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摘 要：电转气(P2G)技术备受人们的关注，其通过水电解将输出波动较大且分布地域不均的可再生能源电力转化为氢气(H2)并进行运输和储存。PEM(聚合物电解质膜)水电解制氢对于波动电力具有优良的追随性，但必须使用大量昂贵的贵金属催化剂以确保高效率和长期耐用性。日本东芝集团利用溅射法开发了一种独特的纳米结构控制技术和H2泄漏抑制技术，在保持效率和耐用性的同时，将贵金属催化剂的使用量减少到普通PEM水电解设备的1/10。此外，东芝集团还开发出大型膜电极组件（MEA：Membrane Electrode Assembly）的制造技术，可抑制电解质膜上产生的褶皱。
关键字：PEM水电解电极、大型膜电极组件、溅射法、纳米结构控制技术、H2泄漏抑制技术、电极大型化技术
为在2050年实现碳中和，迫切需要对能源和产业领域进行大胆的结构变革，尤为重要的是可再生能源发电的普及。可再生能源发电设施在日本国内外都分布不均，需要一种电力输送方法来确保稳定且廉价的电力供应。将发电产生的电力输送后原样使用最为有效，但电网的建立不仅耗资巨大且耗时，而从海外输电的话存在能源安全的问题。另一方面，从能量密度的角度来看，运输充电的蓄电池这一方式效率太低。因此，人们开始关注P2G技术，即通过水电解将可再生能源电力转化为H2并通过船舶或管道运输。此外，还可以将H2转化为诸如氨和甲烷的能量载体。
在P2G中，水电解是一种不排放CO2、利用水(H2O)和电力制造H2的关键技术，世界各国都在进行相关研究以实现其大型化和低成本化。过去，一般认为大规模制氢通过碱性水电解，而小规模制氢通过PEM水电解。但近年来，日本规划了10MW级的大型PEM水电解，由于PEM水电解对波动性可再生能源具有较好的追随性，因此其应用范围正在被重新审视。另一方面，为确保高效率和高耐久性，PEM水电解存在使用大量贵金属作为催化剂和涂层材料的问题。特别是用作阳极催化剂的贵金属铱（Ir），其世界产量为每年7～10t，远远少于铂(Pt)：200t。此外，铱锭的价格约为21000日元（约1054.2人民币）/g（2022年5月），高于Pt的约4500日元（约225.9人民币）/g，因此需要大幅减少Ir的使用量。
日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）提出到2030年将PEM水电解中贵金属的使用量减少到当前水平的1/10以下的目标。自2015年以来，东芝集团一直在研究和开发可减少Ir使用量的PEM水电解电极。有研究指出，即使是约0.1mg/cm2的使用量（普通PEM水电解设备1～2mg/cm2的1/10）也可以获得同等性能。然而，这种方法存在增加泄漏到阳极的H2量的问题。本文介绍了抑制H2泄漏的技术，并介绍了应用该技术的MEA大型化技术。
2.1 PEM水电解槽的结构
图1所示为PEM水电解MEA的基本结构。
图1.PEM水电解MEA的基本结构
提供给阳极的H2O在IrO2催化剂上通过氧化反应分离为O2、H+和电子（e‒）；H+穿过电解质膜，e‒穿过外部电路向阴极移动，在Pt催化剂上转化为H2。
MEA由作为阳极电极的多孔钛基板、作为阳极催化剂的氧化铱（IrO2）+Pt层、电解质膜、作为阴极催化剂的Pt层和作为阴极电极的碳纸构成。通常，两层催化剂层均由粉末催化剂和质子（H+）导电粘合剂构成，并通过将它们涂布于电解质膜上而形成。MEA的两端安装了反应所需的H2O和产生的H2或氧（O2）的通道。当在阳极与阴极之间施加外部电力时，阴极的Pt催化剂上会产生H2，阳极的IrO2粉末上会产生O2。此外，阳极Pt催化剂上，通过电解质膜从阴极泄漏的H2会与O2结合产生H2O。粉末催化剂的涂层均匀性随着催化剂量的减少而降低，阳极的反应效率由于电流集中而急剧下降。因此，阳极通常使用1～2mg/cm2的IrO2粉末催化剂和0.2～0.5 mg/cm2的Pt粉末催化剂。
2.2 溅射催化剂的特点
东芝集团利用溅射法，开发了一种IrO2纳米片和间隙层交替排列的独特层叠催化剂结构（图2）。溅射法是一种在真空中用离子轰击金属靶材并将喷射的金属颗粒沉积在基板上的方法。这种方法可将薄膜厚度控制在纳米量级，而且易于控制成分和氧化态，因此具有催化剂层设计自由度高的优点。利用这些特征，东芝集团证实了即使使用0.1mg/cm2的Ir量（约为常规量的1/10），也可以获得同等的电压效率。