【コラム】グリーン水素生成:電気化学に根差した学際的課題
2021/11/22
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再生可能エネルギー源を用いた水電解によって製造されるグリーン水素は、化石燃料への依存を減らし、化学プロセスを脱炭素化するための戦略として研究されています。環境の観点から見ると、このアプローチは、電解中に温和な条件が使用され、燃料電池で水素を使用する際に温室効果ガスが発生しないことを踏まえると、極めて魅力的です。
しかしながら、エネルギー変換用の電解・燃料電池システムの経済性は、電気代や、ニッケル、白金、イリジウム、チタンといった金属のコストに大きく依存しています。グリーン水素が経済的に成り立つ選択肢となるためには、電解装置の運用コストを最小限に抑える必要があります。投入電力は、コストに大きく寄与します。したがって、再生可能エネルギーのコストを削減することが必要な一歩です。過去数十年間で太陽光パネルがより高効率かつ手頃になってきていることは、この点において楽観視できる材料です[1]が、グリーン水素の成功を高めるためにできることは他にも数多くあります。より高効率な電解装置は投入電力をより有効に活用でき、より安価で耐久性の高い部品の開発は、資本コストと運用コストの両方を削減することができます。
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学際的な関心を集めるグリーン水素
電解装置は主に、水分解を担う電極触媒を備えた電気化学的装置です(図1)。電解装置の最適化に関連する科学的課題は、従来電気化学の訓練を受けてこなかった研究者たちの関心も集めています。効率的なHER(水素発生反応)およびOER(酸素発生反応)電極触媒の探究は、無機化学者や物理学者の興味も引いています。より優れた膜の開発には、有機化学・高分子化学の専門知識が求められます。触媒インクとその基板との相互作用の最適化には、材料科学者のノウハウが必要です。燃料電池スタック内の熱・物質流動管理や周辺機器のバランスは、工学的な取り組みです。明らかに、グリーン水素技術の継続的な発展は、多くの分野を横断する科学者・技術者の協業を後押ししてきました。その結果、創造性と洞察の流入、そして刺激的な新素材・新技術の開発がもたらされています。
基本に立ち返る
不慣れな領域で作業することは、ベストプラクティスを迅速に習得し、新しい科学用語を学ぶ必要があることを意味します。多くの機関にとって、電気化学の原理や実験室での技術についての教育は、近年に至るまで重要な焦点分野ではありませんでした。
場合によっては、基礎的な電気化学トレーニングの不足が、重要な性能指標の報告における不整合につながってきました。電気化学界はこれに気づき、より厳密なアプローチを求める声を上げてきました。その結果、専門家たちが立ち上がり、この分野における定量化・報告のための実践的な指針を提供してきました。
電極触媒材料を調査する際には、ベンチマークと明確に定義された性能指標を持つことが必要です。2013年、OER電極触媒についての性能指標を評価・報告するための包括的なベンチマーキングプロトコルが発表されました。 このJACS誌の論文[2]は、粗さと幾何学的表面積の観点から触媒表面をどのように解釈するか、そして電極触媒性能の妥当な比較のために測定をどのように実施・解析するかについて、実践的な助言を提供しています。 酸素発生反応用不均一電極触媒のベンチマーキング(JACS、2013年)
電気化学測定における混乱と不整合のよくある原因の一つは、さまざまな参照電極(RE)の使用です。電極触媒活性は、規定された生成速度(すなわちHERまたはOERプロセスの電流密度、図1)に必要な過電圧によって判断されます。電位の測定には3電極系のセットアップが必要であり、REは、この電位を相対的なスケール上に位置づける上で極めて重要であり、異なるグループによって、さまざまな条件下で実施された測定の比較を可能にします。
参照電極とその使用法について詳しくは、無料のアプリケーションノートをご覧ください。
ACS Energy Letters誌の2020年のビューポイント記事[3]は、Hg/HgO、Hg/Hg2Cl2(SCE)、Ag/AgClといった一般的に使用される参照電極に焦点を当て、電極触媒の過電圧をどのように報告すべきかについて詳細に説明しています。
可逆水素電極(RHE)は、HERおよびOER研究に非常に適した、もう一つの一般的に使用されるREです。ACS Catalysis誌の最近の論文[4]は、なぜRHEが電解研究にとって理想的な参照電極であるかを説明し、RHEの調製方法と取り扱い方法についても説明しています。慣例として、すべての標準酸化還元電位は標準水素電極(SHE)を基準として報告されます。RHEは、SHEのpH依存的な拡張であり、ネルンストの式で記述される非標準条件下でのプロトンの還元を指します。
標準水素電極および可逆水素電極:理論、設計、操作、および応用(ACS、2020年)
電解装置は酸性・アルカリ性両方の条件下で運転されるため、HERおよびOERはpHスケール全体にわたって研究されます(図1)。RHEはあらゆるpHでの使用に適しており、HERおよびOERと同じpH依存性を共有しています。
共通の基盤に立つ
これら異なる分野の間で共通の言語と理解を見出すことは極めて重要です。このJOC誌の総説記事[5]は、有機化学者向けに電気化学の概念を明確化しています。この記事は非常に視覚的であり、自由エネルギー、酸化還元電位、過電圧といった概念を結びつける図解を提供しています。平衡熱力学は、すべての化学者が理解できる共通の参照点を提供する助けとなります。
「電圧についてどう考えればよいのか?過電圧とは何か?」:電気化学に対する有機化学的直観の確立(JOC、2021年)
熱力学的解析は、電解セルおよびスタックのエネルギー効率を定量化するためにしばしば適用されます。Journal of Power Sources誌の最近の総説記事[6]は、学術文献と産業文献の間でエネルギー効率係数の定義が分かれていることを指摘しています。この記事はさまざまな条件下での導出を提供し、解析においては電力と熱の両方を考慮しなければならないことを読者に喚起しています。
近周囲温度条件下で稼働する水電解セルのエネルギー効率係数算出に用いられる定義に関する批判的レビュー(J. Power Sources、2020年)
まとめ
本ブログ記事で取り上げた論文は、グリーン水素技術の改善に取り組むすべての研究者の間で共通理解とより良い協業を構築するために利用可能な、数多くの資料のほんの一部にすぎません。COVID-19のパンデミックが多くの人々にとって実験室業務や渡航を停止させた際も、研究コミュニティは熱意をもって歩みを続けました。
公開されているオンラインセミナーやワーキンググループは、分野を超え、世界中の科学者たちを結びつけてきました。例えば、Electrochemical Online Colloquiumは2021年に開始されました。この継続的な講演シリーズは、専門家の講演者による個人的な視点とともに教育コンテンツを提供することで、電気化学における重要なトピックを取り上げています。
電気化学界は、持続可能で気候に安全なエネルギー・化学プロセスへの移行の重要性を、痛切に認識しています。グリーン水素によるエネルギー貯蔵・変換は、発展のために科学的な進歩を必要とする、有望な戦略です。幸いにも、多くの分野からの研究者たちが、自らの技能と創造性をこのテーマにもたらしており、電気化学界は協働的な取り組みを推し進め、核心的な知識を共有し続けています。
参考資料
- Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5°C Climate Goal; International Renewable Energy Agency: Abu Dhabi, 2020.
- McCrory, C. C. L.; Jung, S.; Peters, J. C.; et al. Benchmarking Heterogeneous Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
- Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; et al. How to Reliably Report the Overpotential of an Electrocatalyst. ACS Energy Lett. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylett.0c00321
- Jerkiewicz, G. Standard and Reversible Hydrogen Electrodes: Theory, Design, Operation, and Applications. ACS Catal. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
- Nutting, J. E.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. G.; et al. “How Should I Think about Voltage? What Is Overpotential?”: Establishing an Organic Chemistry Intuition for Electrochemistry. J. Org. Chem. 2021, 86 (22), 15875–15885. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
- Lamy, C.; Millet, P. A Critical Review on the Definitions Used to Calculate the Energy Efficiency Coefficients of Water Electrolysis Cells Working under near Ambient Temperature Conditions. J. Power Sources 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350
