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摘要：日本东芝宣布开发出一种水电解用大型电极制造技术，通过改善成膜条件，将铱的使用量降低到以往的1/10，同时实现了单次面积高达5m²的均匀成膜。此外，东芝在该膜基础上进行了MEA产品开发，并已委托水电解槽制造商对开发的MEA产品进行评估测试，计划于2023年度后实现产品化。

关键字：水电解用大型电极制造技术、铱、电极催化剂、水电解电极、大型成膜技术、MEA产品

在通过电解将水分解为氢气和氧气（水电解）从而获得氢气的过程中，一般采用铱作为电极催化剂。东芝于10月7日宣布开发了一项新技术，能够将铱的使用量降低到以往的1/10，同时成膜规模可高达5m²。

电解水的方法大体分为三类，即采用碱性溶液（KOH）的“碱水型”，采用贵金属作为催化剂的“PEM型”(PEM，即Polymer Electrolyte Membrane，固体聚合物电解质膜)”，以及采用约700℃高温蒸汽的“SOEC型”。

三种方式均存在挑战：碱水型存在碱性溶液的浓度管理和后期处理问题；PEM大量使用贵金属，因而价格高、采购难度大；而SOEC则尚处于开发阶段。

水电解的三种主要类型各有优劣

三种类型当中，PEM水电解的操作相对简单。据估计，未来10年内，每年将需要13.6GM的PEM水电解槽，而贵金属铱的所需量将约为1吨。然而，铱的开采量并不高，因此亟需降低水电解设备当中铱的用量。

PEM水电解的原理是，由电解质膜（离子在其中移动），阳极（IrO₂催化剂层）以及阴极（碳纸/Pt催化剂）构成基本单元——MEA（膜电极组件），然后多层堆叠构成电堆，电解水产生氢气。以往将IrO₂粉末涂布于多孔钛基材上构成阳极，但该方法的问题在于，一旦降低铱的用量，就会导致涂布不均匀，不仅会使活性降低，还会使电流集中在单个粒子上，降低MEA寿命。

水电解槽的构造图

水分解为氢和氧的过程在MEA上进行

为此，东芝公司于2017年了设计一种新的方式，即通过溅射法交替堆叠Ir靶材和造孔材料靶材，再通过蚀刻去除造孔材料，从而实现IrO₂纳米片的堆叠。这种方法成功提升了表面的均匀性，并成功将铱的消耗量降至传统涂布方法的1/10（1-2mg/mg/cm²→0.10mg/cm²），同时实现了与现有方法相同的转化效率（82%，1.81V）。

东芝于2017年开发的基于溅射的成膜技术。与涂布法相比，铱的消耗量可降至1/10

但据了解，传统的溅射法在溅射面积较大时，往往会造成成膜不均匀，难以扩大成膜面积，成膜尺寸的极限是10cm×10cm。而在本研究中，研究人员对氧气浓度、等离子体能量和造孔材料均进行了优化，从而实现了单次面积高达5m²的均匀成膜。这一尺寸约相当于200KW的水电解电极。

本研究通过优化成膜条件，提升了薄膜厚度的均匀性，制成面积高达5m²的优质薄膜

仅有电极无法进行水电解，为此东芝在该膜基础上进行MEA产品开发。据悉，东芝已委托一家水电解槽制造商对开发的MEA产品进行评估测试。

要将该技术实际应用于水电解槽产品提供给用户，东芝仍需对MEA的性能进行评估，因此其产品化的目标时间节点为2023年度以后。

为实现MEA的大规模生产，今后东芝计划与东芝能源系统和解决方案公司合作，探讨MEA产品化的条件，提高成品率以及品质，并计划于2023年度后实现产品化。

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东芝开发水电解用大型电极制造技术，铱消耗量降至以往的1/10