オーストリアの研究で薄い白金コーティングが水素設備の金属使用量を最大88%削減できることが判明

オーストリアのウィーン工科大学の研究者たちは、より薄い白金コーティングを使用することで、水素生産に使用されるコンポーネントを効果的に保護できることを発見した。この発見には、これらの保護層に必要な貴金属の使用量を約88%削減する可能性がある。研究では、プロトン交換膜（PEM）水電解用の白金コーティングされたチタン製双極板が調べられた。研究条件下では、厚さわずか24ナノメートルのコーティングが大部分を完全な状態で維持し、電気化学的ストレス後も良好な電気伝導率を保った。これらの発見は、設備コストを削減する可能性のある道を示している。しかし、研究者たちは、最適な厚さはコーティングの製造方法や表面カバレッジの均一性など、複数の要因に依存すると警告している。 なぜ水素設備に白金が必要なのか 金属電解は電力を用いて水を水素と酸素に分解する。一方の電極では、この過程で酸素、正に帯電した水素イオン（プロトン）、電子が生成される。プロトンは膜を通過してもう一方の電極に到達し、そこで電子と結合して水素を形成する。この環境で設備を稼働させ続ける難しさは、基本反応の予想を超える。「電解プロセスは、多くの金属コンポーネントにとって有害な化学環境を生み出す。金属が溶解する可能性があり、同時に酸化層が形成されて電流の流れを妨げる可能性がある。」ウィーン工科大学材料科学技術研究所のヘルムート・リードル・トラーゲンライフ（Helmut Riedl-Tragenreif）は説明する。

水素設備における白金需要

「システムを長期稼働させるには、各コンポーネントを慎重にマッチングさせる必要がある。ここで双極板は特に重要な役割を果たし、総システムコストの最大30%を占める。」 これらの板は機械的に設備を支持するだけでなく、電流を伝導し、水とガスの輸送を助ける。チタンは耐食性に優れるが、その表面には酸化層が形成され、電流の流れを妨げる。薄い白金コーティングはこの問題を解決し、チタンを保護しながら効果的に電流を伝導する。 薄いコーティングがテストで生き残る ウィーン工科大学チームは、この保護層がどの程度の厚さを必要とするかを体系的に調査した。

薄い白金コーティングのテスト結果

テストの結果、厚さ24ナノメートルのコーティングがテスト条件下で十分であることが判明した一方、厚さ8ナノメートルのコーティングには明確な問題が見られた。現在産業で使用されている200ナノメートルのコーティングと比較すると、成功した薄いコーティングは白金消費量を潜在的に約88%削減できる可能性を示している。研究者たちはまた、これらのコーティングの初期性能を評価するだけでなく、電気化学的ストレス後の耐性も調べた。「高解像度手法を用いて、電気化学的ストレス前後のコーティングを分析した。特に重要な問題は、コーティング内に微細な欠陥が生じるかどうかである。」

リードル・トラーゲンライフ氏は述べている。 小さな欠陥が損傷を加速させる可能性 白金層の欠陥により、下層のチタンが攻撃にさらされる可能性がある。チタンが酸化し、界面に小さな酸素泡が形成されて機械的応力が生じ、コーティングをさらに損傷させる。より広い領域が剥離するにつれ、より多くのチタンが露出し、損傷が加速する。8ナノメートルのコーティングには、このプロセスの明確な兆候が見られた。電気化学的ストレス後、研究者たちはより大きな欠陥を観察し、電解質中へのチタンおよび白金イオンの放出量が大幅に増加していることを発見した。一方、24ナノメートルのコーティングは、調査条件下で大部分が完全な状態を維持し、良好な導電性を保ち、金属イオンの放出を非常に低いレベルに抑えた。

薄い白金コーティングが水素生産に与える影響

水素生産プロセスにおいて、白金の使用量はコストに大きな影響を与える。研究によると、薄い白金コーティングは貴金属の需要を効果的に低減でき、これは生産コストの削減だけでなく、設備の耐久性向上にもつながる。双極板の設計と材料選択は、全体システムの性能にとって極めて重要であり、特に化学腐食の課題に直面する際にそうだ。この研究の発見は、水素エネルギー技術の商業化を促進し、より持続可能なエネルギー解決策を推進する可能性がある。