MEA（膜電極接合体）とは：水電解装置の性能をどう左右するのか

水電解装置の効率、電流密度、劣化率は、いずれも厚さ 1 mm にも満たない部材から始まります。MEA（膜電極接合体）は、イオン伝導性の膜にアノード触媒層とカソード触媒層を組み合わせたものです。触媒層は膜そのものに塗布される場合もあれば、膜の両側にある多孔質の電極に担持される場合もあります。装置の他の部分はすべて、MEA に電流と水を供給し、ガスの出口を確保するために存在します。

水電解装置は、内部の MEA より良くなることはありません。平凡な MEA で組んだスタックを、エンジニアリングで良い数値に引き戻すことはできません。

各層の役割

PEM 水電解装置の白金族金属（PGM）含有量の多くはアノードのイリジウムが占めるが、カソードにも白金が含まれる。

膜はイオンを伝導し、二つのガスを分離します。AEM セルでは水酸化物イオンをカソードからアノードへ運びます。膜には相反する二つの要求があります。イオン抵抗を低く保てるほど薄く、かつ圧力差に対してシールでき、長年のアルカリ条件に耐えられるほど強靭であることです。

アノード触媒層では酸素発生反応が進みます。これは水分解の遅いほうの半反応で、この分野の触媒研究の大半が酸素側に向けられている理由でもあります。アルカリ条件では、イリジウムではなくニッケル鉄系触媒でこの反応を進めることができ、触媒コストと希少金属への依存を減らす重要な手段になります。カソードでは水素発生反応が進みます。反応の速いほうの半分ですが、アルカリ条件では酸性に比べて明らかに遅くなるため、カソードも設計上の選択です。少量の白金族金属で構成することも、白金族金属をまったく含まないニッケル系触媒で構成することもでき、スタックが担う運転に対して、過電圧、起動停止を繰り返す運転での耐久性、コストのバランスを取ることが正解になります。

アイオノマーは独立した層ではないため見落とされがちです。触媒層の内部にある高分子で、層内の水酸化物イオンを触媒粒子まで運びます。その配合量は、性能を左右する重要な設計変数です。少なすぎると触媒の多くが電気化学的に利用できず、多すぎるとガスが層から抜けられなくなります。

出典Molecules 26(21):6326 (2021): oxygen evolution as the rate-limiting half reaction · U.S. DOE Technical Targets for PEM Electrolysis: PGM content of PEM electrolyzers · IRENA, Green Hydrogen Cost Reduction (2020): rare metals as a share of PEM system cost

必要な場所に触媒を配置する二つの方法

どちらの方法も本質的に優れているわけではなく、どちらも商用製品に使われています。メーカーに尋ねるべきなのは、どちらを使っているかではなく、それをどれだけ厳密に再現できるかです。同じ触媒粉末を使っても、インクの配合が異なる二つの研究室が同じ性能を報告することはありません。

良い MEA と悪い MEA を分けるもの

• 材料よりもインターフェースが結果を左右します。優れた触媒でもインターフェースが悪ければ、平凡な触媒と良いインターフェースの組み合わせより性能が劣ります。損失は触媒の活性ではなく、電子・イオン・ガスを触媒に出し入れするところで生じるからです。
• アイオノマーの量は細部ではなく設計変数です。同じ触媒でも量が違えば測定できるほど異なる曲線になります。公表された触媒の結果を研究グループ間で比較しにくい理由の一つです。
• 再現性は製造工程について教えてくれます。ロット内のばらつきは、その中で最良のセルよりも多くの情報を持っています。
• 数値には条件が付いて回ります。より高温で高濃度の電解液で測定した MEA は、より穏やかな運転ではその数値を再現しません。

当社が自社で製造する理由

MEA の性能は、膜、触媒層、PTL（多孔質輸送層）の境界で決まります。そしてその境界は、部材を組み立てて締め付けたときに初めて存在します。ハーフセルで良好な性能を示す膜も、特定の電極構造に押し付けられて圧縮されると挙動が変わることがあります。

そのため当社は触媒と電極を開発し、それらを組み込むセルとスタックを設計しています。統合だけが水電解装置を作る唯一の方法だと主張しているわけではありません。三つのサプライヤーの合意を待たずに層の一つを変更でき、他社の数値を繰り返すのではなく自社の数値の背景にある条件を公開できるのは、このためです。

現在、10 か国以上の 80 を超えるお客様が当社の電極、スタック、システムを使用しています。自社材料を評価する大学の研究室から、オンサイトで水素を製造する企業まで、用途はさまざまです。

二つの電極は単体で販売しています。HXP-an は PGM フリーの NiFe-LDH アノード、HXP-ca は Pt/C または PtRu/C を 0.2 mgPGM/cm² 担持した触媒コートカソードです。どちらも 200 × 300 mm でご注文いただけ、ご注文の承諾後 2 週間で出荷します。