東芝公司 (TOKYO: 6502) 已開發出大規模的電極生產技術，該技術可實現電力到氫氣 (P2G) 技術的高效率，這是向碳中和邁進的關鍵技術社會，同時將世界上最稀有的貴金屬之一銥的使用量減少到 1/10。
P2G 利用水的電解將可再生能源轉化為氫氣，用于儲存和運輸到需要的地方。質子交換膜 (PEM) 電解被視為一種非常有前途的轉換方法，因為它對功率波動反應迅速并且非常耐用。然而，PEM 使用銥（所有交易貴金屬中最稀有的一種）作為其電極中的催化劑。實際應用需要減少使用的銥，這是一個真正的挑戰。
東芝開發了一種氧化銥納米片疊層催化劑，在 2017 年將銥的需求量降低到了 1/10。該公司現在已經開發出大規模生產技術，可以一次將催化劑沉積在最大 5m2的面積上。這一進展有望推動 P2G 在大規模電力轉換方面的早期商業化，并將有助于實現碳中和。東芝的目標是在 2023年或之后實現商業化。
P2G 被視為到 2050 年實現碳中和的重要解決方案。它使用電解將可再生能源中的電力轉化為氫氣，以備儲存和運輸。該過程的關鍵技術是水電解器，可將能量轉化為氫氣而不排放 CO2。PEM水電解具有出色的功率波動適應性和高耐用性，歐洲和美國在開發當前工藝方面處于領先地位。
圖 1：MEA 的結構（圖示： Business Wire）
PEM 使用集成了電解質膜和電極的膜電極組件 (MEA)（圖1）。電力的大規模氫轉化需要大量的多邊環境協定，預計到 2028 年市場規模約為 5.8 億美元。
MEA電極依賴大量的銥來確保足夠的電解效率。銥是最稀有的貴金屬之一。全球年產量在 7 至 10 噸左右，遠低于 200 噸的鉑金，成本高出 4 至 5 倍。形成電極需要均勻涂覆精細的氧化銥顆粒，減少氧化銥會導致應用不均勻和反應不均勻，從而降低水電解性能。
圖2
東芝的多層催化劑使用一種新的濺射技術（圖2）來沉積氧化銥納米片薄膜和空隙層的交替層（圖3）。在濺射中，離子（如氬氣）在真空中轟擊沉積材料（靶材），并將噴射的粒子沉積在基板上（圖2）。在東芝的工藝中，銥是靶材，當靶材沉積在基板上時，通過注入氧氣形成氧化銥薄膜。厚度控制在納米級，以較少的銥實現均勻氧化銥層的沉積。
圖3
在催化劑層中使用東芝的層壓納米片結構成功地將所需的銥減少到 1/10，同時保持水電解性能（圖4）。它還顯著擴大了沉積表面積。由于濺射是在真空中進行的，因此難以在大面積上進行沉積。然而，通過修改包括銥在內的多種金屬靶材的沉積分布比例和氧氣輸入水平，東芝成功開發了一種大規模生產技術，可實現催化劑一次沉積面積高達 5m2（圖5）。
圖4
圖5
東芝與東芝能源系統與解決方案公司合作，基于所開發的技術制造了帶有電極的 MEA 原型，并已開始與一家水電解槽制造商進行評估測試。展望未來，公司將提高產量和質量以實現 MEA 的量產，目標是在 2023 財年或之后實現商業化。
