関する効率損失を表します。生成された水素と酸素は膜を透過することができ、これをクロスオーバーと呼びます。[ 16 ]電極では両方のガスの混合物が生成されます。陰極では、酸素は陰極触媒の白金表面で水素と触媒的に反応することができます。陽極では、水素と酸素は酸化イリジウム触媒で反応しません。[ 16 ]そのため、酸素中の水素の爆発性陽極混合物による安全上の危険が生じる可能性があります。陰極での酸素との反応により水素が失われ、陰極から膜を介して陽極に透過すると、水素生成のために供給されたエネルギーが失われます。したがって、失われた水素と生成された水素の量の比率がファラデー損失を決定します。電解槽の加圧運転では、クロスオーバーと相関するファラデー効率損失が増加します。[ 16 ]
加圧電解による水素発生は等温圧縮プロセスに匹敵し、効率の点では機械的等方圧縮よりも好ましい。[ 16 ]しかし、前述のファラデー損失の寄与は運転圧力とともに増加する。したがって、圧縮水素を生成するには、電解中のその場での圧縮とそれに続くガスの圧縮を効率の観点から検討する必要がある。
PEM電解槽は、非常に動的な条件下だけでなく、部分負荷や過負荷の条件下でも動作できることが、この技術への関心が近年再び高まっている理由の一つです。電力網の需要は比較的安定していて予測可能ですが、風力や太陽光などのエネルギー源と組み合わせると、電力網の需要と再生可能エネルギーの発電量が一致することはほとんどありません。つまり、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源から生産されるエネルギーは、バッファ、つまりオフピークエネルギーを貯蔵する手段を持つことで恩恵を受けるということです。2021年現在最大のPEM電解槽は20MWである。[ 17 ]
PEM電解の電気効率を決定する際には、高位発熱量（HHV）を使用できます。[ 18 ]これは、触媒層が水と反応して蒸気を生成するためです。PEM 電解槽ではプロセスが80℃で動作するため、廃熱をシステムを通して蒸気を生成するために再利用することができ、結果として全体的な電気効率が高くなります。アルカリ電解槽では、これらの電解槽内のプロセスが液体の水を必要とし、水素原子と酸素原子を結びつけている結合を切断するためにアルカリ性を使用するため、低位発熱量（LHV）を使用する必要があります。蒸気が入力ではなく出力であるため、燃料電池でも低位発熱量を使用する必要があります。
PEM電解は、反応を駆動するために使用される単位電力あたりの水素生成量に関して、実用上約80%の電気効率を有しています。[ 19 ] [ 20 ] PEM電解の効率は、この分野の進歩が急速に進むにつれて、耐久性を維持しながら、2030年までに82～86%に達すると予想されています。[ 21 ] [ 22 ]
総合効率：70％、または86％（廃熱利用）
