PEM水電解は、一般にNafionなどのプロトン交換膜を電解質として、水を水素と酸素に分解する技術です。再生可能電力を用いたグリーン水素製造の有力手段として導入が進んでおり、設備容量も急速に拡大しています。PEM電解槽スタックでは、1 MWあたりでも複数のチタン部品が必要になり、その多くは多孔質です。この記事では、どの部品にチタンが使われるのか、なぜ特にアノード側で必要なのか、そして重要な仕様項目は何かを整理します。

なぜステンレスではなくチタンなのか

PEM電解セルは、プロトン交換膜を挟んでカソード側とアノード側に分かれています。カソード側（水素発生側）は比較的穏やかな環境で、加湿ガスと中程度の電位条件で運転されるため、ステンレスや炭素系材料が使える場合があります。

一方、アノード側（酸素発生側）は事情が異なります。Nafion膜により強酸性環境となり、相当pHは1未満、さらに+1.8 V vs. RHEを超えるアノード電位と溶存酸素が加わります。この条件では、316Lを含む多くの金属が急速に腐食します。鉄、ニッケル、クロムイオンが膜へ移行し、触媒層を劣化させる原因になります。

チタンは、安定した自己修復性TiO2不動態皮膜を形成するため、酸性条件と高酸化電位の双方に対して、他の構造材料よりはるかに安定です。PEMアノード用途では、Grade 1またはGrade 2チタンが長寿命化のために広く使われています。ただし実際の腐食速度は、電位、コーティング、水質、運転条件でも変わります。そのため、PEM電解槽アノード側に接するPTL、流路プレート、場合によっては集電メッシュには、通常チタンが使われます。

PEMスタック内のチタン部品

多孔質輸送層（PTL）

PTLはアノード触媒層に直接接する多孔質層です。役割は3つあり、触媒からバイポーラプレートへ電子を伝えること、水を活性面に均一供給すること、そして酸素気泡を排出することです。スタック内で最も重要な多孔質部品のひとつです。

PTLには、焼結チタン粉末またはチタンファイバーフェルトが使われます。焼結粉末PTLは孔径制御と機械剛性に優れ、ファイバーフェルトPTLは高気孔率とガス透過性に優れます。どちらも商用・研究用途で使われています。

代表的なPTL仕様：

  • 気孔率: 30-50%（焼結粉末）または50-80%（ファイバーフェルト）
  • 平均孔径: 10-50 µm
  • 厚み: 0.5-2.0 mm
  • 材質: Grade 1 工業用純チタン
  • 表面処理: 接触抵抗低減のためPtまたはIrコーティングを施すことが多い

孔径と気孔率は性能に直接影響します。孔が小さすぎると酸素気泡が触媒表面に滞留し、物質移動損失が増えます。大きすぎると触媒層との接点が減り、電気抵抗が増えることがあります。多くの開発では、15-30 µm程度の平均孔径が実用的なバランスとされています。

FILTUREでは、PEM電解槽開発・量産向けのPTL基材として使用されるチタンファイバーフェルトと焼結チタン多孔質プレートを製造しています。

バイポーラプレート

バイポーラプレートは隣接セルを分離しつつ電流を伝える部品です。アノード側では、水を分配し酸素を排出する流路加工が必要です。導電性、耐食性、気密性、さらに1-3 MPa程度の締付荷重に耐える機械強度が求められます。

アノード用バイポーラプレートは、通常、Grade 2またはGrade 5のチタン板から機械加工されます。流路形状は平行、蛇行、インターディジテッドなどがあり、CNC加工で形成されます。PTLとの接触ギャップは接触抵抗増大につながるため、平面度は一般に活性面内で0.05 mm以内程度が求められます。

ネイティブTiO2皮膜による接触抵抗を下げるため、白金または金を0.05-0.5 µm程度コーティングするメーカーもあります。コーティングなしでは、特に2 A/cm²を超える高電流密度で、酸化皮膜由来のオーム損失が無視できなくなることがあります。

メッシュ集電体

一部のスタック設計では、PTLとバイポーラプレートの間にチタン織メッシュを挿入し、追加の集電・圧接層として使います。メッシュは、PTL厚みのばらつきを吸収しながら電気接触を維持する、追従性のある中間層として機能します。

代表的なメッシュ仕様：

  • メッシュ数: 40-100 mesh（開口150-400 µm）
  • 線径: 0.1-0.3 mm
  • 材質: Grade 1 チタン
  • コーティング: 接触抵抗低減のためPt 0.05-0.2 µm程度

FILTUREでは、電解槽用途で使われるメッシュ数・線径に対応したチタン織メッシュを供給しています。

グリーン水素需要が部品要求を変えている

単セル・小面積の研究機から、数百セル・1000 cm²超の大面積を持つマルチMW級スタックへ移行するにつれ、部品供給者に求められる内容も変わっています。活性面積が大きくなるほど、500 mm x 500 mm以上の大判PTLでも、面内で均一な気孔率・厚みが必要になります。手組み試作から半自動組立へ進むほど、全ての部品で寸法公差管理が厳しくなります。

数量面でも増加が顕著です。1 MW級PEMスタック1基に200-400セル程度を含むことがあり、各セルにPTL、バイポーラプレート、メッシュ集電体、ガスケットなどが必要です。ギガワット級案件が増える中で、チタン多孔質部品の需要は、OEM 1社単位でも年数kgから年数t規模へ拡大しつつあります。

電解槽部品の仕様チェックリスト

PEM水電解向けのチタン多孔質部品を調達する際は、次の項目を明確にしておくと実務上有効です。

  • 材質グレード（耐食性重視ならGrade 1 CP Ti、Grade 2も可）
  • 気孔率と孔径分布（目標範囲と測定方法、例: 水銀圧入法、キャピラリーフローポロメトリー）
  • 厚み公差（例: PTLで±0.05 mm、バイポーラプレートで±0.02 mm）
  • 表面粗さ（接触抵抗に関わるRa値）
  • シート/プレート寸法と平面度
  • 貴金属コーティング要件（金属種、膜厚、被覆範囲）
  • 清浄度要件（粒子付着なし、有機汚染なし）

FILTUREでは、PEM電解槽OEMや研究機関向けに、チタンファイバーフェルト、焼結多孔質プレート、織メッシュ、機械加工チタン部品を製造しています。スタック開発や量産立上げで仕様に合ったチタン多孔質部品が必要な場合は、要求仕様を添えてお問い合わせください。