AEM 電解質の拡散層 (GDL/PTL) としての微多孔性ニッケルフォームの主な利点

I. AEM 電解質の拡散層 (GDL/PTL) としての微多孔性ニッケルフォームの主な利点

1. 優れた電気伝導性・電子伝導性

- 金属ニッケルの高い固有導電率。その三次元相互接続ネットワークにより、効率的な電子伝導と低い界面接触抵抗が確保されます。-

- 炭素-ベースの材料（アルカリ環境で分析しやすい）やチタン-ベースの材料（高コスト）よりも優れています。 AEM のアルカリ性および高電位環境に適しています。-

2. 三次元の-細孔構造-（物質移動/反応の利点）

- 高気孔率 (90%~98%) + 階層的細孔: マクロ細孔 (急速なガス排出)、メソ細孔/ミクロ細孔 (水の分布、三相界面)。-。

- 非常に大きな比表面積: 接着のための活性サイトが増え、触媒の利用率が向上します。

- 優れた機械的強度と適度な柔軟性: 圧縮組み立て時のフィット感が高く、脆くなりにくいです。

3. アルカリ安定性と触媒の相乗効果

- ニッケルは、AEM の強アルカリ性および高温（50 ～ 80 度）下で耐食性と構造安定性を示します。. - ニッケル自体は弱い OER/HER 触媒活性を有しており、触媒層と相乗的にその効果を高めます。

4. コストとプロセスに優しい

- チタン フェルトや貴金属コーティングと比較して、原材料と準備のコストが低くなります。

- 切断、修正、触媒の充填（電着、無電解メッキ、コーティング）が簡単です。

II. PTL/MEA インターフェイスが最適化の中心となるのはなぜですか?

AEM 電解槽の性能 (電圧、電流密度、寿命) はインターフェースに大きく依存します。損失は​​主に、オーミック接触、活性化、物質移動によって発生します。

1. インターフェースの接触と抵抗損失 (最も重要)

- ニッケルフォームの粗い表面と鋭い細孔: AEM フィルムに簡単に穴が開き、局所的な応力集中と不均一な接触を引き起こします。

- 微多孔質ニッケルフォームの細孔サイズ/平坦度が不適切:

- 細孔が大きすぎる → 接触面積が小さく、接触抵抗が高い

- 細孔が小さすぎる → 膜が細孔に埋まりやすく、膜が損傷し、イオン伝導が阻害される

- 最適化の方向:

- 表面のマイクロ/ナノ改質 (粉末層、エッチング、酸化) → より滑らかで、より良いフィット感

- 勾配細孔構造 (内側のマイクロ細孔/メソ細孔、外側のマクロ細孔) → 接触と物質移動のバランスをとる

2. 三相界面（固体-液体-）と反応速度論

- 界面は水の輸送、OH⁻ 伝導、気泡の脱着、効果的な触媒の利用を決定します。

- 問題:

- 界面の濡れ性が悪い → 局所的な水分不足、物質移動分極

- 気泡保持 → 活性部位をカバーし、過電圧が劇的に増加

- 触媒層（CL）とPTLの結合が弱い → 高抵抗、触媒剥離

- ニッケルフォームの利点: 三次元の細孔により「水を閉じ込め」、気泡の迅速な剥離を促進します。-

3. インターフェースの安定性と寿命 (長期劣化の主な原因)

- 界面は最も厳しい材料相互作用、応力、溶解、アイオノマー劣化を受けます。

- 障害モード:

- PTL および CL の層間剥離/剥離

- 局所的な膜の薄化、ピンホール、短絡

- ニッケルの溶解により膜/カソードが汚染される

- インターフェースの最適化により、耐久性が直接的に向上し、劣化率が桁違いに減少します。

4. 高電流密度におけるインターフェースのボトルネック (工業化の鍵)

- 1 ～ 2 A/cm² 以上:

- ガス生成量の急増 → ガスが詰まりやすい界面、物質移動の限界

- 熱集中 → 界面材料の老化促進

- 界面の最適化のみが、ニッケルフォームの高導電性と高比表面積を真に実現できます。

Ⅲ．微多孔性ニッケルフォーム PTL/MEA の界面を最適化するための中心的な戦略

1. 表面微細構造の改質

- 微多孔性ニッケル粉末/ナノ-ニッケル層によるコーティング → 表面を滑らかにし、膜の穴開きを防ぎ、接触面積を増加します

- 化学エッチング/酸​​化 → ナノ-粗い表面を作成し、結合を強化し、濡れを改善します

2. 勾配細孔構造設計

- 内側（膜側）: 小さい/微細孔（5～20 μm） → 良好な接触、保水性、安定した三相界面-

- 外側 (チャネル側): 大きな細孔 (30 ～ 100 μm) → 迅速な通気、ガス詰まりの軽減

3. インターフェースの結合と統合

- 発泡ニッケル上に触媒を直接成長/電着 → 界面抵抗を低減し、剥離を防止

- アイオノマー (AEI) 界面制御 → OH⁻ 伝導を強化し、接着力と安定性を向上

4. 表面エネルギー/濡れ性の制御

- 親水性の改質 → 均一な水分分布、乾燥領域の減少

- 適度な疎水性部位 → 急速な気泡脱離と浸水防止

まとめ

- 微多孔質ニッケルフォームは、高導電性、高安定性、高比表面積、低コストという点で、AEM 拡散層に最適な選択肢です。

- パフォーマンスの上限は素材自体にあるのではなく、PTL/MEA インターフェースにあります。

- 界面接触、三相界面、界面安定性、および高電流密度物質移動は、発泡ニッケルの利点を真に引き出し、低電圧、高電流、長寿命の AEM 電解槽を実現するための中核となる最適化の戦場でなければなりません。-