NEDO水素・燃料電池成果報告会2024
団体名:
発表日:2024年7月日
発表No.
NEDO水素・燃料電池成果報告会20218燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業/水素利用等高度化
先端技術開発/アニオン交換膜水電解装置の大面積化に備えたMEA開発P1-3連絡先:産業技術総合研究所
伊藤博(ito.h@aist.go.jp)
産業技術総合研究所、早稲田大学、北海道大学、(株)トクヤマ、デノラ・ペルメレック(株)、TOPPANホールディングス(株)
研究目的・概要
アカデミア3者と企業3者が共同でAEM水電解大
規模システム構築のための基盤技術確立を目指
す。
具体的には大型スタック用大面積セル開発を視
野に入れ、水電解装置の心臓部となるMEA
(電解質膜-電極接合体)の開発に重点を
置き、MEAの高性能化に資する電解質膜や電
極触媒の開発、電極構造の最適化を行い、さら
にMEA大面積化に関する技術開発を行う。また
MEA部材の事業化に向けた指針を策定するため
フィージビリティスタディを実施する。
本事業で開発した大面積MEAは事業外スタック
メーカー協力のもと評価を行い、2030年頃まで
の事業化を目指した開発を実施する。
1-1.AEM水電解機構の解明とセル部材最適化【産総研】
1-5.アノード気泡制御技術の開発【北大】
1-6.アニオン交換膜物質移動特性解析【北大】
実施項目担当
1. AEM水電解セル高機能化に関する研究
1-1 AEM水電解機構の解明とセル部材最適化産総研
1-2 非貴金属系触媒の開発産総研
1-3 カソード触媒形成用電気化学反応プロセス開発早大
1-4 アノード触媒形成用電気化学反応プロセス開発早大
1-5 アノード気泡制御技術の開発北大
1-6 アニオン交換膜物質移動特性解析北大
1-7 アニオン交換膜およびアイオノマの高機能化トクヤマ
1-8 アノードPTLおよびPTEの開発デノラ・ペルメレック
1-9 カソード触媒塗工技術の開発 TOPPAN
2. AEM水電解中型スタック用MEAの開発
2-1 小型セル・スタックを用いた課題抽出産総研
2-2 中型セル用MEA開発と中型セル・スタックを用いた性能評価全機関
3. AEM水電解大面積セル構成部材の事業化に向けた指針策定
3-1 大面積セル構成部材の事業化に向けた指針策定全機関
主要研究目標
MEA高性能化により
事業開始時性能(約1.90V@1.5A/cm2)に対して
膜抵抗 : 30mV以上減@1.5A/cm2
アノード活性化過電圧: 30mV以上減@1.5A/cm2
濃度過電圧 : 70mV以上減@1.5A/cm2
合計 :120V以上減@1.5A/cm2
の性能向上を図り、
小型セル(25cm2)において
電解性能:1.80V以下@1.5A/cm2
中型セル(200~300cm2)において
電解性能:1.80V以下@1.4A/cm2
を実現する。
1-2. 非貴金属系触媒の開発【産総研】
FeNi系触媒の開発に取り組み,
アノード過電圧202 mV@10 mA cm-2を達成
(2023年度目標:200 mV@10 mA cm-2)
図左:触媒未担持
右:FeNi系触媒担持後
2-1.小型セル・スタックを用いた課題抽出【産総研】
1-3, 1-4. カソード/アノード触媒形成用電気化学反応プロセス開発【早大】
当拠点で開発を進めるAEM上触媒形成用無電解析出プロセスのスキーム
・非PGM利用プロセスを確立しカソー
ド触媒への適用可能性を検証済
・アイオノマー(バインダー)フリーの高密
着性/高密接の助触媒を形成可能
年度課題:アノード触媒への適用可能性の検証,及びCCS触媒との併用による性能向上の検証
(NiFe)
■しかくアノード助触媒としての性能評価
無電解析出NiFeのア
ノード適用可能性,及
びCCS触媒との併用に
よる性能向上を実証
■しかく中型セルへの展開
※(注記)パルス
めっきに
て作製
最も性能の高い組成の触媒表面SEM像
中型セル用無電解析出カソード/アノード触媒外観
中型セル用
触媒形成無
電解析出反
応浴を設計
水量論比と電気浸透流の関係
○しろまる電流値一定
○しろまる供給量一定
供給水量が十分なとき、OH-に配位する水分子数
は約1〜1.5であった。一方、供給水が電解消費
量の3倍を下回ると、配位分子が急激に低下した。
高速AFMによるナノバブル観察
高速AFM観察により、陽極電位では2層
からなる、複雑なナノバブル形態に成長する
ことが分かった。
小型セル(25cm2)の3セル・スタックにおける電解
試験を実施し、単セル時と概ね同じ電解性能であ
り、ファラデー効率も99%以上であることを確認し
た。(右図ファラー効率実測値)
カソード触媒材料および構造の最適化を行い、小型セル
(25cm2)において、アノードに1wt.%-KOH溶液(pH13.2)
を用い、カソードドライ運転条件下で約1.83V@1.5A/cm2
の性能を実現した。(右図i-V特性比較)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.61.41.51.61.71.81.92.0電圧[V]電流密度
[A cm-2]事業開始前
改良後
d e m o d e m o d e m o d e m o
d e m o d e m o d e m o d e m o
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d e m o d e m o d e m o d e m o
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d e m o d e m o d e m o d e m o
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60200400600800水素流量 [mL/min]
電流密度 [A cm-2]理論水素発生量
実測値0.920.940.960.981.00ファラデー効率[-]1-9.カソード触媒塗工技術の開発【TOPPAN】
どらお
ドライカソード運転に適した膜材料の設計、
試作、検証を進めている。また、他参画機関と
ともに中型セルへのスケールアップに必要なMEA
設計検討を進めている。
特に、AEM型水電解に用いるアニオン交換
膜は、セル性能と耐久性を両立する必要がある
が、各要求性能は密接に相関しており、それら
を高度にバランスした材料の設計、開発を進め
ている。
要求特性向上
・耐久性
・OH-伝導性
・水素バリア性
・水透過性
1MWクラスのユーザーを想定して大面積AEM
型水電解システム、同面積PEM型水電解システ
ムおよび小面積AEM型水電解システムのプロセス
設計を行っている。
それぞれのコスト試算をすることで、大面積AEM
型水電解システムの競争力を評価し、大面積セ
ル構成部材の事業化に向けてより高い優位性を
実現するための要件を検討する計画である。
FS前提条件
1-7.アニオン交換膜およびアイオノマの高機能化【トクヤマ】
2-1.中型セル用MEA開発と中型セル・スタックを用いた性能評価
3-1.大面積セル構成部材の事業化に向けた指針策定
1-8.アノードPTLおよびPTEの開発【デノラ・ペルメレック】
標準触媒にて大面積の基本製作条件を確立した
産総研開発触媒を適用することにより更なる性能改善を狙う
目標:200~300cm2において、30mV@1.5A/cm2の過電圧低減
課題:大型化・高性能化に向け最適な触媒層形成のためのインク処方・塗工条件の最適化
約300cm2試作
面内ばらつき<±3%を確認した
処方改良により25mV過電圧低減
25mV@1.5A/cm2Good➢電解質膜への直接塗工にて標準的なカソード電極触媒層の作製手法を提案する。
➢電解性能として触媒の活性を最大限に引き出すことを目標に、触媒/導電材/イオノマーの組成や、
触媒インクの分散手法・条件等の調整プロセスの最適化検討を行う。
23年度目標
25cm2サイズの触媒担持量均一性 : <3.0%
24年度目標
・貴金属使用量 : 20%削減
・カソード活性化過電圧 : <150mV@1.5A/cm2
CCM構造 : 電解質膜上に直接触媒層形成
PTL/GDL
ダイコート : 基材上に触媒インクを塗工・乾燥
基材(電解質膜)
基材(電解質膜)
電解質膜
低抵抗
高密着3.9%5.7%1.8%樹脂系カーボン系
添加材なし添加材あり
触媒担持量均一性
TOPPAN独自手法
23年度の
目標達成
白金担持カーボン触媒インク(イオノマー含)
乾燥
ダイコートCCMによる
電解性能向上目指す
触媒層
目標
3.0%以下Bad25cm2面内4点
のPt量測定(XRF)