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AEM・PEM最新評価技術:劣化メカニズムを解明し耐久性を向上させる手法を徹底解説

🗓 Created on 7/24/2025

  • 📜要約
  • 📊ビジュアライズ
  • 🖼関連する画像
  • 🔍詳細
    • 🏷AEMとPEMの技術概要と比較:特性評価が求められる背景
    • 🏷性能劣化を捉える基本特性評価手法:電気化学的・物理化学的アプローチ
    • 🏷劣化メカニズムの核心に迫る先進技術:加速劣化試験(AST)とOperando分析
    • 🏷統合的分析による劣化シナリオの解明と次世代材料開発への応用
    • 🏷AEMの多岐にわたる応用分野
    • 🏷研究成果の再現性を高める実験プロトコル情報の活用
  • 🖍考察
  • 📚参考文献
    • 📖利用された参考文献
    • 📖未使用の参考文献
    • 📊ドメイン統計

📜 要約

要約

主題と目的

本レポートの主題は、クリーンエネルギー技術の中核をなすアニオン交換膜(AEM)およびプロトン交換膜(PEM)の特性評価手法です。目的は、これらの膜技術の性能と耐久性を評価するために用いられる主要な手法について、その目的、プロトコル、期待される結果を体系的に整理し、解説することにあります。さらに、これらの評価手法が、両技術の実用化における最大の課題である「性能劣化」の根本的なメカニズムを解明し、より高耐久な次世代材料の開発にどのように貢献するのかを明らかにします。信頼性の高い学術論文や技術報告に基づき、基礎的な評価から先進的なOperando分析、統合的なアプローチまでを網羅し、技術開発の最前線で何が行われているかを具体的に示します。

回答

AEMとPEM:特性評価が求められる背景

AEMとPEMは、水の電気分解によるグリーン水素製造や燃料電池におけるエネルギー変換の心臓部を担う高分子膜ですが、その動作原理と特性は大きく異なります。この違いを理解することが、なぜ高度な特性評価が不可欠なのかを知る第一歩となります。
項目PEM(プロトン交換膜)AEM(陰イオン交換膜)
動作環境強酸性アルカリ性
イオンキャリアH⁺ (プロトン)OH⁻ (水酸化物イオン)
触媒高価な貴金属 (イリジウム, 白金) が必須
nih.gov
安価な非貴金属 (ニッケル, 鉄) が使用可能
fujielectric.com
技術的成熟度比較的高い(燃料電池での実績豊富)
nih.gov
開発途上
fujielectric.com
主な課題貴金属のコストと資源制約化学的安定性・長期耐久性
sciencedirect.com
,
sciencedirect.com
PEMは性能面でリードする一方、コストが普及の大きな壁となっています。対照的にAEMは、安価な材料を使えるため「低コスト化」の切り札として期待されますが、その実現にはアルカリ環境下での「耐久性」という大きなハードルを越えなければなりません
sciencedirect.com
。
この耐久性を脅かすのが、運転中に進行する様々な劣化メカニズムです。ご提示の画像にあるように、劣化は単一の現象ではなく、以下のような多様なモードが複雑に絡み合って発生します。
これらの複雑な劣化現象を個別に特定し、その根本原因を解明するために、次章で詳述する多角的な特性評価手法が必要不可欠となるのです。

基本的な特性評価手法:セルの健康診断

デバイスの性能を評価し、劣化の兆候を捉えるための基本的な手法は、「電気化学的アプローチ」と「物理化学的アプローチ」に大別されます。
電気化学的アプローチ (In-situ / Operando)
デバイスを分解せず、運転状態のまま性能を診断する手法です。
手法目的プロトコル例期待される結果と劣化解明への貢献
分極曲線 (I-V特性)セルの基本的な電圧効率と性能を評価する。電圧を0Vから段階的に掃引し(例: 2.0Vまで)、各電圧での電流密度を記録する
acs.org
。
結果: 高性能なセルほど低い電圧で高い電流密度を示す。貢献: 長期運転前後で性能がどれだけ低下したかを直接的に示す指標となる。
電気化学インピーダンス分光法 (EIS)セルの内部抵抗を物理的な意味を持つ各抵抗成分(オーム抵抗、電荷移動抵抗、物質移動抵抗)に分離し、性能損失の原因を特定する。広い周波数範囲(例: 1Hz~10kHz)で微小な交流信号を印加し、インピーダンス応答を測定する
mdpi.com
。
結果: ナイキストプロットから各抵抗成分を定量化。貢献: 抵抗増加の原因を特定可能。例えば、オーム抵抗の増加は膜劣化、電荷移動抵抗の増加は触媒活性低下を示唆する。
長期安定性試験定常的な運転条件下での耐久性と劣化率を評価する。一定の電流密度(例: 1.0 A/cm²)で数百~数千時間連続運転し、セル電圧の経時変化をモニターする
sciencedirect.com
。
結果: 電圧上昇率 (µV/h) が低いほど高耐久。貢献: 実使用に近い条件での寿命を予測し、材料の耐久性を比較評価する基礎データとなる。
物理化学的アプローチ (Ex-situ / 事後分析)
運転試験後にセルを分解し、劣化した部品を直接観察・分析する手法です。電気化学データで示された性能低下の「物証」を掴みます。
  • 顕微鏡法 (SEM, TEM): 膜の薄化や亀裂、触媒粒子の凝集や剥離といった微細な「構造変化」を直接観察します
    sciencedirect.com
    。
  • 分光法 (XPS, FTIR): 材料表面の「化学状態の変化」を分析します。XPSは触媒の酸化状態を、FTIRは膜の化学結合の分解などを特定するのに有効です
    nih.gov
    ,
    sciencedirect.com
    。

先進的な評価手法:劣化の核心に迫る

基本的な評価に加え、より深く劣化メカニズムを解明するために先進的な手法が用いられます。
加速劣化試験 (AST)
ASTは、実際の運転よりも厳しい条件(高温、高電圧、負荷変動など)を意図的に与え、長期的な劣化を短時間で再現する手法です
hal.science
。
  • 目的: 新材料の耐久性を迅速に評価し、開発サイクルを短縮する。特定のストレス要因が引き起こす劣化を分離して評価する。
  • プロトコル例:
    • 高電位保持サイクル: 触媒の溶解や酸化(Dissolution)を促進する。
    • 起動/停止サイクル: 電位変動により触媒の凝集(Aggregation)や担体の腐食を誘発する。
    • 可変電力サイクル: 再生可能エネルギーの変動電源を模擬し、断続運転による膜や触媒への複合的ストレスを評価する
      hal.science
      。
  • 期待される結果と貢献: どの運転条件がどの部品にどのようなダメージを与えるかを特定し、対策の優先順位付けを可能にします。これにより、より信頼性の高い運転方法や耐久性の高い材料設計に繋がります。
Operando分析
Operando分析は、デバイスが「まさに動作している瞬間」の内部の化学的・物理的変化をリアルタイムで観察する最先端技術です
nih.gov
。
  • 目的: Ex-situ分析では見ることのできない、動的な劣化プロセスや中間生成物を直接捉える。
  • プロトコル・結果の例(Operandoラマン分光法):
    • プロトコル: 特別に設計したセルを用い、AEM水電解セルを動作させながら、電極近傍の電解液のラマンスペクトルを連続測定する
      acs.org
      。
    • 結果と貢献: 高電圧印加時に、膜のポリマー骨格が分解して生じた生成物(カルボン酸など)を世界で初めて直接検出。これにより、ラジカルが膜を攻撃して分解するという具体的な劣化メカニズムが提案されました
      acs.org
      。これは、劣化の「犯行現場」を直接押さえた画期的な成果です。

統合的アプローチ:劣化シナリオの全体像と次世代材料への応用

真に効果的な対策を講じるためには、個々の手法から得られる断片的な情報を組み合わせ、劣化の全体像(シナリオ)を統合的に理解することが不可欠です。
  1. 仮説立案: まず、想定される劣化要因(例:高電圧による触媒溶解)に基づき、ASTプロトコルを設計します。
  2. リアルタイム監視 (Operando): ASTを実施しながら、EISやOperando分光法で性能低下や化学変化をリアルタイムで追跡します。「いつ、何が、どのように変化し始めたか」を捉えます。
  3. 物証の確認 (Ex-situ): 試験後、劣化したセルを分解し、顕微鏡や分光法で微細な構造・化学変化を詳細に観察します。Operandoで観測された現象が、どのような物理的破壊に繋がったのかを裏付けます。
この統合的アプローチにより、例えば「再生可能エネルギーの変動を模擬したASTにおいて、低負荷時に発生したラジカルが膜を化学的に分解(Operando分析で確認)し、その結果、膜が物理的に薄くなった(Ex-situ分析で確認)。これがオーム抵抗の増加(EISで確認)と性能低下の主因である」といった、因果関係に基づいた詳細な劣化シナリオを構築できます。
このような深い理解は、単なる現象解明にとどまりません。ラジカルに強い化学構造を持つ新しい膜ポリマーを設計したり、劣化を抑制するインテリジェントな運転制御ロジックを開発したりするなど、合理的かつ効果的な次世代材料・システムの開発に直接フィードバックされるのです。

結果と結論

本調査により、AEMおよびPEMの特性評価が、単なる性能測定にとどまらず、技術の根幹的な課題である「耐久性」を克服するための科学的探究プロセスであることが明らかになりました。
主要な結果:
  • AEMとPEMは異なる課題を抱えており、特性評価はそれぞれの弱点(AEMの化学的安定性、PEMのコストと触媒劣化)に焦点を当てて行われます。
  • 特性評価には、運転中の性能を診断する電気化学的手法、劣化後の物証を掴む物理化学的手法、劣化を加速して寿命を予測するAST、そして劣化の瞬間を捉えるOperando分析といった多様な手法が存在します。
  • これらの手法を個別に用いるだけでは不十分であり、複数の手法を組み合わせた統合的アプローチによって初めて、複雑な劣化メカニズムの全体像(シナリオ)を解明できます。
結論: AEMおよびPEM技術の飛躍的な発展と社会実装は、高度な特性評価手法を駆使した劣化メカニズムの深い理解に懸かっています。ASTで未来の劣化を予測し、Operando分析で現在の劣化をリアルタイムで捉え、それらの知見を統合して次世代材料の設計へと繋げるサイクルを加速させることが、クリーンエネルギー社会の実現に向けた最も確実な道筋です。今後は、標準化された評価プロトコルの確立と、分野の垣根を越えた知見の融合が、この技術革新をさらに力強く推進していくでしょう。

出典一覧

sciencedirect.com
pmc.ncbi.nlm.nih.gov:
nih.gov
wiley.com
www.fujielectric.com:
fujielectric.com
researchgate.net
www.sciencedirect.com:
sciencedirect.com
sciopen.com
www.sciencedirect.com:
sciencedirect.com
mdpi.com
pubs.acs.org:
acs.org
acs.org
www.mdpi.com:
mdpi.com
springer.com
pmc.ncbi.nlm.nih.gov:
nih.gov
scholaris.ca
hal.science:
hal.science
acs.org
pubs.acs.org:
acs.org

コード実行

import React from 'react';
import { BarChart, Bar, XAxis, YAxis, CartesianGrid, Tooltip, Legend, ResponsiveContainer, Cell } from 'recharts';

const QuantitativeAnalysisReport = () => {

  const pemAstData = [
    {
      testName: '起動/停止 加速劣化試験 (SU-AST)',
      target: 'PEMFCカソード触媒層',
      protocol: {
        description: 'H2|Airフロント伝播を模した電位サイクル',
        conditions: [
          { label: '最大電位 (E_front)', value: '1.6 V' },
          { label: '曝露時間 (t_front)', value: '1.5 秒' },
          { label: 'サイクル数', value: '100 回' },
        ],
      },
      results: [
        { metric: 'ECSA損失率', value: -0.63, unit: '%/サイクル' },
        { metric: '電圧低下率 (1.2 A/cm²)', value: -0.86, unit: 'mV/サイクル' },
        { metric: 'CO₂/CO排出', value: '観測', unit: '' },
      ],
      source: 'https://hal.science/hal-04911784/document',
    },
    {
      testName: 'アノード触媒 加速劣化試験',
      target: 'PEMWEアノード触媒',
      protocol: {
        description: '電圧サイクルと電流サイクルによる安定性評価',
        conditions: [
          { label: '電圧サイクル', value: '1.75V ⇔ OCV' },
          { label: 'サイクル数', value: '15,000 回' },
          { label: '温度', value: '80 ℃' },
          { label: '電流サイクル', value: '0.1 ⇔ 1 A/cm²' },
          { label: '試験時間', value: '100 時間' },
        ],
      },
      results: [
        { metric: '性能低下', value: '観測', unit: '' },
        { metric: 'ECSA損失', value: '観測', unit: '' },
        { metric: 'Ir溶出', value: '定量的', unit: 'µg/cm²' },
      ],
      source: 'https://hal.science/hal-04755619/document',
    },
    {
      testName: '膜 加速劣化試験 (Fenton試験)',
      target: 'PEMWE膜',
      protocol: {
        description: 'Ex-situでの化学的安定性評価',
        conditions: [
          { label: '試薬', value: 'H₂O₂ + Fe²⁺ 溶液' },
          { label: '目的', value: 'ラジカル攻撃の模倣' },
        ],
      },
      results: [
        { metric: 'フッ素放出率 (FRR)', value: '上昇', unit: '' },
        { metric: '膜薄化', value: '観測', unit: '' },
        { metric: '機械的特性', value: '低下', unit: '' },
      ],
      source: 'https://hal.science/hal-04755619/document',
    },
  ];

  const aemAnalysisData = [
    {
      method: 'Operandoラマン分光法',
      target: 'AEMWE イオノマー/膜',
      protocol: {
        description: 'カスタムセル(E-Para Cell)を用いた運転中分析',
        conditions: [
          { label: '印加電位', value: '1.9 V, 2.2 V' },
          { label: '電解液', value: '0.2 M K₂CO₃' },
          { label: '運転時間', value: '260 時間' },
        ],
      },
      results: [
        { metric: '膜厚変化', value: -62, unit: '%', details: '23.85 µm → 9.07 µm' },
        { metric: '分解物', value: 'カルボン酸など', unit: '検出' },
      ],
      source: 'https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c05721',
    },
    {
      method: 'インピーダンス分光法遺伝的プログラミング (ISGP)',
      target: 'AEMWE セル全体',
      protocol: {
        description: '性能損失要因の分離・定量化',
        conditions: [
          { label: '温度', value: '50 - 80 ℃' },
          { label: 'KOH濃度', value: '0 M (純水) vs 0.1 M' },
        ],
      },
      results: [
        {
          metric: 'イオン輸送抵抗増加率',
          value: 4378,
          unit: '%',
          details: '48.7 mΩ (0.1M) → 2.18 Ω (純水)',
        },
      ],
      source: 'https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acselectrochem.4c00156',
    },
  ];

  const chartDataSUAST = [
    { name: 'ECSA損失率', value: -0.63, fill: '#ef4444' },
    { name: '電圧低下率', value: -0.86, fill: '#3b82f6' },
  ];

  const chartDataISGP = [
    { name: '0.1 M KOH', resistance: 48.7, unit: 'mΩ' },
    { name: '純水', resistance: 2180, unit: 'mΩ' },
  ];

  const Section = ({ title, children }) => (
    <section className="mb-12 bg-white p-6 rounded-2xl shadow-lg">
      <h2 className="text-2xl md:text-3xl font-bold text-gray-800 mb-6 border-l-4 border-indigo-500 pl-4">{title}</h2>
      {children}
    </section>
  );

  const ProtocolCard = ({ protocol }) => (
    <div className="bg-gray-50 p-4 rounded-lg border border-gray-200 mt-2">
      <p className="text-sm font-semibold text-gray-700 mb-2">{protocol.description}</p>
      <div className="grid grid-cols-2 sm:grid-cols-3 md:grid-cols-4 gap-2 text-xs">
        {protocol.conditions.map((cond, i) => (
          <div key={i} className="bg-white p-2 rounded-md shadow-sm">
            <p className="font-bold text-gray-600">{cond.label}</p>
            <p className="text-indigo-600 font-mono">{cond.value}</p>
          </div>
        ))}
      </div>
    </div>
  );

  const ResultItem = ({ result }) => (
    <div className="p-3 bg-white rounded-lg shadow-sm border text-center">
      <p className="text-sm text-gray-600 font-semibold">{result.metric}</p>
      {typeof result.value === 'number' ? (
        <p className={`text-2xl font-bold ${result.value < 0 ? 'text-red-500' : 'text-green-600'}`}>
          {result.value.toLocaleString()}<span className="text-sm font-normal text-gray-500 ml-1">{result.unit}</span>
        </p>
      ) : (
        <p className="text-xl font-bold text-blue-600">{result.value}<span className="text-sm font-normal text-gray-500 ml-1">{result.unit}</span></p>
      )}
       {result.details && <p className="text-xs text-gray-500 mt-1">{result.details}</p>}
    </div>
  );

  return (
    <div className="min-h-screen bg-gray-50 font-sans p-4 sm:p-6 md:p-8">
      <div className="max-w-7xl mx-auto">
        <header className="text-center mb-12">
          <h1 className="text-4xl md:text-5xl font-extrabold text-gray-900 mb-3">PEM/AEM分析技術 定量的レポート</h1>
          <p className="text-lg text-gray-600">文献に基づく測定条件と結果の体系的整理</p>
        </header>

        <Section title="PEM: 加速劣化試験 (AST) による定量的評価">
          <div className="space-y-8">
            {pemAstData.map((item, index) => (
              <div key={index} className="bg-white p-5 rounded-xl border border-gray-200">
                <h3 className="font-bold text-lg text-indigo-700">{item.testName} <span className="text-sm font-normal text-gray-500">({item.target})</span></h3>
                <ProtocolCard protocol={item.protocol} />
                <div className="mt-4 grid grid-cols-1 sm:grid-cols-3 gap-4">
                   {item.results.map((res, i) => <ResultItem key={i} result={res} />)}
                </div>
                <div className="text-right mt-3">
                    <a href={item.source} target="_blank" rel="noopener noreferrer" className="text-xs text-blue-600 hover:underline">出典</a>
                </div>
              </div>
            ))}
            <div className="bg-white p-5 rounded-xl border border-gray-200">
              <h4 className="font-bold text-md text-gray-700 mb-2">SU-AST 基準ケースにおける劣化率</h4>
              <div style={{ width: '100%', height: 250 }}>
                <ResponsiveContainer>
                   <BarChart data={chartDataSUAST} margin={{ top: 20, right: 20, left: 10, bottom: 5 }}>
                    <CartesianGrid strokeDasharray="3 3" />
                    <XAxis dataKey="name" />
                    <YAxis label={{ value: '変化率 (%/サイクル, mV/サイクル)', angle: -90, position: 'insideLeft', offset: 0 }} />
                    <Tooltip formatter={(value, name) => [`${value.toFixed(2)}`, name]} />
                    <Bar dataKey="value" name="劣化率">
                      {chartDataSUAST.map((entry, index) => (
                        <Cell key={`cell-${index}`} fill={entry.fill} />
                      ))}
                    </Bar>
                  </BarChart>
                </ResponsiveContainer>
              </div>
               <p className="text-xs text-center text-gray-500 mt-2">ECSA損失率と電圧低下率を比較したグラフ。出典: <a href="https://hal.science/hal-04911784/document" target="_blank" rel="noopener noreferrer" className="text-blue-600 hover:underline">HAL-04911784</a></p>
            </div>
          </div>
        </Section>

        <Section title="AEM: 先進分析手法による定量的評価">
          <div className="space-y-8">
            {aemAnalysisData.map((item, index) => (
               <div key={index} className="bg-white p-5 rounded-xl border border-gray-200">
                <h3 className="font-bold text-lg text-indigo-700">{item.method} <span className="text-sm font-normal text-gray-500">({item.target})</span></h3>
                <ProtocolCard protocol={item.protocol} />
                <div className="mt-4 grid grid-cols-1 sm:grid-cols-3 gap-4">
                   {item.results.map((res, i) => <ResultItem key={i} result={res} />)}
                </div>
                 <div className="text-right mt-3">
                    <a href={item.source} target="_blank" rel="noopener noreferrer" className="text-xs text-blue-600 hover:underline">出典</a>
                </div>
              </div>
            ))}
             <div className="bg-white p-5 rounded-xl border border-gray-200">
              <h4 className="font-bold text-md text-gray-700 mb-2">ISGP法によるイオン輸送抵抗の比較 (KOH濃度依存性)</h4>
              <div style={{ width: '100%', height: 250 }}>
                <ResponsiveContainer>
                   <BarChart data={chartDataISGP} margin={{ top: 20, right: 20, left: 20, bottom: 5 }}>
                    <CartesianGrid strokeDasharray="3 3" />
                    <XAxis dataKey="name" />
                    <YAxis yAxisId="left" orientation="left" stroke="#8884d8" label={{ value: '抵抗 (mΩ)', angle: -90, position: 'insideLeft' }}/>
                    <Tooltip formatter={(value, name) => [`${value.toLocaleString()} mΩ`, name]} />
                    <Legend />
                    <Bar yAxisId="left" dataKey="resistance" fill="#8884d8" name="イオン輸送抵抗" />
                  </BarChart>
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🏷AEMとPEMの技術概要と比較:特性評価が求められる背景

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AEMとPEMの技術概要と比較:特性評価が求められる背景

グリーン水素に代表されるクリーンエネルギー社会の実現に向けて、水の電気分解(水電解)技術がかつてないほど注目を集めています。その心臓部とも言えるのが、水素イオン(プロトン)や水酸化物イオンを選択的に通す高分子膜です。現在、この分野では主に二つの技術、**PEM(プロトン交換膜)とAEM(陰イオン交換膜)**が開発競争を繰り広げています。
両者は単にイオンの種類が違うだけでなく、動作環境から使用できる材料、そして抱える課題まで大きく異なります。この違いを理解することこそ、なぜ高度な「特性評価」が不可欠なのか、その理由を解き明かす鍵となります。

技術の根幹をなす2種類の膜:PEMとAEM

水電解は、水(H₂O)に電気エネルギーを与えて水素(H₂)と酸素(O₂)に分解するプロセスです。この反応を効率的かつ安全に進めるために、PEMとAEMはそれぞれ異なる役割を果たします。
  • PEM (Proton Exchange Membrane / プロトン交換膜) PEMは、正の電荷を持つ水素イオン(H⁺、プロトン)のみを通過させる膜です。酸性の環境で動作し、水が分解される陽極(アノード)から、水素が発生する陰極(カソード)へとプロトンを運びます。高いイオン伝導率を誇り、高効率でコンパクトなシステムを構築できるのが大きな強みです
    nih.gov
    。
  • AEM (Anion Exchange Membrane / 陰イオン交換膜) 一方、AEMは負の電荷を持つ水酸化物イオン(OH⁻)を選択的に透過させます。アルカリ性の環境で動作し、PEMとは逆に、陰極で生成されたOH⁻を陽極へと運びます
    sciencedirect.com
    。
この動作原理の根本的な違いが、両技術の特性を決定づけています。

メリットとデメリットの比較:コストか、実績か

PEMとAEMは、それぞれに独自の強みと弱みを抱えており、どちらが優れていると一概に言うことはできません。その特性は、まさにトレードオフの関係にあります。
項目PEM(プロトン交換膜)AEM(陰イオン交換膜)
動作環境強酸性アルカリ性
イオンキャリアH⁺ (プロトン)OH⁻ (水酸化物イオン)
触媒高価な貴金属 (イリジウム、白金など)が必須安価な非貴金属 (ニッケル、鉄など)が使用可能
fujielectric.com
コスト高い (触媒コストが主要因)低いポテンシャルを持つ
技術的成熟度比較的高い。燃料電池(PEMFC)での豊富な実績がある
nih.gov
。
開発途上。比較的新しい技術
fujielectric.com
。
主な課題貴金属の資源制約とコスト、部品の腐食化学的安定性・耐久性4、CO₂による性能低下(炭酸化)
mdpi.com
ご覧のように、PEM技術は性能と実績でリードする一方、コストという大きな壁に直面しています。特に、触媒に使われるイリジウムは地殻に非常に少なく、その価格は水素製造コストを押し上げる主要因です。
対照的に、AEM技術は最大の魅力である「低コスト化」の可能性を秘めています。ニッケルなどの安価で豊富な金属を触媒に使えるため、もし実用化が本格的に進めば、グリーン水素の普及を劇的に加速させるゲームチェンジャーになり得ます
fujielectric.com
。

特性評価が求められる背景:”劣化”という共通の敵

AEMが持つ輝かしい可能性にもかかわらず、その普及には大きなハードルが存在します。それが**「耐久性」**、すなわち長期的な安定性の問題です。実はこの問題は、先行するPEM技術にとっても永遠の課題であり、両技術に共通する最大の敵と言えます。
AEMWE(AEM水電解)の最長安定稼働時間は12,000時間以上と報告されていますが、従来のアルカリ水電解(AWE)の60,000~90,000時間やPEMWEの20,000~60,000時間にはまだ及ばず、長期的な目標達成にはさらなる向上が不可欠です
springer.com
。
この耐久性を阻むのが、運転中に進行する**「劣化」**です。そして、この劣化の根本原因(メカニズム)は、両技術で異なります。
  • PEMの主な劣化メカニズム 強酸性という過酷な環境下で、触媒である貴金属が溶け出したり、触媒を支える炭素の担体が腐食したりします。また、反応中に発生する高反応性のラジカル種が膜自体を化学的に攻撃し、薄くしたり、機械的な強度を低下させたりすることも報告されています
    nih.gov
    。
  • AEMの主な劣化メカニズム AEMの課題は、高アルカリ環境下での化学的な脆弱性にあります。OH⁻イオンによる求核攻撃やホフマン脱離といった化学反応により、イオンを運ぶための官能基や膜の骨格となるポリマーが分解されてしまいます
    sciencedirect.com
    。これによりイオン伝導性が低下し、性能が落ちてしまうのです。さらに、空気中のCO₂がOH⁻と反応して膜の性能を低下させる「炭酸化」も深刻な問題です
    mdpi.com
    。
AEMWEにおける様々な劣化要因の模式図
出典: AEMWEにおける触媒の主な劣化モードの模式図。溶解、凝集、閉塞など多様な要因が絡み合う様子が示されています
springer.com
。
まさにこの複雑で多岐にわたる劣化メカニズムを解明し、それに対する有効な対策を講じることが、両技術の発展に不可欠です。そして、そのための唯一無二の羅針盤となるのが、本レポートの主題である**「特性評価手法」**なのです。
日本の大手電機メーカーである富士電機も、AEM水電解の開発において、まず「実験結果に基づき『どのような劣化が発生しているのか』を明確にすること」を最優先課題としています
fujielectric.com
。これは、正確な現状把握、すなわち特性評価こそが、劣化メカニズム解明と技術革新への第一歩であることを明確に示しています。
言い換えれば、特性評価とは、膜やセルの「精密な健康診断」です。電気化学的な測定や高度な分光分析など、様々な手法を駆使して性能低下の原因を特定し、より丈夫で長持ちする材料の開発や、最適な運転条件の発見に繋げる。この地道なプロセスの先にこそ、AEMとPEM技術の真のポテンシャル開花と、クリーンエネルギー社会の実現が待っているのです。
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IrO6] units are connected via shared edges or corners. Early studies suggest that the intrinsic activity of IrO2 is closely related to the connection of [IrO6] octahedral units and lattice distortions. Therefore, designing metastable nanostructures with different unit connections can provide entirely different active surfaces for electrocatalysis and offer deeper insights into structure‐activity relationships. Low‐dimensional materials with increased surface energy, due to their inherent anisotropy, quantum confinement effects, and edge states, offer a platform for developing advanced catalysts. Shao et al. constructed ultralong nanowires with a metastable nanostructure (Figure [6j
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summarizes the classifications, advantages, and limitations of noble metal‐based catalysts, non‐precious metal catalysts, and hybrid catalysts. Noble metal catalysts exhibit unparalleled activity and stability in acidic environments but are hindered by high costs and limited availability. Noble metal‐free catalysts, such as transition metal oxides or nitrides, offer a cost‐effective alternative with promising activity through defect engineering and structural optimization, though stability remains a challenge. Hybrid catalysts attempt to balance cost and performance, leveraging the synergy between precious and non‐precious materials.
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調査のまとめ

AEM(陰イオン交換膜)およびPEM(プロトン交換膜)の耐久性向上は、クリーンエネルギー技術の普及に向けた重要な課題です。その鍵を握るのが、劣化メカニズムを正確に理解するための高度な特性評価手法です。...

🏷性能劣化を捉える基本特性評価手法:電気化学的・物理化学的アプローチ

画像 1

はい、承知いたしました。 以下に、AEMおよびPEMの特性評価手法に関するレポートセクションを作成します。

#### 性能劣化を捉える基本特性評価手法:電気化学的・物理化学的アプローチ

AEM(アニオン交換膜)およびPEM(プロトン交換膜)を搭載した水電解装置や燃料電池の性能向上と長寿命化を実現するためには、その性能を正確に評価し、劣化の兆候を早期に捉えることが不可欠です。特に、AEMはアルカリ環境下での化学的安定性が
sciencedirect.com
、PEMは高コストとさらなる高効率化が課題とされており、これらの課題解決の鍵を握るのが特性評価技術です。
評価手法は、セルの運転中に電気化学的な応答を測定する「電気化学的アプローチ」と、運転後に部材を取り出して物理的・化学的変化を分析する「物理化学的アプローチ(Ex-situ分析)」に大別されます。これらを組み合わせることで、性能低下という「現象」とその根本原因である「構造・組成の変化」を結びつけ、劣化メカニズムを多角的に解明することが可能になります。

電気化学的アプローチ:運転中の性能をリアルタイムで捉える

電気化学的測定は、デバイスを分解することなく、運転状態(in-situ / operando)のまま性能を診断できるため、劣化の進行をリアルタイムで追跡する上で極めて重要です。
手法目的プロトコル例期待される結果と劣化解明への貢献
分極曲線(I-V特性)測定セルの基本的な電圧効率と最大性能を評価する。0Vから目標電圧(例:2.0V)まで電圧を段階的に掃引し、各電圧での電流密度を記録する
acs.org
。
期待される結果: 低い電圧で高い電流密度が得られるほど高性能。劣化解明への貢献: 長時間運転の前後で分極曲線を比較し、同じ電流値を出すのにより高い電圧が必要になっていれば、性能が劣化したことを示す直接的な証拠となる。
電気化学インピーダンス分光法(EIS)セル全体の抵抗を、物理的意味を持つ個々の抵抗成分(オーム抵抗、電荷移動抵抗、物質移動抵抗)に分離し、性能損失の原因を特定する
acs.org
,
acs.org
。
広い周波数範囲(例:1Hz~10,000Hz)で微小な交流電圧を印加し、インピーダンス応答を測定する
mdpi.com
。
期待される結果: ナイキストプロットから各抵抗成分を定量化。劣化解明への貢献: 抵抗増加の原因を特定できる。例えば、オーム抵抗の増加は膜の劣化やイオン伝導性低下を、電荷移動抵抗の増加は触媒活性の低下を示唆する。これにより、的を絞った改善策の立案が可能になる。
長期安定性試験定常的な運転条件下での耐久性と劣化率を評価する。一定の電流密度(例:1.0 A cm⁻²)で長時間(数百~数千時間)連続運転し、セル電圧の経時変化をモニターする
nih.gov
,
sciencedirect.com
。
期待される結果: 電圧上昇率(µV/h)が低いほど高耐久。劣化解明への貢献: 実際の使用環境に近い状態での寿命を予測し、異なる材料やコンポーネントの耐久性を比較評価するための基礎データとなる。
注目すべきは、EISの高度な活用法です。イスラエルの研究チームは、AEM水電解槽(AEMWE)のEISデータを、遺伝的プログラミング(ISGP)を用いて解析する革新的な手法を開発しました
acs.org
。これは、従来の等価回路モデルへの当てはめに頼らず、データから直接、緩和時間分布関数(DFRT)を導き出すものです。このアプローチにより、KOH濃度や温度、膜の種類といった運転条件の違いが、オーム抵抗、イオン輸送抵抗、電荷移動抵抗、物質移動抵抗といった各損失要因にどのように影響するかを、より正確に定量化することに成功しています
acs.org
。 この研究は、EISが単なる性能評価ツールではなく、劣化メカニズムを解明し、材料設計や運転条件の最適化に直結する深い洞察を得るための強力な分析ツールであることを示しています。

物理化学的アプローチ:劣化の"物証"を掴むポストモーテム分析

Ex-situ(非その場)分析は、運転試験を終えたセルを分解し、劣化した部品を直接観察・分析する手法です。電気化学データで示された性能低下が、どのような物理的・化学的変化によって引き起こされたのか、その「物証」を掴むために不可欠です。
  • 顕微鏡法(SEM、TEM): 走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)は、膜、触媒層、ガス拡散層(GDL)などの微細構造を観察するために用いられます。これにより、触媒粒子の凝集や剥離、膜の薄化や微小な亀裂、電極構造の物理的な破壊といった、性能低下に直結する構造変化を視覚的に捉えることができます
    sciencedirect.com
    。例えば、新規に開発された電気紡糸ポリスルホンAEMの評価では、SEMを用いて繊維ネットワーク構造や活性化による形態変化が詳細に観察されました
    nih.gov
    。
  • 分光法(XPS、FTIR、ラマン分光): これらの手法は、材料表面の化学状態や組成の変化を分析します。
    • **X線光電子分光法(XPS)**は、元素組成や化学結合状態の変化を特定し、触媒の酸化状態の変化や不純物の付着などを検出します
      sciencedirect.com
      。
    • **フーリエ変換赤外分光法(FTIR)**は、ポリマー膜の官能基の分解や新たな生成物を特定するのに有効です
      nih.gov
      。
    • ラマン分光法は、炭素材料の構造変化や特定の化合物の同定に用いられ、レーザー改質されたPEM表面にグラフェン状構造が形成されたことを確認するために活用された事例があります
      nature.com
      。
これらのex-situ分析は、単独では運転中の動的な変化を捉えられませんが、in-situの電気化学データと組み合わせることで、劣化メカニズムの仮説を検証し、その妥当性を飛躍的に高めることができます。

手法の統合と応用:AEMとPEMにおけるアプローチの違い

AEMとPEMは技術的な成熟度が異なるため、特性評価で重視される点も異なります。
  • AEM:安定性評価と劣化要因の切り分けが焦点 AEMWEの普及に向けた最大の障壁は、強アルカリ環境下でのAEMやイオノマーの化学的安定性の低さです
    sciencedirect.com
    。そのため、特性評価は「何が、どのように劣化しているのか」を特定することに主眼が置かれます。 韓国科学技術研究院(KIST)などの国際共同研究チームは、「解離的電気化学分析」というユニークなアプローチを提案しています
    sciencedirect.com
    ,
    sciencedirect.com
    。これは、安定なベースラインシステムに対し、評価したいコンポーネント(特定のAEM、触媒など)を一つずつ体系的に導入し、電圧上昇率やEISの変化を比較することで、各コンポーネントが全体の劣化にどれだけ寄与しているかを定量的に切り分ける手法です。この手法は、従来のポストモーテム分析では困難だった、個々の部材のin-situでの劣化寄与を明らかにし、AEMWEの信頼性向上に不可欠な知見を提供します。
  • PEM:実用条件下の局所分析と高度な3D解析が重要 比較的成熟したPEM技術では、さらなる高性能化・長寿命化のために、より複雑で実用に近い環境下での評価が求められます。特に、高電流密度で運転される大型セルでは、セル内の場所による性能の不均一性が大きな問題となります。ドイツの研究では、セグメント化されたセルを用いて、ガス流路に沿った局所的な電流密度、温度、インピーダンスを測定しています
    acs.org
    。これにより、水供給の不足や局所的な温度上昇が性能に与える影響を詳細に分析し、大規模スタックの熱・水管理設計に重要な知見を提供しています。
    さらに、最先端の研究では、X線マイクロCT(µ-CT)による3次元構造解析とマルチフィジックスシミュレーションを組み合わせた評価が行われています
    nature.com
    。レーザーで表面改質したPEMの評価では、加速劣化試験後のMEA(膜電極接合体)の3D構造をµ-CTで可視化。触媒層の細孔分布や膜の湾曲といった微細構造の変化が、電気化学シミュレーションによって示された局所的な電流密度や水分布とどのように関連しているかを解明しました。このような高度な統合的アプローチは、複雑な劣化現象の根本原因を原子・分子レベルで理解し、次世代デバイスの合理的な設計を可能にする上で、今後ますます重要になると考えられます。
このように、基本的な電気化学的・物理化学的手法を基盤としながらも、AEMとPEMそれぞれの技術的課題に応じて、評価アプローチはより専門的かつ高度に進化しています。これらの手法を戦略的に組み合わせることが、高性能で高耐久な膜技術を開発し、グリーン水素社会の実現を加速させるための鍵となるのです。
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Predicting performance stability of anion exchange membrane fuel cells
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Karam Yassin
Rinat Attias
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Scheme 1
Scheme 1
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eq 1
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eq 1
Fig. 1
Scheme 1
Fig. S1 and Table S1
Fig. S1
Fig. S1
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Table S2
Fig. 1
Fig. 1
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Fig. 2
Scheme 1
Fig. 2
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Table S3
Fig. 2
Scheme 1
Fig. S2
Fig. S1
Fig. 3
Fig. 3
Fig. 3
Fig. 3
Scheme 1
Fig. 4
Fig. 4
Fig. 4
Fig. 4
Fig. 4
Fig. 4
Table S4
Fig. 1
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調査のまとめ

回答

ご依頼に基づき、アニオン交換膜(AEM)およびプロトン交換膜(PEM)の特性評価手法について、調査結果を整理しました。各手法の目的、プロトコル、期待される結果、そして劣化メカニズム解明...

🏷劣化メカニズムの核心に迫る先進技術:加速劣化試験(AST)とOperando分析

画像 1

AEM(アニオン交換膜)およびPEM(プロトン交換膜)技術の真のポテンシャルを解き放つためには、その心臓部である膜電極接合体(MEA)の長期的な耐久性を確保することが不可欠です。しかし、燃料電池や水電解セルの過酷な運転環境は、構成材料に絶え間ないストレスを与え、徐々に性能を低下させていきます。この複雑な劣化メカニズムを解明し、より頑強なデバイスを開発するための鍵となるのが、「加速劣化試験(AST)」と「Operando分析」という二つの先進的な評価技術です。これらの技術は、いわば材料の「未来」と「今」を同時に映し出す鏡であり、劣化の核心に迫るための強力な武器となります。

劣化メカニズムの核心に迫る先進技術:加速劣化試験(AST)とOperando分析

AEM/PEM技術の耐久性を飛躍的に向上させるためには、単に長期間運転して劣化を待つのではなく、劣化を意図的に加速させ、その過程をリアルタイムで詳細に観察するアプローチが極めて有効です。ここでは、その代表的な手法である加速劣化試験(AST)とOperando分析について、その目的、プロトコル、そして劣化メカニズム解明への貢献を具体的に解説します。

加速劣化試験(AST):未来を先取りする劣化評価

加速劣化試験(AST)は、実際の運転で想定されるよりも厳しい条件(高い電圧、急激な負荷変動、高温など)を意図的に与えることで、長期間にわたる劣化現象を短時間で再現する評価手法です
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。その最大の目的は、新しい材料やコンポーネントの耐久性を迅速に評価し、開発サイクルを劇的に短縮することにあります
hal.science
。
燃料電池の分野では、米国エネルギー省(DoE)などが主導して標準化されたプロトコルが存在しますが、水電解の分野ではまだ発展途上にあり、研究者たちが様々なプロトコルを提案しています
hal.science
,
hal.science
。注目すべきは、ASTが単に劣化を早めるだけでなく、「どのストレス要因が、どの部材に、どのような劣化を引き起こすのか」という因果関係を明確にするための強力なツールであるという点です。
ASTプロトコルの種類目的代表的なプロトコル例劣化メカニズム解明への貢献
PEMFC 起動/停止(SU/SD)模擬AST自動車の起動・停止時に発生するカソード触媒層の劣化を評価する。H2/Airフロント伝播を模擬し、カソード電位を一時的に高電位(例: 1.6V)に保持するサイクルを繰り返す
hal.science
。
高電位に晒されることで触媒のカーボン担体が腐食(CSC)し、白金(Pt)粒子が溶解・凝集するメカニズムを解明。最大電位を1.4Vに抑えるだけで性能劣化を約15%抑制できるなど、具体的な緩和策の有効性を定量的に示せる
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。
PEMWE アノード触媒安定性AST水電解アノード触媒(主にイリジウム)の高電圧下での安定性を評価する。電圧を1.75Vと開放電圧(OCV)の間で数秒間隔で15,000回サイクルさせる
hal.science
。
高電圧がイリジウムの溶解を促進するプロセスを加速的に検証。触媒の耐久性を左右する電圧の閾値や、より安定な触媒構造の探索に不可欠なデータを提供する。
PEMWE MEA総合耐久性AST膜電極接合体(MEA)全体の劣化を評価する。定電流パルス(例: OCVから1 A/cm²へ)を25時間周期で、セルが停止するまで(数千時間)繰り返す
hal.science
。
長期運転における触媒の腐食、膜内への金属移行、膜の薄化といった複合的な劣化現象を再現し、MEA全体の寿命を決定づける要因を特定するのに役立つ。
PEMWE 可変電力模擬AST再生可能エネルギーの変動電源を模擬し、断続運転による劣化を評価する。高電流密度(例: 3 A/cm²)と低電流密度(例: 0.1 A/cm²)、そして電流ゼロの非活動期間を組み合わせたサイクルを繰り返す
hal.science
。
負荷変動や運転停止が膜の化学的劣化(ラジカル生成)や物理的ストレスにどう影響するかを解明。特に低負荷運転時に膜劣化が進行しやすいといった、直感に反する重要な知見をもたらすことがある
hal.science
。
このように、ASTは様々な角度から劣化の引き金となるストレスを加え、材料やセルの「弱点」を浮き彫りにします。これにより、研究者はより効果的な対策を講じることが可能になるのです。

Operando分析:動作中の「真実」を捉える

ASTが劣化の「結果」を加速的に示すものだとすれば、Operando分析は劣化が「まさに起きている瞬間」を捉える技術です。Operandoとは「動作中」を意味するラテン語で、セルを実際に動かしながら、その内部で起きている化学的・物理的変化をリアルタイムで観察する手法を指します
nih.gov
。劣化試験後にセルを分解して分析する従来型のEx-situ(事後)分析では見過ごされがちな、動的なプロセスや中間生成物の挙動を明らかにできるのが最大の強みです。
Operandoラマン分光法が暴いたAEM劣化の瞬間
近年、AEM水電解(AEMWE)の劣化メカニズム解明において画期的な成果を上げたのが、Operandoラマン分光法を用いた研究です
acs.org
。
この研究では、動作中のAEMWEセル内部の電解液を直接分析できる特殊な測定セル「E-Para Cell」を開発しました
acs.org
。そして、セルに高い電圧を印加していくと、驚くべき現象が観察されました。
  • 目的: AEMWEのイオノマーが、どのようなメカニズムで分解していくのかをリアルタイムで解明する。
  • プロトコル: カスタム設計のE-Para Cellを用い、AEMWEを様々な電位で動作させながら、電極近傍の電解液のラマンスペクトルを連続的に測定する
    acs.org
    。
  • 期待される結果と貢献:
    • 分解生成物の直接検出: 1.9Vや2.2Vといった高電位下で、それまで存在しなかったカルボン酸(C=O伸縮に由来する1722 cm⁻¹のピーク)や芳香族系化合物(1612 cm⁻¹のピーク)に由来する新たなラマンシグナルが明確に検出されました
      acs.org
      。これは、イオノマーのポリマー骨格が化学的に切断され、その断片が電解液中に溶け出している決定的な証拠です。
    • 劣化メカニズムの提案: この「動かぬ証拠」に基づき、研究チームはヒドロキシルラジカル(OH•)がポリマーのフェニル環を攻撃し、最終的に鎖切断に至るという具体的な多段階のフリーラジカル反応経路を提案しました
      acs.org
      。
    • 物理的証拠との連携: さらに、劣化試験後の膜を電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、膜の厚さが当初の23.85μmから9.07μmへと、実に62%も薄化していることが確認されました
      acs.org
      。Operando分析で捉えた化学的分解が、実際に物理的な破壊を引き起こしていることが見事に証明されたのです。
AEMWEにおけるイオノマー/膜の劣化メカニズムの提案図
acs.org
多角的に劣化を捉えるその他のOperando技術
ラマン分光法以外にも、様々なOperando技術が劣化の謎を解き明かしています。
  • Operando X線マイクロCT (μ-CT): セルを非破壊でスキャンし、内部の三次元構造を可視化します。これにより、劣化に伴う触媒層の亀裂や膜の湾曲、水が溜まってしまうフラッディング現象などを立体的に捉え、性能低下と物理構造の破壊を直接関連付けることができます37。
  • Operando X線吸収分光法 (XAS/XAFS): シンクロトロンという強力なX線を用いて、動作中の触媒原子の化学状態(酸化状態など)や周辺の原子構造の変化をリアルタイムで追跡します。触媒がなぜ活性を失うのか、その根本原因を原子レベルで解明する上で極めて強力な手法です
    nih.gov
    。

統合的アプローチが拓く未来

ASTとOperando分析は、それぞれ単独でも強力ですが、両者を組み合わせることで、その威力は飛躍的に高まります。ASTで特定の劣化モードを意図的に誘発し、そのプロセスをOperando分析でつぶさに観察するのです。例えば、起動・停止を模擬したASTを行いながら、排出ガス中のCO2濃度をリアルタイムで測定すれば、どのタイミングでどれだけカーボン担体の腐食が進むのかを正確に把握できます
hal.science
。
このようにして得られた詳細なデータは、理論計算やシミュレーションモデルの精度を劇的に向上させ、より信頼性の高い劣化予測を可能にします
nature.com
。その結果、私たちはより耐久性の高い新材料を効率的に設計したり、劣化を最小限に抑えるインテリジェントな運転制御ロジックを開発したりすることができるようになります。
加速劣化試験とOperando分析は、もはや単なる評価技術ではありません。これらは、AEM/PEM技術の未来を創造し、持続可能な水素社会の実現を加速させるための、不可欠な羅針盤であり、エンジンなのです。
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https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2020.118738
https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2021.120592
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https://doi.org/10.3390/EN12101884
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https://doi.org/10.1002/ER.6750
https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2020.12.203
https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2024.130235
https://doi.org/10.3390/EN14165022
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https://doi.org/10.3390/BIOMIMETICS8020149
https://doi.org/10.1038/s41598-022-27344-y
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Parrot optimizer with multiple search strategies for parameters estimation of proton exchange membrane fuel cells model
Optimal parameter identification of photovoltaic systems based on enhanced differential evolution optimization technique
Efficient parameter extraction for accurate modeling of PEM fuel cell using Ali-Baba and forty thieves algorithm

調査のまとめ

AEMおよびPEMの特性評価手法と劣化メカニズム解明への貢献

アニオン交換膜(AEM)およびプロトン交換膜(PEM)燃料電池・水電解セルの性能と耐久性を向上させるためには、構成材料の特性を正確...

🏷統合的分析による劣化シナリオの解明と次世代材料開発への応用


はい、承知いたしました。 AEM・PEMの特性評価と劣化メカニズムに関するレポートのセクション「統合的分析による劣化シナリオの解明と次世代材料開発への応用」を、ご提供いただいた調査結果に基づいて作成します。

#### 統合的分析による劣化シナリオの解明と次世代材料開発への応用

アニオン交換膜(AEM)やプロトン交換膜(PEM)を用いた水電解装置(AEMWE/PEMWE)の商業化に向けた最大の課題の一つが、長期的な耐久性の確保です
springer.com
,
hal.science
。この耐久性は、単一の部品の性能だけでなく、触媒、膜、ガス拡散層(GDL)といった複数のコンポーネントと、それらが接する「界面」で起こる複雑な現象が相互に作用しあって決まります
springer.com
。したがって、個々の材料を評価するだけでは不十分であり、システム全体を俯瞰する「統合的分析」を通じて劣化の全体像(シナリオ)を解明することが、次世代材料開発の羅針盤となるのです。

#### 複雑に絡み合う劣化のメカニズム

AEMおよびPEMの劣化は、単純なものではありません。様々な要因が複雑に絡み合い、性能低下を引き起こします。
  • 材料レベルの化学的劣化:
    • AEM: その製造過程、特にイオンマインと触媒を混ぜ合わせるインク作成段階で、すでに化学的な劣化が始まる可能性があります
      acs.org
      。また、動作環境における高濃度の水酸化物イオン(OH⁻)は、イオン伝導に必須である一方、膜の化学構造を攻撃し、劣化を促進する要因にもなります
      acs.org
      。
    • PEM: 運転中に生成される過酸化水素ラジカル(HO•)やヒドロキシラジカル(HOO•)といった非常に反応性の高いフリーラジカルが、膜の高分子鎖を攻撃・分解する化学的劣化が主要な問題です
      nih.gov
      。さらに、システム内の金属部品から溶出した金属イオンが膜に付着し、性能を低下させる「金属汚染」も深刻な課題とされています
      nih.gov
      。
  • 触媒の劣化:
    • AEMWEでは、ニッケル(Ni)や鉄(Fe)などの非貴金属触媒が利用できる利点がありますが、これらの材料も運転中のpH、温度、電解質組成によって劣化します
      springer.com
      。劣化モードは、触媒粒子が溶け出す「溶解」、粒子同士が集まって大きくなる「凝集」、活性点が塞がれてしまう「被毒」など多岐にわたります
      springer.com
      。
  • 界面での相互作用:
    • 劣化は材料内部だけでなく、触媒と膜、触媒とガス拡散層(GDL)といった異なるコンポーネントが接する界面でも発生します
      springer.com
      。これらの界面での物理化学的特性の変化は、触媒の溶解や膜の破損、電解質の汚染などを引き起こし、システム全体の性能低下に直結します
      springer.com
      。
これらの劣化要因は独立しているわけではなく、互いに影響を及ぼし合うため、根本原因の特定は極めて困難です
springer.com
。

#### 劣化シナリオを解明する先進的評価手法

この複雑な劣化シナリオを解き明かすためには、従来の手法と先進的な手法を組み合わせた統合的なアプローチが不可欠です。
事後分析(Ex-situ)の限界と役割
走査電子顕微鏡(SEM)や透過電子顕微鏡(TEM)、X線光電子分光法(XPS)などのEx-situ(事後)分析は、長期間の運転を経たデバイスを分解し、劣化した部品の微細な構造変化や化学組成の変化を詳細に観察する上で強力なツールです5,
nih.gov
。しかし、これらはあくまで「検死解剖」のようなものであり、運転中にリアルタイムで何が起きているかを直接捉えることはできません
sciencedirect.com
。
実環境下分析(In-situ/Operando)の威力
そこで重要になるのが、デバイスを実際に動作させながら測定を行うIn-situ/Operando分析です。これにより、実際の運転条件下(例:変動する湿度、温度、高電流密度)で起こる動的な変化や、部品間の複雑な相互作用を捉えることが可能になります
nih.gov
。
  • 目的: 運転中の電気化学的挙動をリアルタイムで監視し、劣化の兆候や原因を特定する。
  • 代表的なプロトコルと期待される結果:
    • 電気化学インピーダンス分光法 (EIS): 交流信号を用いてシステムの内部抵抗を測定します。これにより、膜の抵抗、触媒層の抵抗、電荷移動抵抗などを分離して評価でき、どの部分の抵抗が増加(=劣化)しているかを特定できます。PEMWEの研究では、EISを用いてアノード側がカソード側よりも劣化への寄与が大きいことが示唆されています
      springer.com
      。
    • 参照電極の統合: 特別に設計した参照電極をセルに組み込むことで、アノードとカソードの電位を個別に測定します
      nih.gov
      。これにより、全体の性能低下がアノードとカソードのどちらに起因するのかを定量的に切り分けることができ、より的を絞った改善策の立案に繋がります。
加速劣化試験(AST)による寿命予測
数万時間にも及ぶ長期的な耐久性を実時間で評価するのは非現実的です。そこで、**加速劣化試験(Accelerated Stress Test, AST)**が用いられます。これは、温度や電圧、電流密度といった運転条件を意図的に過酷にすることで劣化を加速させ、短期間で長期的な挙動を評価・予測する手法です
springer.com
。ただし、得られた結果の信頼性を担保するためには、実際の運転データとの比較検証が不可欠です
springer.com
。
以下に、PEMWEのコンポーネント評価で提案されているASTプロトコルの例を示します。
ストレッサー(負荷要因)プロトコルの概要対象コンポーネント出典
電圧1.75VとOCV(開放電圧)間を3秒間隔で15,000回サイクル。温度80℃。アノード触媒
hal.science
電流密度0.1A/cm²と1A/cm²の間を10分間隔でサイクル。合計100時間。アノード触媒
hal.science
ラジカル攻撃フェントン試薬を用いて膜をOHラジカルに曝露させる。膜
hal.science
機械的圧力GDLに28日間、機械的な圧縮を加える。GDL
hal.science
これらのASTは、特定の劣化要因(電気的負荷、化学的攻撃、機械的ストレスなど)が各コンポーネントに与える影響を分離して評価し、材料の弱点を特定するのに役立ちます。

#### 分析から応用へ:次世代材料開発へのフィードバック

統合的分析によって得られた詳細な劣化シナリオは、単なる学術的知見にとどまらず、より耐久性の高い次世代材料を合理的に設計するための強力な指針となります
nih.gov
。
  • 合理的な材料設計: 劣化メカニズムを分子レベルで理解することで、弱点を克服した材料開発が可能になります。例えば、AEMの安定性を高めるために、攻撃を受けやすいベンジル位のアンモニウム基を避け、より安定な脂肪族の構造を採用したり、スペーサー鎖を導入して立体的に保護したりする分子設計が有効です
    springer.com
    。
  • 性能と耐久性の両立: 劣化の根本原因を特定することで、性能を犠牲にすることなく耐久性を向上させる方策を見出すことができます。In-situ/Operando分析は、どの運転条件下でどの劣化が進行するかを明らかにするため、運転条件の最適化にも貢献します
    nih.gov
    。
  • 未来への展望: 将来的には、これらの分析データと機械学習などのデータ科学的手法を組み合わせることで、劣化を予測し、次世代材料の性能をシミュレーションするフレームワークの構築が期待されます
    nih.gov
    。さらに、PEM燃料電池(PEMFC)やアルカリ水電解(AWE)といった関連技術分野で培われた知見や評価手法を積極的に取り入れる学際的なアプローチが、技術革新をさらに加速させるでしょう
    nih.gov
    。
このように、Ex-situ、In-situ、ASTといった多様な評価手法を統合的に活用して複雑な劣化シナリオを解明することこそが、AEMとPEMの真のポテンシャルを引き出し、持続可能な水素社会を実現するための鍵となるのです。
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🏷AEMの多岐にわたる応用分野


AEMの多岐にわたる応用分野

アニオン交換膜(AEM)は、そのユニークな特性から、エネルギー分野を中心に急速に応用範囲を広げている注目の素材です。特に、高効率なエネルギー変換が期待されるアニオン交換膜燃料電池(AEMFC)や、グリーン水素製造の次世代技術として期待されるアニオン交換膜水電解(AEMWE)は、研究開発が活発に進められている二大応用分野と言えるでしょう
ladewig.co
。AEMWEは、持続可能な開発目標の達成に貢献するクリーンエネルギー技術として、そのポテンシャルが大きく評価されています
springer.com
。さらに、そのイオン選択性を活かして、水処理技術への応用も模索されるなど
mdpi.com
、AEMの活躍の場は広がり続けています。
しかし、これらの応用を実用化し、社会実装へと繋げるためには、性能と、特に長期的な「耐久性」の向上が不可欠です。AEMWEの実用化における最大のボトルネックは、安定性の低さにあると指摘されています
springer.com
,
springer.com
。この課題を克服する鍵こそが、高度な特性評価手法を駆使した劣化メカニズムの解明にあります。

特性評価が切り拓くAEM技術の未来

AEMデバイスの性能低下は、触媒の劣化、膜の分解、コンポーネント間の界面剥離など、様々な要因が複雑に絡み合って発生します
springer.com
。これらの劣化メカニズムを正確に理解し、対策を講じるために、研究者たちは以下のような先進的な評価手法を用いています。
評価手法目的と特徴劣化解明への貢献
電気化学的インピーダンス分光法 (EIS)非破壊で、デバイスが稼働している状態(in-operando)で内部抵抗を測定する手法。イオンや電子の移動抵抗、電極反応の遅さ、物質輸送の限界といった性能損失の要因を切り分けて定量化できる
acs.org
。これにより、どの部品を改良すべきか、的を絞った開発が可能になります。
In-situ / Operando 特性評価デバイスを実際に動作させながら、触媒や膜の構造的・化学的変化をリアルタイムで観察する手法群。実験室レベルの単純な系では見えない、実環境下での複雑な劣化プロセス(触媒粒子の凝集や溶解、界面での空隙形成など)を直接捉えることができます
nih.gov
,
nih.gov
。これにより、劣化の根本原因に迫る深い洞察が得られます。
加速劣化試験 (AST)温度や電圧などの負荷を高め、短期間で長期的な劣化をシミュレートする手法。新材料や新設計の耐久性を迅速に評価するために用いられます
springer.com
。ただし、実環境での挙動との相関を慎重に検証することが重要です。
Ex-situ 特性評価劣化したデバイスを分解し、電子顕微鏡(SEM, TEM)やX線光電子分光(XPS)などで詳細に分析する手法。劣化後の状態をミクロ・ナノレベルで詳細に分析し、不可逆な変化を特定するのに役立ちます
sciencedirect.com
。
これらの評価手法を組み合わせることで、例えばAEMWEにおいて「なぜ性能が低下したのか?」という問いに対し、「高温運転
springer.com
により触媒粒子が凝集し
springer.com
、結果としてEISで観測される電極反応の抵抗が増加した」といった、具体的かつ定量的なストーリーとして劣化を理解できるようになるのです。

分野横断的なアプローチがイノベーションを加速する

注目すべきは、AEM技術の発展が、AEM分野単独の研究だけで進んでいるわけではないという点です。むしろ、先行するプロトン交換膜(PEM)技術や、従来型のアルカリ水電解(AWE)技術から得られる知見が、AEMの課題解決を力強く後押ししています。
  • PEMからの学び: PEM燃料電池(PEMFC)やPEM水電解(PEMWE)で深刻な課題であった触媒の溶解や膜の劣化は、AEMWEが直面する課題と多くの類似点があります
    nih.gov
    。PEMFCで開発された、ガスの流れを最適化して性能を高めるフローフィールド設計や、in-situでの高度な評価技術は、AEMWEの性能と耐久性を向上させるために直接応用可能です
    nih.gov
    。
  • AWEからの学び: 従来から商業化されているAWEでは、ニッケルなどの安価で豊富な卑金属触媒が安定的に利用されてきました。この知見は、AEMWEの大きな利点である「非貴金属触媒の利用」をさらに推し進め、コスト競争力を高める上で重要なヒントとなります
    nih.gov
    ]。
このように、異なる技術分野の成功と失敗から学ぶ「クロスラーニング」は、研究開発を加速させる極めて強力なアプローチです。AEMWEで開発された新しい膜技術がPEMWEの性能向上に貢献する可能性も示唆されており
nih.gov
]、技術は相互に影響を与え合いながら進化していくのです。
AEMの応用分野は、クリーンエネルギー社会の実現に不可欠なポテンシャルを秘めています。その可能性を最大限に引き出すためには、本稿で解説したような先進的な評価技術によって劣化メカニズムを深く理解し、材料やシステム設計にフィードバックしていく地道な努力が欠かせません。そして同時に、分野の垣根を越えて知見を融合させる、オープンで学際的な視点を持つことが、革新的なブレークスルーを生み出す鍵となるでしょう。

🏷研究成果の再現性を高める実験プロトコル情報の活用


研究成果の再現性を高める実験プロトコル情報の活用

AEM(アニオン交換膜)およびPEM(プロトン交換膜)を用いた水電解技術の商業化に向けた最大のハードルの一つが、長期的な運転における性能劣化、すなわち耐久性の問題です。この劣化メカニズムを正確に解明し、対策を講じるためには、信頼性と再現性の高い評価手法が不可欠となります。しかし、研究開発の現場では、各研究機関が独自の手法で評価を行っているため、得られた成果を横断的に比較することが難しいという根深い課題が存在します。この「再現性の壁」を乗り越え、研究開発を加速させる鍵こそが、標準化された実験プロトコルの活用です。

なぜ標準プロトコルが不可欠なのか?

水電解セルの劣化は、膜、触媒、ガス拡散層(GDL)など、複数のコンポーネントが複雑に絡み合った結果として生じます。ある研究では触媒の劣化が主因と結論づけられ、別の研究では膜の劣化が指摘されるなど、評価条件が異なれば、観測される現象も変わってしまいます。実際に、PEM水電解(PEMWE)の劣化に関する試験手順は標準化が十分ではなく、結果を比較するための適切な定義が求められていると指摘されています
hal.science
。
この状況は、貴重な研究成果が点在し、技術全体の進歩を遅らせる一因となり得ます。そこで、欧州連合(EU)が低音水電解槽の試験に関する統一プロトコルを提案するなど、国際的な標準化への動きが活発化しています
hal.science
。こうした標準プロトコルは、いわば研究者間の「共通言語」であり、異なる場所で得られたデータを同じ土俵で比較・評価することを可能にします。これにより、どの材料が、どのような条件下で、なぜ優れているのかを客観的に判断できるようになり、劣化メカニズムの体系的な理解へと繋がるのです。

時間を味方につける「加速劣化試験(AST)」

AEMやPEMの耐久性を評価するには、本来であれば数千時間から数万時間にも及ぶ長期運転試験が必要です
hal.science
。しかし、これでは開発に膨大な時間とコストがかかってしまいます。このジレンマを解決するのが**加速劣化試験(Accelerated Stress Test, AST)**です。
ASTは、実際の運転条件よりも過酷な環境(高温、高圧、急激な電圧・電流変動など)を意図的にセルに負荷することで、長期間かけて起こる劣化現象を短時間で再現する手法です
springer.com
。その目的は、単にセルを壊すことではなく、実際の劣化メカニズムを維持したまま寿命を縮めることにあります
hal.science
。
項目目的とプロトコル例期待される結果と劣化解明への寄与
目的新材料や新構造の耐久性を迅速にスクリーニングし、開発サイクルを短縮する。・有望な材料候補の早期特定<br>・市場投入までの時間短縮
hal.science
プロトコル例・高電位保持: 触媒(特にアノードのIr)の溶解や酸化を促進させる
hal.science
。<br>・起動・停止サイクル: 電位の変動により、触媒の凝集や剥離、炭素担体の腐食を誘発する。<br>・高温・低湿度: 膜の機械的・化学的劣化を加速させる。
・特定の運転条件(例:再エネの出力変動)がどの部品にどのようなダメージを与えるかを特定。<br>・各劣化要因の寄与度を定量的に評価し、対策の優先順位を決定。
重要なのは、ASTによって得られた結果を、実際の運転データと照らし合わせてその妥当性を検証することです
springer.com
。この検証プロセスを経て初めて、ASTは信頼性の高い評価手法として確立されます。

プロトコルと先進評価手法の融合が生む深い洞察

標準化されたプロトコルやASTの真価は、先進的な
in-situ
(その場)および
operando
(実作動下)分析技術と組み合わせることで最大限に引き出されます。
  • 電気化学インピーダンス分光法(EIS)の活用: ASTの前後、あるいは最中にEIS測定を行うことで、性能低下の内訳を明らかにできます。EISは、セルの総抵抗を「オーム抵抗(イオンや電子の通りにくさ)」、「電荷移動抵抗(電極での反応のしにくさ)」、「物質輸送抵抗(反応物・生成物の移動のしにくさ)」といった個別の要因に分解できる非破壊的な手法です
    acs.org
    。例えば、AST後にオーム抵抗が増加していれば膜や接触抵抗の劣化が、電荷移動抵抗が増加していれば触媒の劣化が示唆されます。これにより、「性能が落ちた」という事実だけでなく、「なぜ性能が落ちたのか」というメカニズムに迫ることができます。
  • 革新的な診断ツールによる劣化箇所の特定: 近年の研究では、セルの外側に参照電極を設けることで、アノードとカソードの電位を独立して測定する革新的な診断手法が開発されています
    nih.gov
    ,
    nih.gov
    。これをASTプロトコルに組み込めば、過酷な条件下で劣化が進行しているのがアノード側なのか、カソード側なのかを明確に切り分けることが可能になります。これは、劣化の根本原因を特定し、より効果的な材料設計に繋げるための極めて重要な情報です。
  • Ex-situ
    分析による微視的検証:
    AST実施後のセルを分解し、電子顕微鏡(SEM, TEM)やX線光電子分光法(XPS)などで分析する
    ex-situ
    評価も欠かせません
    sciencedirect.com
    。
    In-situ
    で観測された性能変化が、触媒粒子の凝集や膜の薄化といった物理的・化学的な構造変化によって引き起こされていることを直接的に裏付け、劣化シナリオの確度を高めます。

未来への展望:データ駆動型開発へ

標準化されたプロトコルによって得られる再現性の高いデータは、異なる研究機関からの膨大な知見を統合するための基盤となります。将来的には、これらのビッグデータを機械学習やAIで解析することで、劣化挙動を予測するモデルの構築や、耐久性の高い次世代材料の探索を加速させることが期待されています
nih.gov
。
結論として、実験プロトコルの標準化とASTの戦略的な活用は、単に実験の再現性を高めるだけでなく、AEM/PEMの劣化という複雑な現象を体系的に理解し、克服するための羅針盤となります。個々の優れた研究成果を点から線へ、そして面へと繋ぎ合わせることで、クリーンな水素社会の実現に向けた技術革新を力強く推進していくことができるのです。

🖍 考察

AEM/PEM特性評価:劣化解明から次世代材料開発を加速する羅針盤

ご依頼いただいたAEM(陰イオン交換膜)およびPEM(プロトン交換膜)の特性評価手法に関する調査結果について、深い洞察と具体的なアクションに繋がる考察を提供します。

調査の本質

本調査の核心は、単にAEM・PEMの評価手法をリストアップすることに留まりません。その真の価値は、なぜこれほど多様で高度な評価技術が不可欠なのかという問いに答え、それらがグリーン水素社会の実現に向けた技術開発において、いかに戦略的な羅針盤として機能するかを明らかにすることにあります。
AEMとPEMは、それぞれ「低コスト化の可能性」と「高い技術的成熟度」という異なる強みを持ちながら、「長期耐久性の確保」という共通の巨大な壁に直面しています。この壁を乗り越えるには、性能低下の根本原因である「劣化」という複雑な現象を、分子・原子レベルからデバイスシステム全体まで、あらゆるスケールで解明しなくてはなりません。
したがって、本考察は、各種評価手法がどのように劣化メカニ-ズムという「見えざる敵」を可視化し、その知見がどのようにしてより強靭な次世代材料の開発や、最適な運転戦略の立案に繋がるのか、その**「評価」から「創造」へのプロセス**を解き明かすことを目的とします。

分析と発見事項

調査結果を多角的に分析すると、AEM/PEMの特性評価におけるいくつかの重要なパターンと発見事項が浮かび上がります。

1. 技術成熟度に応じた評価戦略の明確な差異

AEMとPEMでは、その技術ライフサイクルの段階が異なるため、特性評価の重点も明確に異なります。
項目AEM(黎明期~成長期)PEM(成熟期)
主要課題化学的安定性・耐久性の抜本的向上
sciencedirect.com
さらなる高性能化、コストダウン、実用環境下での長寿命化
nih.gov
評価の焦点**「何が、なぜ劣化するのか」**という根本原因の特定。**「どこで、どのように性能が制限されるのか」**という局所的・実用的課題の解決。
代表的な手法- Operandoラマン分光: イオノマー分解生成物を直接検出し、劣化の化学反応経路を特定
acs.org
。<br>- 解離的電気化学分析: 各コンポーネントの劣化寄与を切り分け、弱点を特定
sciencedirect.com
。
- セグメントセル評価: セル内の局所的な電流・温度・抵抗分布を測定し、不均一性を可視化
acs.org
。<br>- X線μ-CTとシミュレーションの連携: 3D構造変化と性能低下の相関を解析
nature.com
。
この違いは、AEMが「生存」をかけた基礎研究段階にあるのに対し、PEMは商業化を見据えた「最適化」の段階にあることを明確に示しています。

2. 「統合的アプローチ」の不可欠性

劣化は、化学反応、物理的破壊、電気化学的損失が複雑に絡み合った「複合災害」です。そのため、単一の評価手法では全体像を捉えることはできません。調査結果は、異なる手法を組み合わせる「統合的分析」の重要性を一貫して示唆しています。
  • In-situ
    /
    Operando
    (現象の観察) ×
    Ex-situ
    (物証の確認)
    : Operando分析で「イオノマーが分解している」という化学的変化をリアルタイムで捉え
    acs.org
    、Ex-situのSEM観察で「膜が物理的に薄くなった」という結果を裏付ける
    acs.org
    。この連携により、仮説の確度が飛躍的に高まります。
  • AST (未来のシミュレート) × EIS (内部状態の診断): ASTで意図的に劣化を加速させながら
    hal.science
    、EISで内部抵抗の変化を追跡する
    acs.org
    。これにより、「どのストレスが、どの部品の抵抗を増加させるか」という因果関係を定量的に解明できます。

3. 「標準化プロトコル」が研究開発を加速する

多くの研究機関が独自の評価手法を用いているため、結果の比較が困難という「再現性の壁」が存在します
hal.science
。この壁を打ち破るのが、加速劣化試験(AST)などの標準化されたプロトコルです。これは研究者間の「共通言語」として機能し、個々の研究成果(点)を業界全体の体系的な知識(面)へと昇華させるための必須インフラと言えます。

より深い分析と解釈

なぜ劣化メカニズムはこれほど複雑なのか?

その根源は、AEM/PEMデバイスが**「自己破壊的な環境」**で動作せざるを得ないという宿命にあります。
  1. 第一のなぜ?: なぜ劣化するのか? → 高い性能(イオン伝導性、触媒活性)を発揮するために、化学的に非常にアグレッシブな環境(強酸性/強アルカリ性、高電位)を作り出す必要があるから。
  2. 第二のなぜ?: なぜその環境が自己破壊的なのか? → イオンを運ぶためのOH⁻イオンや、反応を促進する高電位そのものが、膜や触媒を構成する化学結合を攻撃し、分解する「諸刃の剣」として作用するから
    acs.org
    ,
    nih.gov
    。
  3. 第三のなぜ?: なぜ解明が困難なのか? → この自己破壊プロセスは、触媒の溶解、膜の分解、界面の剥離といった複数の現象を連鎖的に引き起こす(図参照)。例えば、触媒が溶け出して膜に付着すると、その金属イオンが今度は膜のラジカル分解を促進する、といった負のスパイラルが発生するため、単一の根本原因を特定することが極めて難しい
    springer.com
    ,
    nih.gov
    。
出典画像を基に考察用に再構成。溶解、凝集、閉塞など多様な要因が相互作用する様子
springer.com
この「多因子連鎖劣化モデル」こそが、多様な評価手法を統合して多角的にアプローチしなければならない本質的な理由です。

戦略的示唆

これらの分析と解釈から、AEM/PEM開発を推進するための具体的な戦略的示唆を導き出すことができます。
  1. AEM開発戦略:弱点の克服と分子設計へのフィードバック
    • アクション: Operandoラマン分光法や解離的電気化学分析を駆使し、「どの化学構造が、どのラジカル種に攻撃されているか」を特定する。
    • 示唆: 得られた知見を基に、攻撃を受けやすい部位を安定な構造に置換したり、立体保護基を導入したりするなど、劣化メカニズムに基づいた合理的な分子設計に直結させる。これが、試行錯誤の開発から脱却し、開発サイクルを加速させる鍵となる。
  2. PEM開発戦略:実用環境下での不均一性の克服
    • アクション: セグメントセル評価や3D-μCT-シミュレーション連携解析を導入し、大型セルや高電流密度運転時の熱・水・電流の分布の不均一性を徹底的に可視化・定量化する。
    • 示唆: 分析結果を基に、ガス流路(フローフィールド)やGDLの構造を最適化し、セル全体の均一性を最大化する設計に注力する。これが、ラボスケールの高性能を実用スケールで再現し、長寿命化を達成する道筋となる。
  3. 評価基盤戦略:標準プロトコルの導入と統合的プラットフォームの構築
    • アクション: EUなどが提案する標準ASTプロトコルを積極的に導入し、自社材料の耐久性をグローバルなベンチマークと比較する体制を構築する。
    • 示唆: AST、In-situ/Operando、Ex-situの各手法を連携させる**「統合評価プラットフォーム」**を社内に構築する。これにより、劣化現象の迅速かつ深い理解が可能となり、他社に対する明確な技術的優位性を確立できる。

今後の調査

本分析を踏まえ、AEM/PEM技術のさらなる飛躍のために、以下の調査・研究テーマを提案します。
  • AEMWEに特化した標準ASTプロトコルの国際共同策定: 現在、標準化が遅れているAEM分野において、信頼性の高い加速劣化試験プロトコルを策定し、国際的なコンセンサスを形成する。
  • データ駆動型劣化予測・材料設計プラットフォームの開発: 各種評価手法から得られるマルチモーダルなデータを統合・解析し、機械学習を用いて劣化挙動を予測し、所望の耐久性を持つ新材料の分子構造を逆設計する研究。
  • 界面劣化のマルチスケールOperando分析技術の確立: 触媒-膜-GDLが接する「界面」で起こるナノスケールの構造・化学変化が、マクロな性能低下にどう繋がるかを解明するため、複数のOperando分析を同時に行う先進的技術の開発。
  • AEMにおけるCO₂被毒の定量的影響評価と対策: AEM特有の課題であるCO₂による性能低下(炭酸化)について、CO₂濃度・湿度・温度が性能と耐久性に与える影響を定量的にモデル化し、CO₂耐性の高い材料設計指針を確立する調査。

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🏷 AEMとPEMの技術概要と比較:特性評価が求められる背景

Understanding and resolving the heterogeneous degradation of ...
Anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) has seen rapid advancements over the past decade due to its promising role in green hydrogen production.
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Anion Exchange Membranes for Fuel Cell Application: A Review
「Anion Exchange Membranes for Fuel Cell Application: A Review」に関する包括的な要約を以下に提供します。 #### 序論:燃料電池とAEMFCの重要性 再生可能エネルギー源(太陽光、風力など)が天候に左右され、大規模な設備投資が必要であるのに対し、燃料電池は燃料供給が続く限り連続的に発電できるという大きな利点を持っています[1](https://www.mdpi.com#B1-polymers-14-01197)。特に、アニオン交換膜燃料電池(AEMFC)は、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)と比較して、非貴金属触媒の使用を可能にし、燃料クロスオーバーを減少させることで、より手頃なエネルギー生成デバイスとしての研究が活発化しています[19](https://www.mdpi.com#B19-polymers-14-01197), [20](https://www.mdpi.com#B20-polymers-14-01197)。AEMFCの性能を決定する中核技術はアニオン交換膜(AEM)であり、商業化にはアルカリ環境での高いイオン伝導度と耐久性が不可欠です[21](https://www.mdpi.com#B21-polymers-14-01197), [22](https://www.mdpi.com#B22-polymers-14-01197)。 #### 燃料電池の概要とAEMFCの動作原理 燃料電池技術の利用は、NASAのジェミニ(1963年)およびアポロ(1968年)宇宙計画で初めて実現されました[24](https://www.mdpi.com#B24-polymers-14-01197)。AEMFCは、OH-イオンを電荷キャリアとして利用し、PEMFCと比較してより速い電気化学的活性を実現します。AEMFCでは、アノードでの燃料の電気酸化によりH+が生成され、OH-と反応して水を生成し、電子は外部負荷を介してカソードへ移動します。カソードでは、電子が酸素と水と結合してOH-を生成します。全体的な反応は水素と酸素から水が生成されるものです[34](https://www.mdpi.com#B34-polymers-14-01197)。AEMFCはPEMFCよりも電解質のイオン抵抗率が低く(0.05Ωcm⁻² vs. 0.08Ωcm⁻²)、良好なカソード反応速度と電極分極という固有の利点を持っています。また、燃料の選択肢が広く、反応速度が向上し、燃料クロスオーバーが大幅に削減されるという特徴があります[34](https://www.mdpi.com#B34-polymers-14-01197), [40](https://www.mdpi.com#B40-polymers-14-01197)。 #### AEMFC運用における主な課題と特性評価への示唆 AEMFCの性能向上と商業化にはいくつかの重要な課題が存在し、これらの課題を理解し克服するために様々な特性評価手法が用いられています。 #### イオノマーの重要性 イオノマーは、AEMFCの性能向上に不可欠な役割を果たします。特に、アニオン交換イオノマー(AEI)は、電極に堅牢な水酸化物伝導チャネルを提供し、電気化学反応が起こる三相境界(TPB)を確立します。過剰な水分吸収は活性触媒サイトをブロックし性能低下を招くため、イオノマーの含有量を最適化し、触媒層の細孔構造における均一な被覆とガス拡散のバランスを保つことが重要です[57](https://www.mdpi.com#B57-polymers-14-01197), [58](https://www.mdpi.com#B58-polymers-14-01197)。イオノマーの分子量や親水性/疎水性ブロックの導入、架橋不動化戦略も性能に影響を与えます[58](https://www.mdpi.com#B58-polymers-14-01197), [59](https://www.mdpi.com#B59-polymers-14-01197), [60](https://www.mdpi.com#B60-polymers-14-01197)]。 #### 水管理と輸送特性 AEMFCの性能には、水管理と水輸送特性が大きく影響します。AEMは水が存在する環境でOH-イオンを伝導するため、適切な加湿レベルと水輸送特性の制御が不可欠です[63](https://www.mdpi.com#B63-polymers-14-01197)]。不適切な水管理は、アノードの水分過多(フロッディング)や膜の脱水・破壊を引き起こし、OH-伝導率の低下やセル抵抗の増加に繋がります[65](https://www.mdpi.com#B65-polymers-14-01197)]。膜の導電率は完全に水和している場合に約300倍高くなるため、水和状態の維持が燃料電池性能に必須です。水の状態を理解するための分析方法として、磁気共鳴イメージング(MRI)、中性子イメージング、電子顕微鏡、X線イメージングなどが用いられます[75](https://www.mdpi.com#B75-polymers-14-01197), [76](https://www.mdpi.com#B76-polymers-14-01197), [77](https://www.mdpi.com#B77-polymers-14-01197), [78](https://www.mdpi.com#B78-polymers-14-01197), [79](https://www.mdpi.com#B79-polymers-14-01197), [80](https://www.mdpi.com#B80-polymers-14-01197)]。これらの手法は、膜内の水分布や輸送メカニズムを非破壊的に可視化し、膜の設計と運転条件の最適化に寄与します。 #### CO2汚染の影響と劣化メカニズム CO2汚染はAEMFCの性能と耐久性を著しく低下させる大きな課題です。OH-イオンがCO2と反応して炭酸塩イオン(CO3²⁻, HCO3⁻)を生成すると、AEM中の反応可能なOH-イオンが減少し、イオン伝導度が低下します。炭酸塩イオンはOH-イオンよりも大きいため、輸送メカニズムが遅くなります[82](https://www.mdpi.com#B82-polymers-14-01197)]。高アルカリ環境下では、OH-イオンによる求核攻撃やホフマン脱離機構によりカチオン性アンモニウム基が分解され、AEMの化学的安定性が損なわれます[82](https://www.mdpi.com#B82-polymers-14-01197)]。この劣化は膜の導電率を低下させ、全体的なセル抵抗を増加させ、耐久性を損ないます。特定のAEMはCO2耐性を示すことが確認されており、高いイオン伝導度を持つAEMを使用することで炭酸化を効果的に低減できると考えられています[93](https://www.mdpi.com#B93-polymers-14-01197)]。これらの評価は、AEMの化学的安定性と耐久性を向上させるための材料設計に不可欠です。 #### アニオン交換膜(AEM)の要件と設計 AEMには、高OH-イオン伝導度、電子非伝導性、低燃料クロスオーバー、そして水和状態での物理機械的特性の維持が求められます[94](https://www.mdpi.com#B94-polymers-14-01197)]。アルカリ環境下でのOH-イオンによる求核攻撃は、ポリマー骨格やカチオン性官能基の分解を引き起こし、膜の伝導度低下や耐久性低下に繋がります[95](https://www.mdpi.com#B95-polymers-14-01197)]。イオン伝導度を高めるために官能基密度を上げると機械的強度が失われる傾向があるため、最適なバランスが必要です[96](https://www.mdpi.com#B96-polymers-14-01197)]。AEMの製造方法には以下の三つがあります。 * **物理的グラフト重合**: 高エネルギー放射線(ガンマ線、電子ビーム)を用いてポリマーに活性サイトを生成させ、これに四級アンモニウム基を含む反応性サイトをグラフトする方法です[27](https://www.mdpi.com#B27-polymers-14-01197)]。 * **化学的グラフト重合**: 前処理されたポリマー鎖に化学反応によって四級アンモニウム官能基をグラフトする方法で、高イオン伝導性AEMの開発に広く採用されています[100](https://www.mdpi.com#B100-polymers-14-01197), [101](https://www.mdpi.com#B101-polymers-14-01197), [102](https://www.mdpi.com#B102-polymers-14-01197)]。 * **重合**: 四級アンモニウム含有モノマーから重合反応によってAEMを合成する方法で、イオン交換容量(IEC)と分子量を制御できますが、機械的強度や熱安定性のさらなる研究が必要です[103](https://www.mdpi.com#B103-polymers-14-01197), [104](https://www.mdpi.com#B104-polymers-14-01197)]。 #### 主要なAEMの種類とその特性 * #### ポリビニルアルコール (PVA) ベース膜 PVAは、その良好な成膜性、親水性、反応性の高い官能基により、アルカリ固体電解質膜に適しています[107](https://www.mdpi.com#B107-polymers-14-01197)]。PVAにKOHと水をドープすることでイオン伝導度を高めることができ、例えば、PVA/PAA/KOH膜は室温で30 × 10⁻²S cm⁻¹のイオン伝導度を示しました[116](https://www.mdpi.com#B116-polymers-14-01197)]。しかし、安定性に課題があり、インターペネトレイティングポリマーネットワーク(IPN)構造の導入により、イオン伝導度、機械的特性、安定性のバランスを取る研究が進められています[125](https://www.mdpi.com#B125-polymers-14-01197)]。 | Membrane | Thickness (µm) | Conductivity (mS/cm) | Condition | Ref. | |---|---|---|---|---| | PVA (43.3 wt.%)–KOH (35.7 wt.%)–H2O (21 wt.%) | 800 | 0.13 | 25 °C | [112](https://www.mdpi.com#B112-polymers-14-01197) | | PVA–KOH–H2O (40 wt.% PVA, 25–30 wt.% KOH, 30–35 wt.% H2O) | - | 1–10 | 25 °C | [112](https://www.mdpi.com#B112-polymers-14-01197) | | PVA/KOH (20 wt.%)–H2O (30 wt.%) | - | 47 | 25 °C | [113](https://www.mdpi.com#B113-polymers-14-01197) | | PVA–PDDA (50 wt.%) | - | 2.5 | 30 °C | [114](https://www.mdpi.com#B114-polymers-14-01197) | | PVA/KOH/PEGDGE | 350 | 12 | 25 °C, 1 M KOH | [115](https://www.mdpi.com#B115-polymers-14-01197) | | PVA/PAA/KOH (60 wt.% PAA) | 200 | 300 | 25 °C | [116](https://www.mdpi.com#B116-polymers-14-01197), [117](https://www.mdpi.com#B117-polymers-14-01197)] | | PVA/KOH (50 wt.%) | - | 19.5 | 30 °C | [118](https://www.mdpi.com#B118-polymers-14-01197)] | | PVA/TEAC | - | 10 | RT | [119](https://www.mdpi.com#B119-polymers-14-01197)] | | Q-PVA (by composition mass) | - | 2.56 | 25 °C | [120](https://www.mdpi.com#B120-polymers-14-01197)] | | PVA/PAADDA (PVA/PAADDA, 1:0.5 by mass) | - | 0.74–12 | 30–90 °C | [121](https://www.mdpi.com#B121-polymers-14-01197)] | | Cross-linked PVA/PVP (PVA/PVP, 1:0.5 by mass) | - | 16–25 | 25–60 °C, 1 M KOH | [122](https://www.mdpi.com#B122-polymers-14-01197)] | | MGMC-g-PVA-DGEBA | - | 52.1 | 60 °C | [123](https://www.mdpi.com#B123-polymers-14-01197)] | | PVA-HDT (15 wt.% HDT) | - | 5.7 | 40 °C | [124](https://www.mdpi.com#B124-polymers-14-01197)] | | PVA/PEI (1:1 by mass) | - | 4.87 | 80 °C | [126](https://www.mdpi.com#B126-polymers-14-01197)] | * #### ポリスルホン (PS) ベース膜 PSは高い耐熱性と化学的不活性を持ち、燃料電池膜に適しています。特に、アルカリ媒体中での高い安定性からAEMの作製に適しています[129](https://www.mdpi.com#B129-polymers-14-01197)]。薄膜化しても機械的強度を維持できる複合膜の研究が進み、例えば、厚さ30 µmのPTFE-QDPSU複合膜は50 °Cで0.05 S cm⁻¹のイオン伝導度を達成しました[140](https://www.mdpi.com#B140-polymers-14-01197)]。ナフィオンのようなナノ相分離構造を導入することで、イオン伝導度を向上させる研究も行われています[142](https://www.mdpi.com#B142-polymers-14-01197)]。 | Membrane | Thickness (µm) | Conductivity (mS/cm) | Condition | Ref. | |---|---|---|---|---| | PTFE-quaternary 1,4-diazabicyclo-[2.2.2]-octane (DABCO) polysulfone (PTFE-QDPSU) composite membrane | 30 | 51 | 55 °C, in DI water, RH 100% | [140](https://www.mdpi.com#B140-polymers-14-01197) | | Imidazolium-functionalized block copolymer of PS | - | 23.3 | 25 °C, in DI water, RH 100% | [141](https://www.mdpi.com#B141-polymers-14-01197)] | | QPSF/PVA (7:3, w/w) | - | 23.4 | 60 °C, in DI water | [144](https://www.mdpi.com#B144-polymers-14-01197)] | | QPSF/PVA (6:4, w/w) | - | 18.2 | 60 °C, in DI water | [144](https://www.mdpi.com#B144-polymers-14-01197)] | | DABCO-functionalized crosslinked PS (PSU-DABCO–OH 58%) | - | 32.5 | 25 °C | [145](https://www.mdpi.com#B145-polymers-14-01197)] | | Aminated PS | - | 66.8 | 60 °C, in DI water | [146](https://www.mdpi.com#B146-polymers-14-01197)] | | PS with 1-methylimidazolium group | - | 84 | 80 °C, in 1 M KOH | [147](https://www.mdpi.com#B147-polymers-14-01197)] | * #### ポリフェニレンベース膜 架橋型イミダゾリウムPPO AEMは、20 °Cで23.00 mS cm⁻¹、90 °Cで54.04 mS cm⁻¹の伝導度を示しました[148](https://www.mdpi.com#B148-polymers-14-01197)]。側鎖に長いアルキル鎖を持つAEMは、優れた安定性と高いイオン伝導度(80 °Cで96.1 mS cm⁻¹)を示し、膨潤率も制限されました[149](https://www.mdpi.com#B149-polymers-14-01197)]。架橋によりアルカリ安定性が向上し、良好な相分離により高伝導度が得られることが示されています[152](https://www.mdpi.com#B152-polymers-14-01197)]。 | Membrane | Thickness (µm) | Conductivity (mS/cm) | Condition | Ref. | |---|---|---|---|---| | Bis-imidazolium based poly(phenylene oxide) membrane | - | 54.04 | 90 °C, in DI water | [148](https://www.mdpi.com#B148-polymers-14-01197) | | NC3Q-PPO-40 | - | 73.1 | 80 °C, in 1 M NaOH | [149](https://www.mdpi.com#B149-polymers-14-01197)] | | NC5Q-PPO-40 | - | 73.9 | 80 °C, in 1 M NaOH | [149](https://www.mdpi.com#B149-polymers-14-01197)] | | NC5Q-PPO-60 | - | 96.1 | 80 °C, in 1 M NaOH | [149](https://www.mdpi.com#B149-polymers-14-01197)] | | PPO-SDSU | - | 31.9 | 20 °C | [150](https://www.mdpi.com#B150-polymers-14-01197)] | | PPO-TMA-C5 | - | 21.3 | 80 °C, in DI water | [151](https://www.mdpi.com#B151-polymers-14-01197)] | | cQPH (hexyl acyl chain) | - | 105 | 80 °C | [152](https://www.mdpi.com#B152-polymers-14-01197)] | | 3QA16C25-3O25 | - | 21.3 | 30 °C | [153](https://www.mdpi.com#B153-polymers-14-01197)] | | 3QA16C16-3O16 | - | 50.0 | 30 °C | [153](https://www.mdpi.com#B153-polymers-14-01197)] | * #### イオン液体ベース膜 イオン液体(IL)は、高温での高い伝導性と安定性を持つ新規AEMとして注目されています[103](https://www.mdpi.com#B103-polymers-14-01197), [104](https://www.mdpi.com#B104-polymers-14-01197), [154](https://www.mdpi.com#B154-polymers-14-01197)]。イミダゾリウム系ILsは高pH条件下で優れたアルカリ安定性を示し、ブロックコポリマー化により水溶性の問題が克服されています[155](https://www.mdpi.com#B155-polymers-14-01197)]。ビスイミダゾリウムベースのILsモノマーをUV照射で架橋したAEMは、2.5 × 10⁻²S cm⁻¹の伝導度と良好な長期安定性を示しました[156](https://www.mdpi.com#B156-polymers-14-01197)]。 | Membrane | Thickness (µm) | Conductivity (mS/cm) | Condition | Ref. | |---|---|---|---|---| | AmimCl:MMA = 6:1 (mole ratio) | 33.1 | 33.3 | 30 °C, in DI water | [103](https://www.mdpi.com#B103-polymers-14-01197) | | PIL/DVB-40-DVB2 | - | 21.5 | 80 °C, in DI water | [105](https://www.mdpi.com#B105-polymers-14-01197)] | | [PABMHM]40[OH]2 | - | 25 | 60 °C, in DI water | [156](https://www.mdpi.com#B156-polymers-14-01197)] | | VMI-co-VBI (Feed ratio of (IILs/Styrene, mole) | - | 22.6 | 30 °C | [157](https://www.mdpi.com#B157-polymers-14-01197)] | | Crosslinked b-VIB/p-MS | - | 73.1 | 100 °C | [158](https://www.mdpi.com#B158-polymers-14-01197)] | * #### ポリオレフィンベース膜 ポリオレフィンベースAEM、特に放射線グラフト(RG-AEM)は、燃料電池の性能を大幅に向上させました。高エネルギー放射線でポリオレフィン材料の表面に活性サイトを生成し、その後グラフト重合と四級化を行います[162](https://www.mdpi.com#B162-polymers-14-01197), [163](https://www.mdpi.com#B163-polymers-14-01197), [164](https://www.mdpi.com#B164-polymers-14-01197)]。これにより、高イオン伝導度、安定性、高速水輸送特性を持つAEMが実現されます。直接重合では、化学構造や組成を調整して最適化されたAEMを得ることが可能です[168](https://www.mdpi.com#B168-polymers-14-01197)]。 | Type | Membrane | Thickness (µm) | Conductivity (mS/cm) | Condition | Ref. | |---|---|---|---|---|---| | Radiation grafting | Polyethylene-based membrane (PE-g–PVBC–TOH) | 85–95 | 47.5 | 90 °C, in DI water | [159](https://www.mdpi.com#B159-polymers-14-01197)] | | | PVDF-g-PVBTMAOH membranes, g = 54% | 150–200 | 25 | 60 °C, 1 M KOH | [166](https://www.mdpi.com#B166-polymers-14-01197)] | | | FEP-g-PVBTMAOH membranes, g = 25.6% | 150–200 | 20 | 60 °C, 1 M KOH | [166](https://www.mdpi.com#B166-polymers-14-01197)] | | | ETFE-based AEM (IEC = 1.6 meq g⁻¹) | 50 | 50 | 80 °C, in DI water, OH⁻ | [86](https://www.mdpi.com#B86-polymers-14-01197)] | | | ETFE-based AEM (IEC = 2.10 mmol g⁻¹) | 50 | 185 | 80 °C, in DI water | [167](https://www.mdpi.com#B167-polymers-14-01197)] | | Direct polymerization | Crosslinked poly(norbornene) AEM (IEC = 1.0 mmol g⁻¹) | - | 14 | 20 °C | [168](https://www.mdpi.com#B168-polymers-14-01197)] | | | Crosslinked poly(cyclooctene) AEM (IEC = 1.34 mmol g⁻¹) | - | 498 | 20 °C | [175](https://www.mdpi.com#B175-polymers-14-01197)] | | | Crosslinked poly(norbornene) based on ruthenium ion | - | 11.2 | 25 °C | [177](https://www.mdpi.com#B177-polymers-14-01197)] | * #### 有機-無機ハイブリッド膜 ナノスケール材料を有機ポリマーマトリックスと組み合わせることで、剛性、高い熱安定性、良好な機械的特性といった利点が得られます[179](https://www.mdpi.com#B179-polymers-14-01197), [180](https://www.mdpi.com#B180-polymers-14-01197), [181](https://www.mdpi.com#B181-polymers-14-01197)]。例えば、四級化キトサンとグラフェン酸化物をPPOマトリックスに組み込んだAEMは、25 °Cで約114 mS cm⁻¹、80 °Cで約215 mS cm⁻¹という高いOH-伝導度を示しました[189](https://www.mdpi.com#B189-polymers-14-01197)]。 | Membrane | Thickness (µm) | Conductivity (mS/cm) | Condition | Ref. | |---|---|---|---|---| | PVA/DGBE-15/SiO2-5 | 140 | 7.14 | 25 °C, in DI water | [185](https://www.mdpi.com#B185-polymers-14-01197)] | | DABCO–cellulose nanofibers cross-linked QPSfDMC2 | - | 128 | 80 °C | [186](https://www.mdpi.com#B186-polymers-14-01197)] | | Cross-linked QPSf-DMC-2 (2 wt.% quaternized chitosan) | - | 94 | 70 °C | [187](https://www.mdpi.com#B187-polymers-14-01197)] | | Quaternized GO/cellulose/PPO (1/1/100 wt.%) | - | 215 | 80 °C | [189](https://www.mdpi.com#B189-polymers-14-01197)] | | QPVA/CS/MoS2 composite—QPVA/CS/MoS2-0.2 | - | 30.6 | 80 °C | [190](https://www.mdpi.com#B190-polymers-14-01197)] | | QPOSS/QPSU composite (3% QPOSS) | - | 53.6 | 80 °C | [191](https://www.mdpi.com#B191-polymers-14-01197)] | | QPAES/nano-ZrO2 composite (ZrO2 content more than 7.5%) | - | 41.4 | 80 °C | [192](https://www.mdpi.com#B192-polymers-14-01197)] | | Quaternized cellulose/PPO (2 wt.% QC) | - | 228 | 80 °C | [193](https://www.mdpi.com#B193-polymers-14-01197)] | #### 結論と今後の展望 AEMFCの商業化には、DOEが設定した目標(例えば、2025年までに0.65Vで1 W cm⁻²のピーク電力性能、PGMフリーMEAの達成など)を満たす必要があります[198](https://www.mdpi.com#B198-polymers-14-01197)]。触媒の観点からは有利ですが、燃料電池がより高い耐久性と出力(体系的な分析とトレードオフを通じて)を達成するためには、特定の側面に対応する内容に焦点を当てるのではなく、システム全体として取り組む必要があります。今後のAEMFC開発では、高イオン伝導度、高いカチオン性ヘッドグループの安定性、優れた水分管理、CO2耐性、そして低い燃料クロスオーバー特性を兼ね備えたAEMの開発が鍵となります。
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Water Electrolysis Technologies and Their Modeling Approaches
... experimental setup [62] (c) plot between voltage and current in AWE ... Realizing Superior Durability of Water Electrolyzer Using Anion Exchange Membrane ...
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Recent advances in anion exchange membranes
Anion exchange membrane (AEM), as a kind of key membrane materials, has shown great application pote...
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Advancements in commercial anion exchange membranes: A review of membrane properties in water electrolysis applications
The need for green hydrogen through water electrolysis has propelled advancements in Anion Exchange ...
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The Ultimate Next-Generation E
The Ultimate Next-Generation Energy: Following the Cutting-Edge Development of AEM Water Electrolysi...
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調査のまとめ
AEM(陰イオン交換膜)およびPEM(プロトン交換膜)の耐久性向上は、クリーンエネルギー技術の普及に向けた重要な課題です。その鍵を握るのが、劣化メカニズムを正確に理解するための高度な特性評価手法です。...

🏷 性能劣化を捉える基本特性評価手法:電気化学的・物理化学的アプローチ

Electrochemical Characterization and Simulation of Ion Transport in ...
The technical specifications for the commercial anion exchange membrane are listed in Table 1. The main reagent used in the electrochemical characterization ...
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A review of the synthesis and characterization of anion exchange ...
#### AEM合成と特性評価レビューの概要 本レビューは、アニオン交換膜(AEM)のヘッドグループ、ポリマー構造、および膜合成方法における最近の進歩に焦点を当てています。AEMの研究は、主にAEM燃料電池やAEM水電解といった高pH・高温環境下での用途に適したAEMを開発する必要性によって推進されています。同時に、AEMの特性評価に用いられる現在の分析手法の限界についても議論されています。 #### AEMのヘッドグループとポリマー構造の進化 AEMのヘッドグループは、大別して以下の3種類に分類されます。 * **窒素ベース**: 第四級アンモニウムなど。 * **窒素フリー**: ホスホニウムなど。 * **金属カチオン**: ルテニウムなど。 特に金属カチオンヘッドグループは、その高い安定性と高価数から、AEMにとって非常に有望な選択肢として注目されています。 さらに、「合理的なポリマー構造」を設計することにより、イオンチャネルを備え、化学的安定性を向上させたAEMの合成が可能であることが示されています。 #### 新しい膜構造:不均一膜の可能性 多孔質支持体や無機ナノ粒子を用いた不均一膜は、大きな可能性を秘めています。これらの膜では、ポリマーと多孔質支持体またはナノ粒子の比率を調整することで、膜の特性を細かくチューニングすることができます。これは、高性能なAEM開発において重要な柔軟性を提供します。 #### 特性評価手法の現状と今後の研究方向性 レビューでは、現在のAEM特性評価のための分析手法に限界があることが指摘されています。今後の研究では、AEMヘッドグループにおける進歩と、最適化されたポリマー構造を不均一膜で統合することが重要であると提言されています。これにより、ヘッドグループの使用によって得られる化学的安定性の向上と、イオンチャネルを持つポリマー構造および多孔質支持体やナノ粒子を用いることによる膜特性改善という利点を結びつけることが期待されます。
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Fabrication and Characterization of Anionic Composite Membranes ...
In this study, we present a novel approach to anion-exchange membrane (AEM) fabrication by employing electrospun polysulfone (PSU) as the structural membrane ...
nih.govnih.gov
Laser scribed proton exchange membranes for enhanced fuel cell ...
A review on the proton-exchange membrane fuel cell break-in physical principles, activation procedures, and characterization methods. J. Power Sour. 575 ...
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Development of Characterization Techniques to Study Chemical ...
We here show the characterization techniques we have developed to study the chemical degradation of proton-exchange membrane fuel cells with a focus on ...
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Dissociative electrochemical analysis of materials degradation of an ...
We propose a methodology to individually compare the degradation of key components in AEM electrolysers: hydrogen evolution reaction (HER) catalyst, oxygen ...
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Understanding the Cell Performance Along the Channel for ...
Voltage Breakdown Analysis. The voltage breakdown of a polarization curve into the ohmic, kinetic, and residual overpotentials is a widely used method for PEM ...
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Identifying and Quantifying Loss Sources in Anion-Exchange ...
... experimental setup). The exit liquid streams containing gases from the ... Durability of Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers. Energy Environ ...
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Experimental evaluation of electrochemically mediated amine ...
Section 2 provides a detailed description of the experimental setup, covering all critical components and subsystems. ... 4. Anion exchange membrane (Celgard 3501) ...
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Electrochemical N–N Oxidatively Coupled Dehydrogenation ...
by J Li · 2025 · Cited by 2 — ... ion-exchange membrane is required to prevent gas crossover. (6) Third ... Additional experimental details, materials, and methods; SEM and TEM images ...
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Enhanced Proton-Selective Hybrid Polybenzimidazole ...
... ion exchange membrane composites. (46,47) These bridges improve polymer ... Additional experimental details, materials, and methods; DSC analysis and ...
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Dissociative electrochemical analysis of materials degradation of an anion exchange membrane electrolyser
# Dissociative electrochemical analysis of materials degradation of an anion exchange membrane elect...
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調査のまとめ
### 回答 ご依頼に基づき、アニオン交換膜(AEM)およびプロトン交換膜(PEM)の特性評価手法について、調査結果を整理しました。各手法の目的、プロトコル、期待される結果、そして劣化メカニズム解明...

🏷 劣化メカニズムの核心に迫る先進技術:加速劣化試験(AST)とOperando分析

Structure, design, and advanced characterization techniques of ...
#### 燃料電池(PEMFC)の概要と重要性 プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)は、特に新エネルギー車分野において、エネルギー変換技術として大きな注目を集めています。PEMFCの核となる構成要素は膜電極接合体(MEA)であり、これはプロトン交換膜(PEM)、ガス拡散層(GDL)、そして触媒層(CL)から構成されます。特に触媒層は、電気を生成する電気化学反応の中心的な場となります。 #### 触媒インクと触媒層の構造設計 PEMFCの性能、耐久性、コストに大きな影響を与えるのは、最新鋭の材料だけでなく、触媒インクの特性と触媒層の形成手順も挙げられます。触媒インクの各成分間の相互作用、CLの形成手順、および不均一なCL構造が全体的な性能にどのように影響するかはまだ十分に解明されていません。そのため、本レビューでは触媒インクの分散方法における最近の進歩、インク材料間の複雑な相互作用、触媒インクの安定性を向上させる新しいプロセスに焦点を当てています。さらに、高度なCL構造設計とその燃料電池性能への影響、CL構造のより深い分析のための高度な技術についても詳しく説明されています。 #### 燃料電池産業の現状 PEMFC技術は、炭素排出ゼロで化学エネルギーを電気エネルギーに変換できる有望なクリーンエネルギーソリューションとして位置づけられています [[1], [2], [3]]。日本におけるNEDOのFCVおよびHDV燃料電池技術開発ロードマップや、米国エネルギー省が発表した2024年のPEMFC多年度プログラム計画など、多くの国がPEMFC車両開発政策を打ち出していることから、車両への応用は新たな段階に到達しています。トヨタのMiraiやヒョンデのNexoなど、多くの自動車企業が燃料電池車を発売しています [[4], [5]]。特に中国では2020年から燃料電池車の実証運行を開始し、その数は20,000台を超えています。これは燃料電池産業が急速な発展期に入った明確な兆候です。 #### 触媒層(CL)の要件と特性 PEMFCの高性能化の要求を満たすためには、触媒層は大きな電気化学反応面積、高い電気化学的反応性、速い電子輸送、迅速なプロトン伝導性、低い酸素輸送抵抗を備えている必要があります [[6], [7], [8]]。CLはアイオノマーと触媒から構成されており、アイオノマーは触媒粒子集合体の内部または外部表面を覆い、結合剤およびプロトン伝導チャネルとして機能します [[9], [10], [11], [12]]。高いプロトン伝導性に加えて、アイオノマーは高い酸素透過性も持つべきです。また、アイオノマーの被覆率、厚さ、三次元ネットワークは、PEMFCの性能に影響を与える主な要因です。さらに、CL構造は常に触媒インクの特性とCL形成方法によって決定されます [[13], [14], [15]]。 #### 触媒インクの組成と影響 触媒インクは、溶媒、アイオノマー、触媒粒子の3つの主要成分から構成される複雑な流体です。新しいタイプの材料の開発は、CLインクの特性を調整する上で中心となります。また、アイオノマーとカーボン担体(I/C比)の比率も、CLインクの特性を調整するために慎重に設計すべき重要な要因です。溶媒とアイオノマー間の相互作用は、アイオノマーの形態やアイオノマーネットワークにも影響を与える可能性があります [[16], [17], [18], [19]]。したがって、誘電率や溶解度パラメータなどの溶媒パラメータを考慮する必要があります。さらに、溶媒と触媒粒子間の相互作用は、粒子クラスター凝集体の分布、サイズ、構造、およびインクの安定性に影響を与える可能性があります [[20], [21]]。触媒インクの分散方法も、粘度やアイオノマーと粒子間の相互作用などの特性に影響を与えます [[22], [23], [24]]。 #### 触媒層の製造と構造設計 触媒層構造の設計は、科学研究と産業応用の両方でホットな話題となっています [[25], [26]]。近年、低白金(Pt)担持量と低い物質移動抵抗を持つ高性能CLを設計するために多くの努力が払われており、これはアイオノマー分布の調整、多段階細孔構造の実装、CL厚さの制御によって達成されています [[27], [28], [29], [30]]。高度な機器と設備の開発に伴い、CL製造のための様々な装置が登場しています [[31], [32], [33]]。固形分含有量と粘度に基づいて、実験室でのCL合成には超音波スプレー法が頻繁に使用されますが、スロットダイコーティングは工業生産で最も一般的な方法とされています [[3], [34], [35]]。CL形成プロセス中の乾燥ステップは、CLの細孔構造と表面形態を決定する重要な手順です [[36], [37]]。 #### 触媒層の高度な特性評価技術 触媒層の高度な特性評価技術の開発は、CLの微細構造を正確に分析し、構造と機能の関係を深く理解するために重要であり、CL構造設計と製造方法に対する信頼性の高い指針を提供します [[149], [154], [189]]。X線回折(XRD)、走査型電子顕微鏡(SEM)、X線光電子分光法(XPS)は、CL構造と化学組成を評価するために一般的に使用される装置です [[25], [41], [42]]。しかし、これらの装置から白金(Pt)の炭素基板上の位置やアイオノマーの分布など、より精密な構造情報を得ることは困難です。これまで、X線コンピュータ断層撮影(nano-CT) [[41], [43]]や電子トモグラフィー取得技術 [[44], [45]]など、他の多くの高度な特性評価技術がCLに適用されてきました。Nano-CTは、触媒層の内部構造の高解像度三次元画像を提供でき、CL内の輸送および反応メカニズムを理解し、燃料電池の性能と寿命を向上させるのに役立ちます [[46]]。電子トモグラフィー取得は、深層学習の助けを借りて、触媒の位置からアイオノマーの形態まで、多スケールのCL構造情報を取得できます [[47], [48]]。
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Advanced testing methods for proton exchange membrane ...
Research on proton exchange membrane water electrolysis for renewable hydrogen production is rapidly advancing worldwide, driven by the imperative to reduce ...
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[PDF] Experimental assessment of Proton Exchange Membrane Fuel Cell ...
[57] Fuel Cell Tech Team Accelerated Stress Test and Polarization Curve Protocols for PEM Fuel. Cells, Energy.Gov. (n.d.). https://www.energy.gov/eere ...
hal.sciencehal.science
[PDF] Accelerated stress testing in proton exchange membrane ... - HAL
Accelerated stress test for proton exchange membrane water electrolysis. Accelerated protocols have been poorly explored for electrolysis, while for fuel ...
hal.sciencehal.science
Operando Raman Spectroscopy Reveals Degradation ...
by DS Maxwell · 2024 · Cited by 3 — ... ion exchange membrane in a zero-gap configuration that allows for increased ... Additional experimental details, images of cell setup, Raman spectra ...
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Advanced testing methods for proton exchange membrane electrolysis stacks
Research on proton exchange membrane water electrolysis for renewable hydrogen production is rapidly...
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Parameter characterization of PEM fuel cell mathematical models using an orthogonal learning-based GOOSE algorithm - Scientific Reports
## Abstract In this paper, a new method is designed to effectively determine the parameters of prot...
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調査のまとめ
## AEMおよびPEMの特性評価手法と劣化メカニズム解明への貢献 アニオン交換膜(AEM)およびプロトン交換膜(PEM)燃料電池・水電解セルの性能と耐久性を向上させるためには、構成材料の特性を正確...

🏷 統合的分析による劣化シナリオの解明と次世代材料開発への応用

Complex Degradation Mechanisms Accessible to Anion Exchange ...
We detail the chemical degradation mechanisms present during the making of ionomer–catalyst inks and also in the presence of the hydroxide ion (the first step ...
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🏷 AEMの多岐にわたる応用分野

🏷 研究成果の再現性を高める実験プロトコル情報の活用

📖 レポートに利用されていない参考文献

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Recent advances in anion exchange membranes - ScienceDirect.com
This review summarizes the research progress of anion exchange membranes in preparation methods ... Review of cell performance in anion exchange membrane fuel ...
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Advancements in commercial anion exchange membranes
Hence, it is common practice to operate anion exchange membrane water electrolysis at increased temperatures varying from 60 °C to 80 °C. This operation ...
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Multiscale Understanding of Anion Exchange Membrane Fuel Cells ...
Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) are among the most promising sustainable electrochemical technologies to help solve energy challenges.
wiley.comwiley.com
Recent Advances and Challenges in Anion Exchange Membranes ...
anion exchange membrane water electrolysis: A review of recent developments in critical materials and operating conditions. Sustain. Energy Fuels 2020,4, 2114– ...
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Research progress on alkaline anion exchange membranes (AEMs ...
The alkaline anion exchange membrane (AEM) water electrolysis technology has advantages of low cost, high current density, and fast dynamic response, ...
sciopen.comsciopen.com
Investigating Cathode Ionomer Content and Assembly Techniques ...
Anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) offers a promising solution for achieving large-scale, low-cost hydrogen production.
acs.orgacs.org
[PDF] Designing anion exchange membranes for CO2 electrolysers
Review and analysis of PEM fuel cell ... Alkaline Anion-Exchange Membrane Fuel Cells: · Challenges in Electrocatalysis and Interfacial Charge Transfer.
scholaris.cascholaris.ca
Comprehensive Review of Anion Exchange Membrane with Ether and ...
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Recent advances in electrocatalysts for anion exchange membrane ...
oaepublish.comoaepublish.com
Protocol for Evaluating Anion Exchange Membranes for Nonaqueous ...
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Recent advancements in the synthesis of anion exchange membranes ...
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Anion-Exchange Membranes' Characteristics and Catalysts for ...
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Impedance Response Analysis of Anion Exchange Membrane ...
wiley.comwiley.com
Anion Exchange Membrane types. | Download Scientific Diagram
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A comprehensive review of the state-of-the-art of proton exchange ...
The proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) technology has been developed to offer high voltage efficiencies at high current densities. Besides, ...
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Experimental and Simulation Study of Proton Exchange Membrane ...
A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is an energy conversion device that can convert hydrogen energy into electric energy. PEMFCs offer advantages such ...
nih.govnih.gov
Parameter characterization of PEM fuel cell mathematical models ...
In this paper, a new method is designed to effectively determine the parameters of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), i.e., ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 , ξ 4 ...
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Characterization of Porous Transport Layers Towards the ...
This review describes advancements in porous transport layer (PTL) development and characterization for proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE).
wiley.comwiley.com
Proton Exchange Membrane Electrolysis Revisited - MDPI
This review critically examined the advancements and challenges associated with proton exchange membrane electrolyzer cells (PEMECs), focusing on materials, ...
mdpi.commdpi.com
A review of proton exchange membranes modified with inorganic ...
This review gives an overview of the application of inorganic nanoparticles in the proton exchange membrane (PEM) of direct methanol fuel cells (DMFCs).
rsc.orgrsc.org
Advanced materials and fabricating approaches for proton ...
We comprehensively review the advancements in electrodes and electrolyte of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and their underlying working ...
wiley.comwiley.com
A recent overview of proton exchange membrane fuel cells ...
sciencedirect.comsciencedirect.com
Proton Exchange Membrane Fuel Cell Catalyst Layer Degradation ...
mdpi.commdpi.com
Investigating degradation & mitigation strategies for proton ...
sciencedirect.comsciencedirect.com
Comprehensive review on the advances and comparisons of proton ...
sciencedirect.comsciencedirect.com
Structural and Transport Properties of Hydrophilic and Hydrophobic ...
mdpi.commdpi.com
Revolutionizing proton exchange membrane fuel cell modeling ...
nature.comnature.com
Developing long-durability proton-exchange membrane fuel cells ...
sciencedirect.comsciencedirect.com
Proton Exchange Membranes | FOM Technologies
fomtechnologies.comfomtechnologies.com
Experimental and Simulation Study of Proton Exchange Membrane Fuel ...
mdpi.commdpi.com
(a) Schematic diagram of degradation mechanisms ... - ResearchGate
(a) Schematic diagram of degradation mechanisms by electrochemical phenyl oxidation, 109 hydrogenation and cation-hydroxide-water co-adsorption.
researchgate.netresearchgate.net
Following the Cutting-Edge Development of AEM Water Electrolysis ...
To this end, a method to verify the service life must be established after clarifying the degradation mechanism. “To create a product, we need to gradually ...
fujielectric.comfujielectric.com
[PDF] Techno-economic analysis with electrolyser degradation modelling ...
For a PEM electrolyser at low constant power, another study has indicated a degradation rate of 20 μV∕h, which rises to 196 μV∕h at constant rated power [19], ...
port.ac.ukport.ac.uk
a) Degradation mechanism of alkyl quaternary ammonium; Reproduced ...
researchgate.netresearchgate.net
Scheme 3. Degradation mechanisms for M1 and PES-based AEM in NaOH ...
researchgate.netresearchgate.net
Full article: Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers: An Overview
tandfonline.comtandfonline.com
[PDF] Recovery, Regeneration, and Reapplication of PFSA Polymer from ...
WE was subjected to an accelerated stress test (AST) under highly oxidative conditions. To resemble the highly acidic conditions of a PEMFC, 1 M sulfuric ...
sdu.dksdu.dk
[PDF] Recent Progress in Understanding the Catalyst Layer in Anion ...
accelerated stress test development as a Durability Liaison for the H2NEW consortium. Previously, he worked in several areas related to electrochemical ...
nrel.govnrel.gov
[PDF] 3D-structured electrocatalysts for improved mass-transfer in proton ...
AST: Accelerated stress test. CL: Catalyst layer. CNT: Carbon nanotubes. DOE (or US DOE): (United states) Department of Energy. ECSA: Electrochemical surface ...
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[PDF] H2NEW: Hydrogen (H2) from Next-Generation Electrolyzers ... - NREL
Accelerated Stress Test Development. Task 2 (Performance): Performance benchmarking, baselining, validation; Cell performance testing in support of electrode ...
nrel.govnrel.gov
[PDF] Manuscript_42b614bca065a3d3...
At the end of Part I, available accelerated stress test protocols for. Page 5. cell components are described according to the operating conditions, tested ...
sciencedirect.comsciencedirect.com
[PDF] Loading Iridium Electrodes for PEM Water Electrolysis
This was further complemented by accelerated stress test operation for more than 1000 h without compromising the high activity of the PEMWE catalysts. 2 ...
bwise.krbwise.kr
[PDF] 2024 - Hydrogen Production Technologies Subprogram Overview
... accelerated stress test development, lack of background information from ... materials from PEM water electrolysis and AEM water electrolysis (including adhesives) ...
energy.govenergy.gov
[PDF] Analysis of proton exchange membrane fuel cells operated at ... - DiVA
In the case of vehicle applications, typically the accelerated stress test for PEMFCs is constituted by quick load changes to mimic the LDVs driving profiles.
diva-portal.orgdiva-portal.org
Accelerated Stress Test (AST) Development
energy.govenergy.gov
MASTER THESIS ''ACCELERATED STRESS TESTING PROTOCOLS OF PROTON ...
core.ac.ukcore.ac.uk
JOIN VOLTACHEM'S COMMUNITY: WWW.VOLTACHEM.COM/COMMUNITY
voltachem.comvoltachem.com
Advances in benchmarking and round robin testing for PEM water ...
nrel.govnrel.gov
Multi-criteria optimization of electrode materials for anion exchange ...
Anion exchange membrane water electrolysis is a novel technology that is ... As these could have led to damages to the experimental setup and would ...
sciencedirect.comsciencedirect.com
Advancing the Co‐Based Anode Catalysts Using Ionomers in Pure ...
Advancing the Co-Based Anode Catalysts Using Ionomers in Pure-Water Anion Exchange Membrane Electrolyzers ... a) Schematic of the experimental setup for membrane ...
wiley.comwiley.com
Transport of Hydrogen Through Anion Exchange Membranes in ...
of hydrogen through a number of solution and diffusion steps. However, in their experimental setup, the membrane is not sub- ... Anion exchange membrane water ...
researchgate.netresearchgate.net
Anion-Exchange Membrane Oxygen Separator - ACS Publications
Anion-Exchange Membrane Oxygen Separator. Click to copy article link ... It must be noted that our experimental setup utilized an O2/N2 mixture as a ...
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Scalable synthesis of NiFe-layered double hydroxide for efficient ...
... anion exchange membrane water electrolyzer operating at 70 °C, our material ... The experimental setup involved a continuously stirred solution ...
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Influence of Contact Pressure on Hydrogen Crossover and ...
Anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) holds the potential to ... The experimental setup comprised two electrolyte chambers for anode and ...
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Electrochemical H/D isotope separation - RSC Publishing
Anion-exchange membrane water electrolysis (AEMWE) is an advanced technology ... The experimental setup, based on water electrolysis, produces gas products at the ...
rsc.orgrsc.org
Literature Review:Solar Power Based Hydrogen Generation Using ...
appropedia.orgappropedia.org
How Chemical Nature of Fixed Groups of Anion-Exchange Membranes ...
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Representative experimental set up for (A) in situ MEA measurement ...
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Frontiers | Experimental optimization of the Nafion® ionomer ...
frontiersin.orgfrontiersin.org
Preparation of BPPO-based anion exchange membranes. | Download ...
researchgate.netresearchgate.net
Impact of the PiperION Anion Exchange Membrane Thickness on the ...
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Role of the Ionomer in Supporting Electrolyte-Fed Anion ...
AEMWEs also commonly utilize an ion exchange membrane and corresponding ionomer to provide transport for ions through the cell. ... Materials and Methods.
acs.orgacs.org
Operando Raman Spectroscopy Reveals ...
by DS Maxwell · 2024 · Cited by 3 — polymer ion exchange membrane in a zero-gap configuration that allows for increased oxygen and hydrogen compression with high efficiencies and hydrogen ...
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Upcycling Spent Battery Leachates with Selective and Bipolar ...
Mechanistic insights into the degradation of monovalent selective ion exchange membrane towards long-term application of real salt lake brines. J. Membr ...
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The Effects of Morphology and Hydration on Anion Transport ...
Materials and Methods. Click to copy section linkSection link copied ... Amphoteric Ion Exchange Membrane Synthesized by Direct Polymerization for Vanadium Redox ...
acs.orgacs.org
Block Copolymer-Based Membranes for Vanadium Redox ...
by S Swaby · 2024 · Cited by 3 — Additional experimental details and results obtained in the characterization ... ion-exchange membrane. PP. polypropylene. SPEEK. sulfonated polyether ...
acs.orgacs.org
Coated Bipolar Membranes with Improved Forward Bias ...
Materials and Methods. Click to copy section linkSection link copied ... Ion-Exchange Membrane Systems. J. Colloid Interface Sci. 2006, 300 (2), 655 ...
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Proof of Concept for the Organic Electrorefinery Technology ...
by J Parrilla · 2024 · Cited by 4 — Materials and Methods. Click to copy section linkSection link copied ... ion exchange membrane to the cathode was slower than the oxidn. reactions ...
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In-Situ Ionomer-Free Catalyst-Coated Membranes for Anion Exchange ...
acs.orgacs.org
Exploration of Optimum Configurations of Electro-Assisted ...
acs.orgacs.org
Enhancing Mass Transfer in Anion Exchange Membrane Water ...
acs.orgacs.org
Ion Transport Channels Created by Anion Exchange Resin in Four ...
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Mechanism of Selective Ion Removal in Membrane Capacitive ...
acs.orgacs.org
Ionic Exchange Mechanism in Electrical Double Layer Induced by ...
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    • 🏷性能劣化を捉える基本特性評価手法:電気化学的・物理化学的アプローチ
    • 🏷劣化メカニズムの核心に迫る先進技術:加速劣化試験(AST)とOperando分析
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