ガス拡散電極

ガス拡散電極（GDE）は、固体、液体、気体の界面と、液体と気体相の間の電気化学反応を促進する電気伝導触媒が結合した電極です。 ^[¹^]

原理

燃料電池において、ガス拡散電極（GDE）は酸素と水素を反応させて水を生成すると同時に、化学結合エネルギーを電気エネルギーに変換します。通常、触媒は多孔質箔に固定され、液体とガスが相互作用できるようにします。これらの濡れ特性に加えて、ガス拡散電極は、低い抵抗で電子輸送を可能にするために、最適な電気伝導性を備えていなければなりません。

GDEの動作には、電極の細孔系に液相と気相が共存することが重要な前提条件であり、これはヤング・ラプラス方程式で証明できます。

p={\frac {2\ \gamma \cos \theta }{r}}

ガス圧pは、細孔システム内の液体と、細孔半径r、液体の表面張力 γ 、および接触角 θ に関連しています。この式は、未知または達成が困難なパラメーターが多すぎるため、決定のためのガイドとして受け止めてください。表面張力を考慮する場合、固体と液体の表面張力の差を考慮する必要があります。しかし、炭素上の白金や銀などの触媒の表面張力はほとんど測定できません。平面上の接触角は顕微鏡で決定できます。ただし、単一の細孔を調べることはできないため、電極全体の細孔システムを決定する必要があります。したがって、液体とガス用の電極領域を作成するために、異なる細孔半径 r を作成するように、または異なる濡れ角 θ を作成するように経路を選択できます。

焼結電極

この焼結電極の画像では、3つの異なる粒径が使用されていることがわかります。それぞれの層は以下のとおりです。

細粒材料の最上層
異なるグループのレイヤー
粗粒材料のガス分配層

1950年代から1970年代にかけて焼結法で製造された電極のほとんどは燃料電池用でした。しかし、この方式は経済的な理由から中止されました。電極は厚くて重く、一般的な厚さは2mmだったのに対し、個々の層は非常に薄く、欠陥のないものでなければならなかったからです。販売価格が高すぎたため、電極の継続的な生産は不可能でした。

動作原理

この図はガス拡散の原理を示しています。いわゆるガス分配層は電極の中央にあります。わずかなガス圧で、電解質はこの細孔システムから排除されます。小さな流れ抵抗により、ガスは電極内部を自由に流れることができます。わずかに高いガス圧では、細孔システム内の電解質は作業層に制限されます。表面層自体には細かい細孔があるため、圧力がピークになっても、ガスは電極を通って電解質に流れ込むことができません。このような電極は、散乱とそれに続く焼結またはホットプレスによって製造されました。多層電極を製造するために、微粒子材料を金型に散乱させて平滑にします。次に、他の材料を多層に塗布し、圧力をかけます。この製造はエラーが発生しやすいだけでなく、時間がかかり、自動化が困難でした。

接合電極

1970年頃から、PTFEは親水性と疎水性の両方の特性を持ち、化学的に安定しており、バインダーとして使用できる電極の製造に利用されています。つまり、PTFEの割合が高い場所では電解質が細孔系に浸透できず、逆にPTFEの割合が高い場所では電解質が細孔系に浸透できないことを意味します。その場合、触媒自体は非疎水性である必要があります。^{[ 2 ]}

バリエーション

PTFE 触媒混合物を製造するには、2 つの技術的なバリエーションがあります。

水、PTFE、触媒、乳化剤、増粘剤などの分散液。
PTFE粉末と触媒粉末の乾燥混合物

分散法は主にポリマー電解質を用いた電極に選択され、プロトン交換膜燃料電池（PEM燃料電池）やプロトン交換膜（PEM）または塩酸（HCL）膜電気分解において成功裏に導入されています。液体電解質を使用する場合は、乾式プロセスがより適しています。

また、分散法（水の蒸発とPTFEの340℃での焼結）では機械的な加圧が省略されるため、生成される電極は非常に多孔質になります。急速乾燥法では電極に亀裂が生じ、液体電解質が浸透する可能性があります。亜鉛空気電池やアルカリ燃料電池など、液体電解質を使用する用途では、乾式混合法が用いられます。

触媒

酸性電解液では、触媒としては通常、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウムなどの貴金属が用いられます。亜鉛空気電池やアルカリ燃料電池などのアルカリ電解液では、炭素、マンガン、銀、ニッケルフォーム、ニッケルメッシュなどの安価な触媒が用いられるのが一般的です。

応用

当初、グローブ電池には固体電極が使用されていましたが、フランシス・トーマス・ベーコンはベーコン燃料電池に初めてガス拡散電極を使用し、^{[ 3 ]}高温の水素と酸素を電気に変換しました。長年にわたり、ガス拡散電極は以下のような様々なプロセスに応用されてきました。

生産

GDEはあらゆるレベルで生産されています。研究開発企業だけでなく、大企業でも、燃料電池やバッテリー装置に使用される膜電極接合体（MEA）の製造に利用されています。GDEの大量生産を専門とする企業としては、ジョンソン・マッセイ、ゴア、ガスカテルなどが挙げられます。また、FuelCellStore、FuelCellsEtcなど、様々な形状、触媒、充填量などを評価することができるカスタムまたは少量生産のGDEを生産している企業も数多くあります。

参照

参考文献

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^フランシス・トーマス（トム）・ベーコン. chem.ch.huji.ac.il
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[2] Bidault, F.; et al. 「アルカリ燃料電池の新しいカソード設計」（PDF） .インペリアル・カレッジ・ロンドン. p. 7. 2011年7月20日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2013年4月19日閲覧。

[3] フランシス・トーマス（トム）・ベーコン. chem.ch.huji.ac.il

[4] Barmashenko, V.; Jörissen, J. (2005). 「耐塩素性陰イオン交換膜を用いた電気分解による希塩酸からの塩素回収」. Journal of Applied Electrochemistry . 35 (12): 1311. doi : 10.1007/s10800-005-9063-1 . S2CID 95687004 .

[5] 杉山正之; 佐伯健; 坂田明; 相川秀; 古谷暢 (2003). 「塩素アルカリプロセス用ガス拡散電極の加速劣化試験」. Journal of Applied Electrochemistry . 33 (10): 929. doi : 10.1023/A:1025899204203 . S2CID 92756269 .

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