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ケーススタディPEM水電解槽用発泡チタン
はじめに
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、先端材料と特殊金属の信頼できる供給元であり、最近、PEM（プロトン交換膜）水電解槽の一部として高品質の発泡チタンを必要とする米国の大学研究プロジェクトを支援した。
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課題
研究チームはSAM社に次のような要求を持ちかけました：
- PEM研究に適した材料 - チタンフォームは、PEM電解槽で典型的な強酸性運転条件にさらされた場合の安定性を実証する必要がありました。
- 構造的完全性と気孔率 - ガス拡散と触媒分散を促進する適切な気孔ネットワークを提供しながら、発泡体は機械的に安定でなければなりませんでした。
- 研究スケールのサンプル寸法 - この試験には、実験室で発泡チタンシート（20cm×20cm×5mm）の実験セットアップと試験が必要でした。
解決策
SAM社の技術アドバイザーは、エネルギーおよび電気化学用途で広く使用されている超高品質の多孔質チタン製品であるTI1816チタンフォームの使用を推奨しました。
SAMのチタンフォームは、酸性環境下での腐食から保護する天然由来の酸化物層を含んでいます。供給された発泡体は、高い表面積と開気孔率を示し、水素と酸素の効果的な放出を促進しながら、触媒の利用率を向上させた。
成果
研究グループは、PEM水電解槽に関する研究開発活動において、SAM社のチタンフォームの導入に成功した。主な成果は以下の通りである：
- 適切な基材としてのチタンフォームの検証 - この材料は、構造的および耐腐食性の要件を満たし、電極支持体として機能する可能性を実証した。
- 研究効果の向上 - 正確な寸法により、追加の機械加工なしにテストアセンブリに直接組み込むことができた。
- クリーンエネルギーの研究開発を可能にする -SAM社からの発泡チタンの調達により、プロジェクトは電解槽の効率と水素生成性能を最適化するという目的を継続しました。
発泡チタンとは？
発泡チタンは、チタンの機械的および化学的な利点と、発泡構造のユニークな性能の特徴を組み合わせた3次元多孔質軽金属です。空間保持技術を用いた粉末冶金、凍結鋳造、または付加製造（3Dプリンティング）などの方法を用いて製造され、気孔率、気孔サイズ、構造の均質性を制御することができます。
構造的特徴
発泡チタンは一般的に40％から80％の範囲の気孔率を有し、これは所望の用途に応じて調整することができる。気孔径は数十ミクロンから数ミリメートルまで調整可能で、物質輸送特性を調整することができる。開放構造であるにもかかわらず、発泡チタンの圧縮強度と密度に対する剛性は非常に高く、荷重に対して強靭です。金属構造が連続的であるため電気伝導性が良く、電極支持体や集電体として適しています。
主な特徴
- 耐食性 - チタンのTiO₂コーティングは酸や酸化劣化に強い。
- 高い比表面積 - 電気化学反応や触媒の析出を促進するための十分な反応サイトを提供します。
- ガスと流体に対する透過性 - 気孔がつながっているため、ガスの放出と水の輸送が効果的に行われる。
- 低密度構造 - 固体のチタンに比べ密度が低く、必要な強度を保持。
- 生体適合性 - 無毒性で生体システムに適合するため、バイオメディカル用途でも同様に利用されます。
発泡チタンの用途
- エネルギーと電気化学発泡チタンは、PEM水電解槽ではアノード基材、触媒担体、集電体として、燃料電池ではフローフィールドやガス拡散層として使用される。また、リチウムイオン電池や固体電池の導電性足場としても使用されている。
- 生物医学工学骨足場や骨インプラントにおける発泡チタンは、その生体適合性と強靭性により、骨統合を改善し、歯科補綴物や外科用インプラントに使用される。
- 化学処理と触媒作用水素化反応や酸化反応における触媒担体として、また耐食性を必要とする電気化学フィルターやリアクターに応用されている。
- 航空宇宙と防衛発泡チタンは、航空宇宙用途に軽量で耐腐食性の構造部材や熱管理複合材を提供します。
なぜ他の材料ではなく発泡チタンなのか？
PEM水電解槽の電極と基板材料の選択において、いくつかの選択肢がありますが、発泡チタンには特定の利点があります：
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材料 |
長所 |
弱点/注意点 |
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グラファイトプレート |
良好な導電性 |
脆く、機械加工にコストがかかる |
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ステンレスフォーム |
低コスト、加工が容易 |
酸性PEM中で腐食、コーティングが必要 |
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ニッケルフォーム |
優れた導電性 |
酸性電解質膜では不安定 |
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チタンフォーム |
耐食性、強度、導電性 |
長期の酸性PEM使用に最適 |
より詳しい情報と先端材料については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
SAMのTI1816チタンフォームとは？
TI1816チタンフォームは、スタンフォードアドバンストマテリアルズが提供するユニークな多孔質チタン材料です。特別なお客様のご要望にお応えするために、特別なシート寸法、厚さ、気孔率でお届けしています。高純度で構造的に均質な状態で製造され、特に電解、触媒、生物医学研究などの厳しい環境に適しています。
結論
この共同研究を通じて、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ社は、PEM水電解槽の研究にオーダーメイドの発泡チタンを提供した。プロジェクトの構造および耐腐食性の要件を満たすことから、正確な寸法を提供することに至るまで、SAMは、産業界と学術界の両方の顧客にとって信頼できる協力者としての地位を確立した。
参考文献
[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017).再生可能エネルギーからの大規模エネルギー貯蔵のためのプロトン交換膜電解槽の低コストのバイポーラプレートおよび集電体用保護コーティング。10.5772/intechopen.68528.
Chin Trento
