主要成果
Boshi Xu氏、Qiang Liao氏らの研究チームは、PEM（プロトン交換膜）水電解装置の劣化履歴をシミュレートし、異なる動作条件下でどのメカニズムがデバイスの故障を招くかを特定するオープンアクセスモデルを開発しました。このモデルによる電圧推移のシミュレーションは、実験値との最大絶対誤差が20ミリボルトに抑えられており、シミュレーション上の劣化速度（173マイクロボルト/時）も実験値（178マイクロボルト/時）と極めて近い値を示しています。
技術・詳細
本モデルは、以下の3つの支配的な劣化プロセスを3次元フル電解槽マルチフィジックスシミュレーションに統合しています。
- アイオノマーの化学的劣化：膜を透過した酸素がカソードで過酸化水素を形成し、供給水中の微量なFe2+不純物によるフェントン反応でヒドロキシルラジカルが生成。これがポリマーの主鎖を破壊し、プロトン伝導性を低下させます。
- 酸化イリジウム（IrO2）触媒の溶解：酸素発生反応中に形成される中間体の一部が可溶性の3価イリジウム種となり、触媒が永久的に失われます。
- チタン部品の腐食：バイポーラプレートや多孔質輸送層において、半導体的なTiO2不動態皮膜が成長し、接触抵抗が増大します。
検証実験では、2.6 by 2.6センチメートルの有効面積を持つ電解槽を80度、1.5アンペア/平方センチメートルで300時間動作させました。その結果、膜厚が初期の127マイクロメートルから場所によっては121マイクロメートルまで不均一に薄くなることが確認され、接触抵抗は0.602から2.235ミリオームへと約3.5倍に急増しました。
背景・業界の文脈
PEM水電解はクリーン水素製造の有望な手法ですが、耐久性の低さが大規模商用化の大きな障害となっていました。装置内部では多くの劣化プロセスが同時に進行するため、実験のみで個々のメカニズムが性能低下にどの程度寄与しているかを定量化することは困難でした。本研究は、物理的な場（電流密度、温度、膜内の含水率）の変化が劣化速度に影響を与える相互作用をモデル化した点に意義があります。
今後の展望
モデルを用いた解析により、動作条件が寿命に与える影響が明らかになりました。温度が50度から90度に上昇すると、予測寿命は7000時間から1445時間へと劇的に短縮し、劣化速度は25から76マイクロボルト/時へ上昇します。また、電流密度を1から3アンペア/平方センチメートルに上げると、寿命は6440時間から520時間へと激減し、劣化速度は約15倍の259.6マイクロボルト/時まで加速します。特に高電流密度域では、チタンの劣化が初期段階の58%を占めるなど、条件によって支配的な故障要因が変化することが示されました。
元記事: https://bioengineer.org/new-model-tracks-how-pem-electrolyzers-fail-over-thousands-of-hours/
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