★グリーン水素の高効率製造に向けた材料、装置技術を一冊に凝縮

★再エネ電力活用に向けた負荷変動や頻繁な起動停止への対策、ロバスト化の展望

水電解システムにおける材料、装置開発

−省貴金属触媒材料／電極設計／膜材料／装置、分析技術−

◇第１章　アルカリ水電解、アニオン交換膜用触媒材料、電極の開発◇

第2節 遷移金属元素から成る複合酸化物の量子ナノ構造化によるアルカリ水電解用アノード触媒の開発
１．スピネル型NiFe2O4-δ量子ドット触媒
　1.1 ソルボサーマル法による量子ドットの合成
　1.2 スピネル型NiFe2O4-δ量子ドットアノードによる酸素発生反応
２． ブラウンミラーライト型Ca2FeCoO5量子ナノ構造体触媒
　2.1 高温焼成が必要な複合酸化物の量子ナノ構造化1)
　2.2 ブラウンミラーライト型Ca2FeCoO5量子薄膜アノードによる酸素発生反応

第3節 アルカリ水電解に向けた酸化ルテニウム系電極触媒の創成と評価
１．アルカリ条件下における水素発生反応
２．酸化ルテニウムの特徴
３．酸化ルテニウム電極の作製
４．RuO2電極触媒のHER活性と耐久性

第4節 非貴金属酸化物系材料を用いたアルカリ水電解の陽極用電極触媒の基礎検討
１．ZrO2添加Ni薄膜の再エネ模擬プロトコルでのOER安定性評価および機構解析
　1.1 研究の背景と目的
　1.2 結果および考察

第5節 菱面体硫化ホウ素とグラフェンナノプレートと複合化した酸素発生反応活性触媒の開発
１． r-BSの合成と評価
２．r-BSとGNPの複合体のOER活性6)
３．NFに担持したr-BS+G触媒(r-BS+G-NF)8)

第6節　複合アニオン設計に基づく酸フッ化物水電解アノード触媒の開発
１．結晶性酸フッ化物を用いた電気化学的な水の酸化反応
２．計算科学による酸フッ化物触媒上での水酸化反応機構の解析

第7節 多元素酸化物の室温化学合成と水の電気分解用電極触媒への応用
１．多元素（ハイエントロピー）酸化物
２．室温化学合成の実現

第8節 金属ナノクラスターの表面ステープル構造制御と高活性HER電極触媒への応用
１．金属ナノクラスターを用いるHER触媒設計
２．Au24Ptナノクラスターにおける微細表面構造の制御
３．構造・電子状態の解析から見える表面再構成
４．高HER活性の発現とその機構
５．アルカリ水電解電極への展開と今後の課題

第9節 FeNi系触媒を用いたAEM型水電解の電極構造設計と過電圧分離解析技術
１．AEM型水電解
２．電極開発
　2.1 電極・触媒層の設計
　2.2 スラリー設計
　2.3 塗工・乾燥
３．M型水電解セルの性能評価と過電圧分離解析
　3.1 過電圧分離解析
　3.2 AEMWEの過電圧分離解析

◇第２章　固体高分子・プロトン膜水電解用触媒材料、電極の開発 ◇

第1節 PEM型水電解用アノード触媒、水素再結合触媒の開発
１．PEM形水電解用アノード触媒の開発
　1.1 触媒物性
　1.2 電解性能
２．水素再結合触媒の開発
　2.1 触媒物性
　2.2 電解性能、水素再結合性能
３．PEM形水電解用アノード触媒への水素再結合能の複合化

第2節 水素クロスオーバーを防ぐ固体高分子形水電解用電極触媒の開発
１．水素社会における固体高分子形水電解と今後の目標
　1.1 固体高分子形水電解の概要
　1.2 PEM形水電解に求められる技術要件
　1.3 PEMの薄膜化に伴う水素クロスオーバー現象と安全上の課題
２．水素クロスオーバー対策
　2.1 従来の水素クロスオーバー対策とその課題
　2.2 ガス再結合触媒の原理
　2.3 GR触媒の分類と課題
３．Bifunctional触媒の設計コンセプト
　3.1 OER機能とGR機能の両立
４．Bifunctional触媒の性能評価
　4.1 酸素発生活性（OER性能）と水素クロスオーバー低減効果
　4.2 耐久性試験

第3節 強酸性中でも運用可能なPEM水電解用卑金属電極の探索法及び開発
１．はじめに
　1.1 卑金属代替電極の必要性
　1.2 高エントロピー合金の探索法
２．高エントロピー合金作製と同定
３．高エントロピー合金の腐食特性
４．高エントロピー合金の水電解特性
５．高エントロピー合金の反応シミュレーション
６．高エントロピー合金中の元素の役割と触媒メカニズム
７．トップダウンアプローチの有用性

第4節 イリジウム層と空隙層を積層したPEM水電解用省イリジウム触媒の開発と電極への応用
１．PEM水電解セルおよびMEAの構成
２．スパッタリング法による触媒層形成技術
３．スパッタリング法による触媒層形成技術
４．スパッタリング法による触媒層形成技術
５．耐久性評価
６．スパッタ電極大型化技術
７．高圧水電解への適用と省Ir触媒MEAの耐久性実証

第5節 イリジウム含有ナノフレームおよびナノワイヤのPEM水電解向け酸素発生反応電極触媒への応用
１．酸素発生反応 (OER) の過酷な駆動条件
２．電極触媒の設計・開発アプローチ
３．Pt-Irナノ構造体電極触媒の開発
　3.1 一次元ナノワイヤおよび三次元ナノフレーム構造
　3.2 P-?Irナノワイヤ電極触媒
　3.3 PtIr-Niナノフレーム電極触媒

第6節 イリジウム量を低減した水電解用触媒の開発
１．イリジウム量の低減
　1.1 イリジウム量低減の意義
　1.2 イリジウム量を低減した触媒
２．二酸化マンガンによる水電解
３．イリジウム担持MnO2触媒

第7節 固体高分子形水電解装置用ナノ構造化イリジウム触媒
１．NSTF触媒技術の概要
２．3M(TM)ナノ構造化イリジウム触媒 E570 の概要
３．E570のPEM水電解装置における性能および耐久性

第8節 水分散性白金ナノ粒子とSWCNT、グラフェン、アセチレンブラックを組み合わせた水素発生触媒の開発
１．PtNP を用いた CNM の水中分散
　1.1 CNM とは
　1.2 分散性の評価
２．PtNP/CNM 複合体の電気化学測定
３．白金ナノ粒子/ナノカーボン複合体を用いたPEM 電解槽の水素発生挙動

第9節 第一原理計算と機械学習を活用した卑金属合金ベースの水電解触媒の探索
１．第一原理計算による水電解触媒活性の評価
　1.1 第一原理計算と反応活性評価
　1.2 水電解触媒の活性評価
２．機械学習を用いた触媒活性評価の加速
　2.1 機械学習力場
　2.2 機械学習を用いた触媒活性評価の近況
３．卑金属高エントロピー合金への応用
　3.1 卑金属9元高エントロピー合金
　3.2 機械学習力場の構築
　3.3 機械学習力場を援用した活性評価
　

◇第３章　支持体、拡散層の開発◇

第2節 拡散層の機能拡張設計と高性能・高耐久・低貴金属化を達成する新たなセル構造の提案
１．PEMWEの低貴金属化に関する課題
２．低Ir担持化に伴う性能低下とCL/PTL界面の役割
３．多孔質拡散層（PTL）
４．PTL表面コーティング
５．PTL構造とセル性能
６．PTLへのIr直接成膜によるIr-PTL電極
７．Ir-PTLとハイブリッドアノード

◇第４章　プロトン交換膜の開発 ◇

第1節 ロール to ロール方式によるPEM形水電解用触媒層付き電解質膜の開発
１．緒言
　1.1 開発背景
　1.2 共同開発体制
２．ロールtoロール方式の概要
　2.1 従来の水電解用CCM製造技術
　2.2 水電解用CCM連続生産技術の開発（直接塗工法）
　2.3 直接塗工法の高度化
　　2.3.1 触媒利用効率向上、精密間欠塗工 　
　　2.3.2 電解質膜のロールtoロール搬送技術 　
　　2.3.3 触媒インク
３．CCM開発状況
　3.1 水電解用CCMの開発方針
　　3.1.1 電解性能
　　3.1.2 耐久性
　　3.1.3 安全性
　3.2 省Ir化の取り組み
４．今後の展望
　4.1 CCM設計の高度化
　4.2 製造技術の高度化

第2節 セルロースを基盤としたプロトン伝導性高分子の創製
１．SC-1の設計と合成
２．SC-1の組成
３．SC-1膜の物性

◇第５章　アニオン交換膜の開発 ◇

第1節 アニオン交換膜型水電解に向けた高ロバスト性アニオン交換膜材料の設計と合成
１．はじめに
　1.1 水電解
　1.2 固体高分子形水電解
２．アニオン交換膜材料の高ロバスト化
　2.1 カチオン性官能基
　　2.1.1 カチオン性官能基の分解
　　2.1.2 高いアルカリ耐性を有するカチオン性官能基の開発
　　　2.1.2.1 含窒素カチオン官能基
　　　2.1.2.2 リン系
　　　2.1.2.3 硫黄系
　　　2.1.2.4 金属錯体カチオン
　2.2 高分子骨格の設計
　　2.2.1 高分子の分解
　　　2.2.2.2 ポリアリーレンアルキレン型高分子
　　　2.2.2.3 アリーレン?アリーレン結合で構成される高分子

第2節 アニオン交換膜：NEDO標準膜の物性と非フッ素化の展開
１．部分フッ素系AEM「QPAF-4」
　1.1 QPAF-4の分子設計と合成方法
　1.2 ミクロ相分離構造と水酸化物イオン伝導度
　1.3 機械的特性と気体透過性
　1.4 アルカリ耐久性と水電解セル特性
２．非フッ素系ポリフルオレンAEM
　2.1 非フッ素化への対応とその背景
　2.2 疎水・親水側鎖の分子設計と合成
　2.3 ミクロ相分離構造と水酸化物イオン伝導度
　2.4 アルカリ耐久性と水電解セル特性

第3節 計算化学・データ科学による高性能アニオン交換膜の探索・設計
１．計算化学によるアニオン交換膜の設計
　1.1 分子シミュレーションによるアニオン輸送機構の理解
　1.2 高分子構造とイオン伝導性・耐久性の相関解析
　1.3 計算化学から導かれる材料設計指針
２．データ科学による材料探索
　2.1 データ駆動型アニオン交換膜開発
　2.2 機械学習による性能予測と材料探索
　2.3 今後の展望

◇第６章　膜電極接合体の作製技術 ◇

第1節 化学めっき法によるPEM水電解用電極接合体の作製技術とAEM水電解への応用
１．化学めっき法によるPEM水電解用電極接合体の作製技術
　1.1 還元剤浸透法
　1.2 吸着還元法
２．化学めっき法によるAEMへの電極接合とAEM水電解への応用
　2.1 還元剤浸透法によるAEM上へのバインダーフリーNiCo電極の作製
　2.2 バインダーフリーNiCo電極をアノードに使用した純水作動AEM水電解の性能

◇第７章　水電解装置の動向◇

第1節 大型アルカリ水電解（AWE）装置における雑考と期待
１．大型アルカリ水電解（AWE）プロセス
　1.1 電解プロセスの循環タンクについて
　1.2 循環タンクの設置位置
　1.3 加圧運転について
　1.4 電解槽の設置位置
２．電解槽性能
　2.1 電解槽性能の主要因子
　　2.1.1 陽極酸素発生過電圧
　　2.1.2 膜抵抗電圧損
　　2.1.3 気液混合液抵抗電圧損（１）
　　2.1.4 気液混合液抵抗電圧損（２）（gas effect）
３．AWE電解槽の水素純度とプラント運転方法及び安全管理
　3.1 AWE電解槽の水素純度
　3.2 AWEプラントの差圧運転に関して
　3.3 AWEプラントで電解液を陰極側のみ供給する運転に関して
　3.4 AWEプラントの安全管理
４．期待

第2節 独自開発した触媒とアニオン電解質材料を用いたAEMWEセルの開発と将来方向性
１．アニオン交換膜水電解の現状、将来の方向性と今後の展開
２．アニオン交換膜水電解の技術開発事例
　2.1 非貴金属触媒
　2.2 アニオン交換膜電解質と電解性能評価

第3節 中性pH濃厚緩衝溶液を用いたAEM水電解システムの展望
１．濃厚緩衝溶液を用いた中性pH水電解
　1.1 中性pHにおける反応物
　1.2 中性pH水電解における物質移動の影響
２．濃厚緩衝溶液のAEM型水電解への展開
　2.1 中性pH型AEMWEにおける電解質
　2.2 AEM型水電解への中性pH緩衝溶液の適用
３．中性pH濃厚緩衝溶液のAEM型水電解への展開

第4節 AEM水電解装置の運用で浮かび上がってきた課題と適切なAEM水電解装置の運用方法

第5節 PEM型水電解セルの高効率化に向けた課題と構造最適化
１．性能指標における多角的視点の重要性
２．イオン交換膜
３．PTL：物質移動とラプラス圧
４．腐食環境における材料選定
５．セパレータの製法とスタック構造の最適化

第6節 メガワット級のPEM 型水素発生装置の開発と今後の展望
１．GI 基金事業における取り組み
　1.1 GI 基金事業の概要
　1.2 大型化・モジュール化コンセプト
　1.3 段階的スケールアップ開発
　1.4 グリーン水素パーク白州における実証
２．大規模普及に向けた量産化への取り組み
　2.1 量産化の目的
　2.2 量産体制の構築

第7節 PEM型水電解セルの高効率化に向けた課題と構造最適化
１．性能指標における多角的視点の重要性
２．イオン交換膜
３．PTL：物質移動とラプラス圧
４．腐食環境における材料選定
５．セパレータの製法とスタック構造の最適化

◇第８章　高温水蒸気電解技術、その他水素製造技術の開発動向 ◇

第1節 表題：高温水蒸気電解法（SOEC）を用いた高効率水素製造技術の課題と現状
１．高温水蒸気電解の開発動向
２．高温水蒸気電解システムの課題
３．高温水蒸気電解システムの開発状況

第2節 ハイドレートメルトを用いた高効率水電解法の開発と今後の展望
１．背景：高温アルカリ水電解
２．ハイドレートメルトを用いた高効率水電解法
　2.1 ハイドレートメルトとは
　2.2 水素発生挙動
　　2.2.1 Ni電極
　　2.2.2 RuO2/Ni電極
　2.3 酸素発生挙動
　　2.3.1 Ni電極
　　2.3.2 Ni基合金電極
３．今後の展望
　3.1 ハイスピードカメラによる気泡発生挙動の観察
　3.2 ラボスケール電解セルシステムの構築

第3節　光触媒−電解ハイブリッドシステムによる低電圧水素製造技術の開発
１．光触媒−電解ハイブリッドシステムの原理と開発の経緯
２．光触媒?電解ハイブリッドシステムの実証研究
　2.1 小型実証機の構築
　2.2 大面積化と性能評価
　2.3 光触媒の長期耐久性評価
　2.4 実太陽光下での動作実証

第4節 金属錯体包接型層状Mn酸化物陽極の設計と光照射によるPt陰極での水素生成促進
１．金属錯体包接型層状Mn酸化物陽極の設計
　1.1 陽極反応からみた水素生成系の設計
　1.2 層状MnO2の構造と層間空間
　1.3 電気化学的一段階製膜法
　1.4 金属錯体と導電性支持体の統合
２．[Co(en)3]包接型層状MnO2陽極によるPt陰極での水素生成
　2.1 [Co(en)3]＠MnO2/b-CNT複合陽極の作製
　2.2 層状構造と錯体包接の確認方法
　2.3 陽極電位の選定とPt陰極でのH2生成
　2.4 b-CNＴ層および層間錯体の効果
　2.5 提案される電子リレー機構
３．層間錯体の選択と光照射による水素生成の促進
　3.1 層間金属錯体
　3.2 [Co(en)3]@MnO2への光照射実験
3.3 光応答性錯体への展開

◇第９章　水電解装置、構成部材の評価、シミュレーション技術◇

第2節 水電解装置におけるインピーダンス測定系構築のノウハウとEIS測定の実際
１．インピーダンス計測システムの構成と動作
　1.1 ALDASの構成
　1.2 インピーダンスの算出方
　1.3 ４端子電圧測定
　1.4 電流分流
　1.5 ケーブル配置と測定安定化
２．ALDAS による測定例
　2.1 PEMWE
　2.2 アルカリ水電解
　2.3 SOEC

第3節 電力・水素複合エネルギー貯蔵システムの変動補償特性と水電解システムの効率改善
１．電力・水素複合エネルギー貯蔵システム
1.1 システム構成と変動補償方法
1.2 電力需給調整方法
２．HESSの変動補償特性
３．水電解システムの効率改善方法

第4節 導電性ポリマーを用いた材料中の水素可視化技術
１．導電性ポリマーを用いた水素可視化センサー
　1.1 導電性ポリマーを用いた水素可視化センサーの検出原理
　1.2 水素可視化センサーの色変化の定量的分析
２．腐食環境における金属材料への水素侵入の可視化
　2.1 NaCl水溶液中における鉄板への水素侵入
　2.2 鉄板上のNaCl液滴下における水素侵入挙動の可視化
３．金属中の微視的な水素拡散挙動の可視化
　3.1 光学顕微鏡を用いた水素拡散挙動の高空間分解能観察
　3.2 純Niの粒界における水素の優先拡散
　3.3 スーパー二相ステンレス鋼における微視的な水素分布

第5節 アルカリ水電解槽に向けた電気化学、気液二相流とイオン輸送を連成させたシミュレーション技術
１．アルカリ水電解におけるマルチフィジックス現象
２．気液二相流・電気化学・イオン輸送の連成解析
３. 連成解析によるアルカリ水電解現象の解明
　3.1 気泡がイオン輸送に及ぼす影響
　3.2 気泡分散状態がセル性能に及ぼす影響
　3.3 磁場印加が気泡挙動および過電圧に及ぼす影響