AEM テストセル（単セル）の選び方：まず電源、次に有効面積

当社は、アニオン交換膜（AEM）水電解用の研究用テストセル HXS-0 を製造しており、同じセルを自社の研究室でも毎日使っています。韓国の研究機関や大学でも、単セル測定に使われてきました。

繰り返し寄せられる質問が 3 つあります。セルを 1 × 1 cm まで小さくできるか、25 cm² のセルで足りるか、セル以外に何が必要か、です。こうした質問を受けたとき、当社が最初に伺うのは有効面積ではなく、研究室の電源です。本記事ではその理由と、ご注文前に決めておくべきことを説明します。

• 有効面積は装置の最大電流から決めます。5 A では、25 cm² のセルは 0.2 A/cm² までしか届きません。
• ガスケットは電極の厚さに合わせて選ばないでください。基材によって圧縮のされ方が異なるため、厚さは締付試験で決めます。
• セルだけでは試験になりません。循環ポンプ、電解液タンク、加熱、ガス測定をあわせて仕様に含める必要があります。
• 信頼できる比較のために、基準構成を組み直して再試験してください。組み直しによるばらつきが、主張する改善幅より小さいことを確認します。

有効面積の前に電源を確認する

最初に思い浮かぶ数値は有効面積です。しかし、ある電流密度に達するのに必要な電流は面積に比例して大きくなるため、最初に確認すべき数値は、お手元のポテンショスタットや電源が供給できる最大電流です。

目標の電流密度を、その最大電流と並べてみてください。次の表は、最大 5 A を有効面積で割ったものです。

25 cm² のセルで 1 A/cm² まで測定するには 25 A が必要で、5 A の装置では供給できません。装置を先に確認するのはこのためです。電圧範囲や材料によっては、使える範囲はさらに狭くなることがあります。

最大電流は機種名で確認してください。同じメーカーの装置でも、電流ブースターを使えば数十アンペアに達するものがあります。機種とブースターの仕様をお送りいただければ、一緒に確認します。

小面積に関するお問い合わせへの当社の標準的な回答は、面積を縮小するガスケットを組み合わせた 4 cm²（2 × 2 cm）のセルです。4、2、1 cm² 用のガスケットがあれば、1 つのセルで 3 つの面積に対応できます。ガスケットを替えても流路は変わらないため、各ガスケットと電極サイズの組み合わせ方は組立ガイドで説明しています。1 cm² しか使わない場合は、流路をそのサイズで加工します。HXS-0 の流路は 1 cm² から 25 cm² まで製作できます。

セルの構成と試料の寸法

当社の HXP 電極で単セルを組む場合、下側のアノード側ハードウェアにガスケットを置き、その開口部にアノードを収めます。その上に膜を置き、次にカソードを収めた 2 枚目のガスケット、カソード側ハードウェアの順に重ねて、セルを締め付けます。ガスケットは電極を囲む枠であり、膜は 2 枚のガスケットに挟まれて押さえられることでシールされます。HXP-ca は触媒層の面を膜側に向けて置きます。HXP-an には向きはありません。

HXS-0 の仕様上の有効面積はガスケット開口部の面積で、電極はその開口部に合わせて切断します。開口部より大きい電極はガスケットの上に乗り上げ、締付が不均一になります。電流密度は仕様上の有効面積から計算するため、組立時に電極が開口部を満たしていることを確認してください。

膜はどれくらいの大きさにすべきでしょうか。電極よりわずかに大きいだけの膜でも組み立てはできますが、シール幅が狭くなり、漏れのリスクが高まります。ガスケットのサイズに切れば使えます。端子タブを除いたバイポーラプレートの外形に合わせて切るのが最適です。

ここでは、基材に触媒を塗布した電極を膜の両側に配置する構成を説明しています。触媒コーティング膜（CCM）の場合は、触媒層が膜上にあり、その外側にそれぞれ PTL（多孔質輸送層）を置くため、膜の外形、両面の塗布面積、PTL の寸法を個別にお知らせください。

ご注文の際は、有効面積とあわせて次の情報をお知らせください。

同じ面積でも形状が異なることがあります。4 cm² の開口部は 2 × 2 cm の場合も 1 × 4 cm の場合もあり、それぞれ別のガスケットになります。数値 1 つより図面のほうが正確です。

ガスケットの厚さを電極の厚さに合わせて選ばないでください。ニッケルフォーム、カーボンペーパー、カーボンクロスは締め付けたときの圧縮のされ方が異なり、特にニッケルフォームは大きく圧縮されるため、電極の公称厚さだけではガスケットは決まりません。当社の標準電極は、アノードにニッケルフォーム、カソードにカーボンペーパーを使っており、HXS-0 はカーボンクロスの電極にも対応します。確実な方法は、候補となる厚さをいくつか用意して組み立て、気密性とセル性能で決めることです。

同じ理由で、締付トルクを別のセルから流用しないでください。締付の順序とトルクはセルと材料によって異なります。HXS-0 については組立ガイドに記載しています。

セルの周りに必要なもの

セルは MEA（膜電極接合体）を保持するものです。電流の供給、電解液の循環、温度の保持、ガスの測定はセルの外の機器が担うため、セルだけを注文する場合と試験系一式を注文する場合では、供給範囲が大きく異なります。

4 cm² のセルを中心とした試験系一式として、当社では次の構成をご提案しています。

1. HXS-0 単セル 1 台（有効面積 4 cm²、アノード側・カソード側の両方に入口と出口）
2. ガスケット 3 セット（4、2、1 cm² 用）
3. 電解液タンク 2 個（各 2 L、アノード用とカソード用、気液分離器を兼用）
4. 循環ポンプ 2 台（耐アルカリ、80 °C 対応）
5. ホットプレートスターラー 2 台
6. チューブと継手（水素・酸素の出口とベントを含む）
7. MEA 1 個と予備の膜（セルとあわせて MEA をご注文の場合）
8. 組立・運転ガイド 1 部

ポンプを 2 台にしているのには理由があります。同じセルを、ドライカソード（アノード循環のみ）でも両側循環でも運転できるからです。両者の配管と切り替えは組立・運転ガイドに記載しています。当社の HXP 電極の参照データはドライカソードで取得しているため、比較する際はカソードをドライで運転してください。カソードを循環させると水素が電解液と一緒に排出されるため、カソード側にも専用のタンクとヒーターが必要になります。

ガスを測定する予定であれば、出口を確認してください。HXS-0 は水素と酸素の出口が分かれているため、セルを改造せずにガスを回収できます。

水素ラインにマスフローメーター（MFM）を設置すると、ファラデー効率を求められます。メーターの読み値（SCCM など）を、その基準温度・圧力を使ってモル流量（mol/s）に換算し、電流と流量が安定している期間の理論水素モル流量 I/(2F) で割ります。I は電流、F はファラデー定数です。まずガスを電解液から分離し、メーターの手前で凝縮水と水分を除去してください。ドライカソードでも出口ガスには水分が含まれます。流れの中の水分やほかのガスによって効率が高く出ることがあるため、ガス組成とメーターのガス設定を考慮し、水素のモル流量から計算してください。

2 種類のガスを同時に測定するにはメーターが 2 台必要です。1 台を切り替えて使う場合は、両方のガスに対応する機種を選び、毎回ガス設定を変更して十分にパージしてください。換気と水素の安全対策は、各研究室の規則に従ってください。

比較は基準構成から始める

新しい膜でセル電圧が下がった場合、その変化を膜によるものといえるのは、ほかの条件がすべて同じときだけです。電極、有効面積、電解液の濃度と温度をそろえ、電流密度も同じ有効面積で計算する必要があります。

ガスケットは少し事情が異なります。膜の厚さが変わると、同じガスケットでも同じ圧縮にならないことがあります。何としてもガスケットを固定するより、何をなぜ変えたかを記録してください。毎回の試験で、試料のロット、コンディショニング、ガスケット、組立順序を書き留めておけば、結果を解釈する際の拠り所になります。

実測のセル電圧と、抵抗補正後の電圧は分けて記録してください。補正後の電圧は、実測電圧から電流と補正に用いた抵抗の積（I × R）を差し引いたものなので、どの抵抗を使い、どのように求めたかも記録します。膜を比較する場合は、膜抵抗の差も性能の一部なので、両方の値を確認してください。

最も重要な確認は、基準構成をもう一度組んで再試験することです。組み直しによるばらつきが新材料による改善と同程度なら、1 本の分極曲線では材料が優れていることを示せません。セルの試料交換や組み直しのしやすさが重要なのはこのためです。

European Commission の Joint Research Centre は、低温水電解の分極曲線について標準化された試験方法を公開しており、試験条件を設定する際の参考になります。

出典JRC: EU harmonised polarisation curve test method for low-temperature water electrolysis (2018)

まず単セル、次にショートスタック

材料の比較は単セルから始めるのが最適です。複数セルより組立が簡単で、試料の交換も容易です。

ショートスタックは別の問いに答えます。複数のセルが流体の分配を共有し、組立方法も異なるため、同じ材料がセル間で均一に振る舞うかを確かめる試験になります。スタック全体の電圧ではセル間の差が隠れることがあるため、セルを増やす前に、各セルをどう測定するかを決めておいてください。単セルの結果を基準として残し、面積、流量、締付圧、測定で何が変わったかを記録します。

HXS-0 で指定する項目

HXS-0 は、上記のポイントに基づいて受注生産します。有効面積、セル数、流路構成は製作前に取り決め、ご注文の承諾と仕様確定後、4 週間で出荷します。

80 °C はセルの上限です。試験する膜や電極にはより低い温度が必要な場合があるため、材料側の上限もご確認ください。

初めてこのセルを使う研究室には、当社の拠点にお越しいただき、ご自身で組み立てて運転していただくことをお勧めしています。納品時の 1 回の訪問で設置とトレーニングを行うと、実習に十分な時間を取れないことがほとんどです。当社の拠点では、小さな単セルからスタックまで、実機を使って組立と運転をお見せし、その後の設置と運転についても技術サポートを提供します。

お問い合わせ時にお送りいただく情報

次の情報をいただければ、お見積りの前に、試料と設備が適合するかを確認できます。

1. 電源の機種と最大電流。
2. ご希望の有効面積と、1 つの面積で使うか、複数の面積を比較するか。
3. 膜と電極基材の種類、寸法、厚さ、コンディショニングの状態。
4. 電解液、温度、カソード循環の有無などの運転条件。
5. お客様が支給する材料と、MEA や周辺機器をセルとあわせてご希望かどうか。