電気化学の基礎から学ぶ燃料電池と水電解技術の基本速習セミナー

2050年の温室効果ガス排出実質ゼロを目指して様々な施策が進んでいます。その中で水素エネルギーに関連した技術開発は非常に重要な位置づけとなっています。水素を利用して発電する燃料電池は、燃料電池自動車や家庭用燃料電池などの用途で社会実装が進みつつあり、さらなる発展が期待されています。同時に、燃料電池反応と表裏関係となる水電解による水素製造技術の開発も一段と活発になってきています。 　本講座の第1部では、燃料電池・水電解を理解するために必要な電気化学の基本事項について解説します。第2部の前半では主に固体高分子形燃料電池について、電池を構成する重要部材である電極触媒の活性や耐久性などの基本事項、研究開発動向などについて解説していきます。第2部の後半では、水電解技術の基本から研究開発動向などについて解説します。

第1部: 燃料電池と水電解を理解するための電気化学

1. 電気化学の基礎の基礎 (電気化学の理解に必要な化学の基本事項)
2. エネルギーの変換
   1. 化学エネルギーから電気エネルギーへの変換
   2. 水素+酸素の反応でのエネルギーの出入り
   3. 化学反応が進む方向
      • エンタルピー
      • エントロピー
      • ギブズエネルギー
   4. 電位と電子エネルギー
3. 水電解の進み方
4. 電気化学測定の準備
   1. 電極の電位を知るにはどうする?
   2. 三電極式電解セル
   3. 水電解時の電位と電子の動き
   4. 基準電極について
   5. ネルンストの式
   6. 水素標準電極
   7. 水の電位窓
   8. 各種金属の標準電極電位
   9. 電気化学測定装置の構成と注意点
   10. 水電解の酸素発生反応における電子移動
   11. 酸素還元反応における電子移動
5. 電気化学反応を支配する因子
   1. 活性化エネルギー
   2. 触媒の働き
   3. 電流の表し方
   4. 触媒活性と分極曲線
   5. 電荷移動律速と物質移動律速
   6. Butler – Volmerの式とTafelの式
6. 基本的な電気化学測定法
   1. サイクリックボルタンメトリー
   2. 回転ディスク電極法
7. 電気化学に関する教科書

第2部: 燃料電池と水電解の基本

1. 燃料電池の基本
   1. 燃料電池の概要
   2. 燃料電池の構成部材と要求性能
      1. 各部材に求められる性能
      2. 起電力・過電圧・発電効率
      3. 電極層の構造 (MEA)
      4. 三相界面
   3. 電極触媒の活性
      1. 電極触媒の性能向上に求められること
      2. 電極触媒の活性支配因子
   4. 電極触媒の Pt 比表面積
   5. 電極触媒の比活性
      1. 合金触媒
      2. 電極触媒の電子状態
   6. 電極触媒の質量活性の向上~コア – シェル型触媒
   7. 触媒の耐久性
      1. Pt粒子の耐久性
      2. 電位サイクル時のPt比表面積変化
      3. アノード触媒の耐CO被毒性
      4. カーボン担体の腐食
      5. 電池起動時のカソード腐食
      6. 燃料欠乏時のアノード腐食
      7. 触媒耐久性の評価試験法
   8. セパレーターについて
      1. FCV用セパレーターの例
      2. セパレーターの研究開発例
   9. 電解質膜について
      1. 電解質膜の基本
      2. 電解質膜の劣化
      3. ラジカル捕捉剤
   10. 電極触媒の最近の研究開発動向
       1. コア – シェル型触媒
       2. 電極触媒の非貴金属化
       3. 担体の性能向上
       4. 米国エネルギー省 (DOE) 2021 Annual Merit Review からのトピックス
2. 水電解の基本
   1. 各種水電解法の比較
   2. 水電解の過電圧
   3. 水電解の最近の研究開発動向
      1. 日本のNEDOプロジェクトの動向
      2. 米国DOEの動向
      3. EUの動向
3. 燃料電池・水電解の課題
   1. 貴金属の資源量
   2. 貴金属の価格
   3. 技術開発目標
   4. 電極触媒の今後の展望