炭化水素系電解質膜Pemion®を用いたPEM型水電解セルの開発と評価

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Provides experimental data on a novel hydrocarbon membrane for PEM electrolysis, useful for material development and system optimization.

🏢実務担当者:Offers a viable PFAS-free alternative for electrolyzer manufacturers aiming to improve sustainability and regulatory compliance.

🏛政策担当者:Supports hydrogen policy with evidence of efficient, durable electrolysis technology that can accelerate green hydrogen deployment.

プロトン交換膜（PEM）水電解は、グリーン水素を製造する技術の一つであり、将来のカーボンニュートラル達成に向けてその大規模導入が望まれている。しかし、現在の電解質膜に使用されているペルフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物（PFAS）には安全性への懸念があり、PFASを含まない炭化水素系電解質膜の開発が必要とされている。最近、炭化水素系電解質膜であるPemion®が、PEM燃料電池において高いプロトン伝導度を示すことが報告されている[1]。本研究では、Pemion®のPEM水電解セルへの適用可能性を調査するため、触媒コーティング膜（CCM）を作製し、セルに組み込んだ。初期性能および3 A cm⁻²での耐久性試験を実施した。 アノード（Ir含有触媒）およびカソード（Pt/C）スラリーは、それぞれの触媒をアイオノマー含有溶液を含む溶媒に分散させて調製した。これらのスラリーを電解質膜上に塗布し、乾燥させて電極面積25 cm²のCCMを作製した。水電解セルは、作製したCCMを、Ptめっきアノードセパレータ、Ptめっき焼結Ti繊維製アノードガス拡散層（GDL）、カーボンペーパー製カソードGDL、およびカーボン製カソードセパレータと積層して組み立てた。セルの電流密度-電圧（J-V）特性および連続耐久性は、水供給速度100 cc min⁻¹、試験温度60°Cまたは80°Cで評価した。コンディショニング工程後、直流電源（菊水電子工業、PWR1201L）を用いて各電流密度を5分間印加し、J-V特性を測定した。測定中、低抵抗計（鶴賀電機、Model 3566）を用いて1 kHzでのAC抵抗を測定し、AC抵抗と電流の積をオーミック過電圧とした。耐久性試験は電流密度3 A cm⁻²で実施し、25時間ごとにJ-V評価を行った。劣化率は、3 A cm⁻²におけるセル電圧の初期値からの増加量として定義し、その経時変化を評価した。 図は、作製したPemion® CCMを備えた水電解セルのJ-V特性を示す。60°Cでは、3.0 A cm⁻²におけるセル電圧は1.89 Vであった。80°Cではセル電圧は1.72 Vであり、86%の高い電解効率を示した。3.0 A cm⁻²におけるオーミック過電圧は、60°Cおよび80°Cでそれぞれ260 mVおよび195 mVであり、65 mVの低下が確認された。これは、80°CでもPemion®のポリマー鎖の移動度が親水性チャネル構造を維持しながら向上し、膜のプロトン伝導度が大幅に改善されたことを示唆している。さらに、60°Cおよび3.0 A cm⁻²での連続耐久性試験において、1500時間後の劣化率は1.5%であり、顕著な劣化を伴わず安定した動作が確認された。これらの結果は、Pemion®が水電解用途において高い水電解効率と耐久性の両方を達成できることを示している。 参考文献 [1] H. Nguyenら, Sustainable Energy & Fuels 5, 3687-3699 (2021). 図1

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Proton exchange membrane (PEM) water electrolysis is one of the technologies for producing green hydrogen, and its large-scale adoption is desired for achieving carbon neutrality in the future. However, the per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) used in current electrolyte membranes have safety concerns, creating a need for the development of PFAS-free, hydrocarbon-based electrolyte membranes. Recently, Pemion ® , a hydrocarbon-based electrolyte membrane, has been reported to exhibit high proton conductivity for PEM fuel cells[1]. In this study, to investigate the applicability of Pemion ® to PEM water electrolysis cells, a catalyst-coated membrane (CCM) was fabricated and incorporated into a cell. Initial performance and durability at 3 A cm -2 were conducted. Anode (Ir-containing catalyst) and cathode (Pt/C) slurries were prepared by dispersing the respective catalysts in a solvent with an ionomer-containing solution. These slurries were coated onto the electrolyte membrane and dried to fabricate a CCM with an electrode area of 25 cm 2 . A water electrolysis cell was assembled by stacking the fabricated CCM with a Pt-plated anode separator, an anode gas diffusion layer (GDL) of Pt-plated sintered Ti fiber, a cathode GDL of carbon paper, and a carbon cathode separator. The current density-voltage ( J - V ) characteristics and continuous durability of the cell were evaluated at a water feed rate of 100 cc min -1 and a test temperature of 60°C or 80°C. After a conditioning step, J - V characteristics were measured by applying constant current densities for 5 minutes each using a DC power supply (Kikusui Electronics, PWR1201L). During the measurement, the AC resistance at 1 kHz was measured with a low-resistance meter (Tsuruga Electric, Model 3566), and the product of the AC resistance and current was considered to be the ohmic overpotential. The durability test was conducted at a current density of 3 A cm -2 , with J - V evaluations performed every 25 hours. The degradation rate was defined as the increase in cell voltage at 3 A cm -2 from its initial value, and its change over time was evaluated. The figure shows the J - V characteristics of the water electrolysis cell equipped with the fabricated Pemion ® CCM. At 60°C, the cell voltage at 3.0 A cm -2 was 1.89 V. At 80°C, the cell voltage was 1.72 V, demonstrating a high electrolysis efficiency of 86%. The ohmic overpotential at 3.0 A cm - 2 was 260 mV and 195 mV at 60°C and 80°C, respectively, confirming a decrease of 65 mV. This suggests that even at 80°C, the mobility of the polymer chain of Pemion ® was enhanced while maintaining the hydrophilic channel structure, leading to a significant improvement in the proton conductivity of the membrane. Furthermore, in a continuous durability test at 60°C and 3.0 A cm -2 , the degradation rate after 1500 hours was 1.5%, confirming stable operation without significant degradation. These results indicate that Pemion ® can achieve both high water electrolysis efficiency and durability for water electrolysis applications. Reference. [1] H. Nguyen et al., Sustainable Energy & Fuels 5, 3687-3699 (2021). Figure 1

• semanticscholar https://doi.org/10.1149/ma2026-01361626mtgabsfirst seen 2026-07-20 05:16:42 · last seen 2026-09-22 04:55:31