持続可能なエネルギーの未来を追求する中で、陽子交換膜（PEM）水素電気分解は、緑の水素を生産するための有望な技術として浮上しています。 PEM水素電解溶液のサプライヤーとして、私はこの技術の顕著な進歩と可能性を直接目撃しました。ただし、新たな技術と同様に、PEM水素電解は、広範な採用と商業的実行可能性を達成するために克服しなければならないいくつかの技術的なボトルネックに直面しています。このブログ投稿では、PEM水素電気分解の開発における重要な技術ボトルネックのいくつかについて説明し、それらに対処するための潜在的なソリューションを探ります。
材料のコスト
PEM水素電解における主な課題の1つは、電解スタックで使用される材料のコストが高いことです。 PEM電解装置スタックは、プロトン交換膜、触媒、ガス拡散層、双極板など、いくつかの主要な成分で構成されています。これらの材料は通常、プラチナやイリジウムなどの高価な高貴な金属から作られており、電解剤の全体的なコストに大きく貢献しています。
これらの材料の高いコストは、PEM水素電気分解の広範な採用を制限するだけでなく、蒸気メタンの改革などの他の水素生産方法と比較して競争力を低下させます。この問題に対処するために、研究者とメーカーは、より豊富で費用対効果が高く、貴金属に匹敵するパフォーマンスを持っている代替材料と触媒を積極的に調査しています。
たとえば、いくつかの研究では、PEM電解器でのニッケルやコバルトなどの非新たな金属触媒の使用を調査しています。これらの材料は、触媒活性と安定性の観点から有望な結果を示していますが、パフォーマンスと耐久性を最適化するにはさらなる研究が必要です。さらに、パフォーマンスを犠牲にすることなく、電解装置スタックで使用される貴金属の量を減らすことができる新しい製造プロセスを開発する努力がなされています。
耐久性と安定性
PEM水素電解におけるもう1つの重要な課題は、長期間の動作における電解剤スタックの耐久性と安定性です。高温、高い圧力、腐食性環境などの過酷な動作条件は、電解装置スタック内の材料と成分の分解を引き起こし、パフォーマンスの低下と寿命の短縮につながる可能性があります。
特に、プロトン交換膜の分解は、耐性の増加、効率の低下、およびガスクロスオーバーをもたらす可能性があるため、大きな懸念事項です。 PEM電解器の耐久性と安定性を改善するために、研究者は、劣化に対してより耐性があり、厳しい動作条件に耐えることができる新しい材料と膜設計の開発に焦点を当てています。
たとえば、いくつかの研究では、さまざまなポリマーと添加剤を組み合わせて機械的および化学的特性を強化する複合膜の使用を調査しています。これらの膜は、従来の単一層膜と比較して、安定性と性能の向上を示しています。さらに、膜電極アセンブリ（MEA）製造技術の進歩が膜と触媒層の間の接着を改善するために行われています。
効率とパフォーマンス
PEM水素電解の商業的実行可能性にとって、高効率とパフォーマンスを達成することが重要です。電解因子の効率は、過ポテンシャルを含むいくつかの要因によって決定されます。これは、熱力学的最小を超えて電気分解反応を駆動するために必要な追加の電圧です。過激性を削減すると、電解剤のエネルギー効率が大幅に向上し、水素生産のコストが削減されます。
PEM電解因子の過激性の主な原因の1つは、アノードの酸素進化反応（OER）です。 OERは、高い活性化エネルギーを必要とする複雑でゆっくりした反応であり、重大なエネルギー損失をもたらします。この問題に対処するために、研究者はOERの過剰を低下させ、電解剤の全体的な効率を改善できる新しい触媒と電極材料を開発しています。
たとえば、いくつかの研究では、イリジウムベースの触媒の使用を、新しいナノ構造と組成を伴うOERの触媒活性を高めることを調査しています。これらの触媒は、過激性を減らし、PEM電解因子の効率を改善するという点で有望な結果を示しています。さらに、電解剤内の反応物と生成物の流れを最適化するために、細胞の設計と工学の進歩がなされており、物質移動を改善し、濃度の過激性を減らすのに役立ちます。
スケールアップと製造
実験室規模のプロトタイプから大規模な商用システムにPEM水素電解技術を拡大することも、もう1つの重要な課題です。 PEM電解器の製造プロセスは複雑であり、材料特性、膜の厚さ、触媒負荷など、いくつかのパラメーターを正確に制御する必要があります。このテクノロジーの商業化を成功させるには、多数の電解スタック全体で一貫した品質とパフォーマンスを確保することが不可欠です。
スケールアップと製造の課題に対処するために、メーカーは高度な製造プロセスと自動化技術の開発に投資しています。これらのテクノロジーは、製造プロセスの効率、精度、再現性の改善に役立ち、大規模な電解システムの生産に必要なコストと時間を削減します。
たとえば、一部の企業は、ロールツーロールの製造技術の使用を調査しています。これにより、高精度とスループットでPEM電解装置コンポーネントの継続的な生産が可能になります。さらに、各電解装置スタックが商用アプリケーションに展開される前に、各電解装置スタックが必要なパフォーマンスと安全基準を満たすことを保証するために、品質管理およびテスト方法の進歩が行われています。
植物のシステム統合とバランス
エレクトリザースタック内の技術的課題に加えて、PEM電解器とより大きな水素生産システムへの統合と植物のバランス（BOP）成分も、PEM水素電解開発の重要な側面です。 BOPには、水処理システム、ガス浄化システム、パワーエレクトロニクス、制御システムなど、電解剤の動作をサポートするために必要なすべての補助コンポーネントとシステムが含まれています。
電解機とBOPコンポーネントのシームレスな統合を確保することは、水素生産システムの信頼性が高く効率的な動作に不可欠です。ただし、特にさまざまなメーカーやテクノロジーを扱う場合、さまざまなコンポーネントとシステムの互換性と相互運用性が課題になる可能性があります。
この問題に対処するために、PEM電解機とBOPコンポーネントの互換性と相互運用性を確保するために、業界の基準とガイドラインが開発されています。さらに、メーカーは、必要なすべてのコンポーネントとシステムを単一のパッケージに含める統合された水素生産システムの開発に取り組んでおり、システムの設置と動作を簡素化できます。
結論
PEM水素電気分解は、緑色の水素の生産に非常に有望ですが、広範な採用と商業的実行可能性を達成するには、いくつかの技術的なボトルネックを克服する必要があります。材料の高コスト、耐久性と安定性の問題、効率とパフォーマンスの課題、スケールアップと製造の困難、植物の懸念のシステム統合とバランスは、さらなる研究開発を必要とする重要な分野の一部です。
PEM水素電解ソリューションのサプライヤーとして、私たちはこれらの課題に対処し、この技術の進歩を促進することに取り組んでいます。私たちは、PEM電解器のコスト、パフォーマンス、耐久性を改善できる革新的なソリューションを開発するために、研究機関や業界パートナーと積極的に協力しています。
あなたが私たちについてもっと学ぶことに興味があるならPEMスタック電解機、PEM Electrololyzerスタック、 またはPEM Water Electroolyser製品、またはPEM水素電解技術に関する質問や問い合わせがある場合は、お気軽にお問い合わせください。特定のニーズについて話し合い、水素生産要件に合わせてカスタマイズされたソリューションを提供していただきます。
参照
- Zhang、J。、＆Shao、M。（2019）。酸性溶液における水素進化反応のための電気触媒の最近の進歩。化学協会のレビュー、48（1）、197-220。
- Shao、M.、Chang、KC、＆Chen、JG（2016）。酸素進化反応のための電気触媒：最近の発達と将来の視点。化学協会のレビュー、45（7）、1826-1853。
- Wang、H。、＆Li、X。（2020）。陽子交換膜電気分解：電気触媒からスタック設計まで。化学協会のレビュー、49（17）、6073-6103。
