近年、高効率、低コストの水電解装置大規模な水素製造と利用は、再生可能な電力発電と送電システムの回復力を高めるために不可欠であるため、広く注目を集めています。現在、最も一般的な水素製造方法は、メタンまたは他の炭化水素の水蒸気改質によるものですが、このプロセスでは大量の二酸化炭素が排出されます。そのため、水電解装置水素と酸素を生成する電気化学的水分解研究のホットスポットとなっています。
高温動作条件（700～950℃）では、固体酸化物蒸気電解装置（ソイエック）実験室およびパイロットスケールで開発され、検証されています（図1を参照）。ソイエック比較的低いセル電圧で動作し、運動学的制限がほとんどないため、ほぼ100%を達成できます。高発熱量（ＨＨＶ）電気分解効率約1A/cm²の電流密度で動作します。しかし、高温動作には、起動とシャットダウンに長い時間、セルコンポーネントの高温相互拡散による急速な劣化、腐食生成物による中毒など、多くの課題があり、ソイエック市場展開に困難に直面している。
アルカリの問題とPEM電解装置
プロトン交換膜水電解装置（ペムウェ） 利用するプロトン交換膜（ペム）電極にイオン交換樹脂とイオノマーを配合し、液体電解質を循環させずに作動させることができる。この構成では、陽極と陰極の両方が非多孔性電極と直接接触している。ペムコンパクトなセル配置（ゼロギャップ設計）を形成します（図3を参照）。この設計により、PEMWEs約2 A/cm²の電流密度で動作します。
さらに、非多孔膜はPEMWEsサポート差圧操作カソードで高圧水素を生成し、アノードで大気圧酸素を生成することができる。これにより、水素貯蔵のための二次機械的圧縮の必要性が低減される。これらの利点にもかかわらず、電極触媒（イリジウム酸化物やプラチナなど）、酸性環境で使用される耐腐食性集電体やバイポーラプレートなどの金属酸化物は、大規模システムでは制限要因となる可能性があります。これはスタックサイズが大きくなるにつれて特に当てはまり、これらのコンポーネントはシステム全体のコストに大きく影響します。畏敬の念そしてPEMWEs成熟したテクノロジーとみなされており、特定のアプリケーションのニーズに基づいて商業的に導入されています。
低温動作条件（100℃以下）では、アルカリ水電解装置（畏敬の念）成熟した技術です。畏敬の念水溶液を使用する水酸化カリウム (コウ)液体電解質として装備されており、多孔質分離膜（図2参照）。白金族金属（PGMC）を含まない電気触媒水素と酸素の発生反応（すなわち、水素発生反応（彼女）そして酸素発生反応（翻訳）現在の研究の方向性は、電流密度や動作圧力を高めるためにゼロギャップ構成などの設計に焦点を当てています。しかし、畏敬の念水素生成率は比較的低く、通常はセル電圧 1.8 V で約 200 ミリアンペア/cm² です。
AEM電解装置の動作原理
陰イオン交換膜水電解装置（エーエムウェ）アルカリ性環境で動作し、白金族金属（PGMC）を含まない触媒。陰イオン交換膜（エーエム）は、主鎖または側鎖に固定された正に帯電した官能基を持つ非多孔性の酸化水素導電性ポリマーであり、ゼロギャップ構成と差圧操作を可能にします（図4を参照）。
全体的な反応はAEMWEs水素発生反応（彼女）と酸素発生反応（翻訳）が関与している。水またはアルカリ性液体電解質がカソードを循環し、そこで水は2つの電子を加えることで水素と水酸化物イオンに還元される（H₂O + 2e⁻ → H₂ + おお⁻）。水酸化物イオンはエーエム陽極に送られ、電子は外部回路を通って陰極に送られます。陽極では、水酸化物イオンが再結合して酸素と水を形成し、2つの電子が生成されます（2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻）。水素と酸素のガスは、HERとOER触媒の表面で泡として形成されます。PEMWEs、非多孔膜ゼロギャップ構成AEMWEs高速水素生成を可能にし、水素貯蔵のための機械的圧縮の必要性を減らします。
注目すべきはAEMWEsの利点を組み合わせる畏敬の念（PGMフリー触媒）とPEMWEs（ゼロギャップ構成と非多孔性膜）。興味深いことに、PEMWEsポリマー電解質のみを使用する多くのAEMWEs液体電解質（コウ または K₂CO の₃ 溶液など）も使用します。
最近のモデリング研究では、液体電解質を加えると、オーム抵抗膜と触媒層のバランスがとれるだけでなく、反応速度も改善されます。セルに液体電解質を加えると、触媒-電解質界面の局所pHが上昇し、追加の電気化学界面が形成されます。産業AEMWEsとニッケル系触媒1M KOH溶液では、電圧2V、電流密度1.8A/cm²で水素を生成し、従来のものと同様の性能を達成しました。PEMWEs大気圧下では、触媒およびハードウェア、ならびに適用可能なゼロギャップ構成および差圧操作、AEMWEs水素製造への関心が高まっています。
AEM電解槽の耐久性の課題
主な技術的課題はAEMWEs（陰イオン交換膜水電解装置）を商業的に実現可能なシステムで利用するのは、耐久性耐久性AEMWEs一般的にはデバイスの寿命を指します。起きましょう開発当初はセルの寿命が短かったため（500時間未満）、耐久性の測定は比較的容易でした。しかし、より耐久性の高いAEMWEsが開発されるにつれて、その寿命を測定することはより複雑になってきました。
10,000時間以上セルを稼働させるには1年以上かかることに注意することが重要です。したがって、AEMWEs通常は、長期試験（100～1000時間）での電圧変化率の測定や、加速劣化条件（高温動作や高電流密度など）での加速ストレス試験（AST）によって評価されます。ただし、電圧変化率を使用した長期試験やAST条件下での寿命試験では、耐久性を正確に予測できない可能性があることに留意する必要があります。AEMWEsセルの寿命は複数の劣化モードの影響を受け、壊滅的な故障によって制限されることが多いため、真の寿命を得るには、通常の動作条件下でセルを継続的に動作させる必要があります。
商業用スタックの寿命はプロトン交換膜水電解装置（ペムウェ）20,000～60,000時間近くで、ほとんどのAEMWEs約3,000時間です。さらに、ほとんどのAEMWEs大気圧条件下でテストされます。
