水電解による水素製造用MMOチタンアノード

Wstitaniumは、チタン陽極の中国メーカー兼サプライヤーです。同社の塩素発生型および酸素発生型チタン陽極には、イリジウム、ルテニウム、白金陽極が含まれます。これらの陽極は、塩素アルカリ工業、海洋、造船、電気めっき、電解、湿式冶金、廃水処理、陰極防食などの分野で使用されています。

20年以上の経験を持つシニアビジネスマネージャー

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チタン高性能な製品シリーズを開発しました MMOチタン陽極製品アルカリ水電解（AWE）、プロトン交換膜水電解（PEMWE）、陰イオン交換膜水電解（AEMWE）で広く使用されています。混合金属酸化物（MMO）チタン陽極は、従来のニッケル系陽極と比較してエネルギー消費を30～40%削減します。水素生成単位あたりのエネルギー消費は0.5～1.0 kWh/Nm³削減できます。電流密度は最大10,000 A/m²まで耐えることができ、これは従来のニッケル系陽極の2～3倍です。耐用年数は10～20年と非常に長く、これは従来のニッケル系陽極の4～8倍です。電極の寸法は長期運転中もほとんど変化しないため、電解槽の性能は安定かつ一貫しています。

MMOチタン陽極コーティングシステム

MMOチタンアノードの性能は、主にコーティングの元素組成、構造、および製造技術に依存します。コーティングの種類によって電気化学的特性が異なるため、様々な水電解水素製造技術や運転条件に適しています。Wstitaniumは、水電解水素製造業界向けに、以下の4つの主要なコーティングシステムを提供しています。

イリジウム-タンタル (IrO₂-Ta₂O₅) コーティング

イリジウム-タンタルMMOチタンアノードは、二酸化イリジウム（IrO₂）を主触媒活性成分、五酸化タンタル（Ta₂O₅）を安定剤およびバインダーとして用い、熱分解法により製造されます。IrO₂含有量が80～85%の場合、極めて高い効率が求められる用途に適しています。IrO₂含有量が60～65%の場合、高電流密度、高温、または強酸性環境に適しています。

耐用年数：50,000時間以上。
電流効率95～98％。
コーティング厚さ：8～20μm。
電流密度 1000A～5000A/m²。
典型的なモル比 (IrO2:Ta2O5 = 70:30)。
酸素発生過電圧≤1.4V（標準水素電極基準、1A/cm²）。

ルテニウム-イリジウム（RuO₂-IrO₂）コーティング

ルテニウム-イリジウムコーティングは、触媒活性成分として二酸化ルテニウム（RuO₂）、安定性向上剤として二酸化イリジウム（IrO₂）、結合剤および支持体として二酸化チタン（TiO₂）を使用しています。IrO₂は耐酸化性と寿命を向上させ、高い触媒活性を維持します。ルテニウム-イリジウム-チタンコーティングは、アルカリ水電解による水素製造において、従来から用いられているコーティングです。

電流効率92～96％。
コーティング厚さ：8～20μm。
電流密度 1000A～4000A/m²。
コーティング抵抗率 ≤10⁻⁴Ω・cm
典型的なモル比（RuO₂:IrO₂:TiO₂ = 60:20:20）。
酸素発生過電圧≤1.35V（標準水素電極基準、1A/cm²）。

プラチナ（Pt）コーティング

白金被覆チタンアノードは、電気めっきまたは無電解めっき技術を用いて、チタン基板表面に金属白金の層を析出させることによって製造されます。その厚さは通常0.5～10μmです。白金は、水素発生反応（HER）と酸素発生反応（OER）の両方において極めて高い触媒活性を示します。また、酸性環境とアルカリ性環境の両方において優れた安定性を示します。

複合酸化物コーティング

Wstitanium社は、一連の複合酸化物コーティングシステムを開発しました。例えば、ルテニウム・イリジウム・スズ・アンチモン（RuO₂-IrO₂-SnO₂-Sb₂O₅）コーティングは、極めて高い酸素発生触媒活性と優れた安定性を示します。SnO₂はコーティングの導電性と多孔性を向上させます。水素製造のためのアルカリ水電解において、その性能はルテニウム・イリジウム・チタンコーティングよりも優れており、コストは同程度です。

MMOチタン陽極の比較

お客様がより直感的かつ正確に最適なコーティングシステムを選択できるよう、Wstitaniumは主流の5種類のコーティング済みMMOチタンアノードの主要性能パラメータを詳細に比較しました。すべてのデータは、Wstitanium研究所が国家規格に厳密に準拠して実施した試験に基づいています。 GB / T 45092-2024 「水電解による水素製造用電極の性能試験および評価」に関する論文、ならびに権威ある第三者機関による試験報告書。

技術パラメータ	IrO₂-Ta₂O₅	RuO₂-IrO₂	プラチナ（Pt）	IrO₂-Ta₂O₅-SnO₂	RuO₂-IrO₂-SnO₂-Sb₂O₅
モル比	IrO₂（70％）、Ta₂O₅（30％）	RuO₂ (60%)、IrO₂ (20%)、TiO₂ (20%)	Pt	IrO₂ (55%)、Ta₂O₅ (25%)、SnO₂ (20%)	RuO₂ (55%)、IrO₂ (15%)、SnO₂ (20%)、Sb₂O₅ (10%)
コーティングの厚さ	8-12μm	8-12μm	0.5-5μm	8-12μm	8-12μm
貴金属の充填	15-20 g /m²	12-18 g /m²	10-50 g /m²	10-15 g /m²	10-15 g /m²
酸素発生過電位（1A/cm²、SHE基準、30℃）	≤1.40V	≤1.35V	≤1.32V	≤1.41V	≤1.34V
酸素発生過電位（0.4A/cm²、SHE基準、80℃）	≤1.32V	≤1.26V	≤1.24V	≤1.33V	≤1.25V
ターフェル斜面	≤ 60mV/dec	≤ 55mV/dec	≤ 50mV/dec	≤ 62mV/dec	≤ 53mV/dec
抵抗率	≤ 5×10⁻⁴ Ω·cm	≤ 3×10⁻⁴ Ω·cm	≤ 1×10⁻⁵ Ω·cm	≤ 4×10⁻⁴ Ω·cm	≤ 2.5×10⁻⁴ Ω·cm
電流密度	1～4A/cm²	0.2～1.0A/cm²	0.1～2.0A/cm²	1～3A/cm²	0.3～1.2A/cm²
温度	90℃	80℃	100℃	85℃	85℃
最大圧力	80bar	30bar	100bar	60bar	30bar
pH範囲	0-14	1-12	0-14	0-14	1-14
耐塩化物性	素晴らしい	グッド	素晴らしい	非常に良い	グッド
酸素発生（海水）	90-92％	85-90％	85-90％	95-97％	82-87％
逆電流抵抗	グッド	素晴らしい	素晴らしい	グッド	素晴らしい
PEM電解槽	素晴らしい	適用されない	グッド	素晴らしい	適用されない
アルカリ電解槽	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい
AEM電解槽	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい	素晴らしい
海水直接電気分解	グッド	適用されない	グッド	素晴らしい	適用されない
耐用年数（PEM）	40,000-60,000時間	適用されない	10,000-30,000時間	35,000-50,000時間	適用されない
耐用年数（アルカリ電池）	60,000-80,000時間	30,000-40,000時間	20,000-40,000時間	50,000-70,000時間	35,000-45,000時間
加速された人生 (1M H₂SO₄、10A/cm²)	≥100時間	適用されない	≥50時間	≥80時間	適用されない
加速された人生（30% KOH溶液、10A/cm²）	≥200時間	≥150時間	≥100時間	≥180時間	≥170時間
超音波質量減少法（60分）	≤ 0.5mg/cm²	≤ 0.4mg/cm²	≤ 0.3mg/cm²	≤ 0.5mg/cm²	≤ 0.4mg/cm²
費用	ハイ	技法	非常に高い	高いメディア	技法
優位性	極めて高い耐酸性、最長の耐用年数、高い電流密度。	最高の触媒活性、中程度のコスト、優れた逆電流耐性。	最高の導電性、極めて高い活性、高純度。	極めて高い塩化物耐性、高い酸素発生選択性、低いイリジウム含有量。	極めて高い触媒活性、良好な安定性、中程度のコスト。
デメリット	比較的高いコスト。	耐酸性が低いため、PEMには使用できません。	非常に高額な費用がかかり、プラチナが溶解するリスクもある。	適用事例は比較的少ない。	耐酸性が低いため、PEMには使用できません。

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MMOチタン陽極構造

MMOチタン陽極の形状と構造は、電解槽の性能に影響を与える重要な要素です。形状によって効率や比表面積が異なり、様々な電解槽設計に適しています。Wstitaniumは高度なチタン加工技術を有しており、お客様の電解槽構造や技術要件に合わせて、様々な形状と仕様のMMOチタン陽極をカスタマイズ製造できます。

チタン製陽極板

板状チタン陽極は、チタン板を切断、溶接、表面処理、コーティングして製造されます。構造がシンプルで低コストです。

メッシュチタン陽極

メッシュ状のチタン陽極は、比表面積が大きい、ガスの排出性が良い、電解液の流れが良いといった利点があり、陽極の形状として最も好まれています。

管状チタン陽極

管状チタン陽極は、360°全方向放電と優れた放熱性を備えているため、管状電解槽に適しています。

バスケットMMOチタンアノード

ロッド型MMOチタン陽極

カスタムMMOチタンアノード

Wstitaniumカスタムソリューション

Wstitaniumは、水電解による水素製造プロジェクトにはそれぞれ独自の要件と運転条件があることを理解しています。そのため、WstitaniumはカスタマイズされたMMOチタン陽極ソリューションを提供しています。当社のカスタマイズサービスは、コーティング配合設計や構造最適化から製造まで、プロセス全体を網羅し、お客様の電解槽システムに完璧に適合することを保証します。

電流密度（>3A/cm²）

コーティングの厚さを12～30μmに増やす
多孔度を30～40％に最適化する
コーティングの導電性を向上させる
貴金属の含有量を増やす
グラデーションコーティング構造

高温（80℃以上）

高圧（30バール以上）

長寿命（80,000時間以上）

低コスト要件

変動する電力供給

プロジェクトケース

Wstitanium社のMMOチタン陽極は、世界中で100件以上の水電解水素製造プロジェクトに採用され、成功を収めています。これらのプロジェクトは、アルカリ電解、PEM、AEMといった様々なプロセスに対応し、研究室レベルの研究から大規模な工業用水素製造まで多岐にわたります。

1. 80MW「供給・送電・負荷・貯蔵水素」プロジェクト

このプロジェクトの総設備容量は1.5万キロワットで、内訳は風力発電500,000万キロワット、太陽光発電20,000万キロワットです。また、80メガワットの水電解水素製造システムが建設され、年間2万トンのグリーン水素が生産される予定です。

チタン溶液

コーティング：ルテニウム-イリジウム-スズ-アンチモン酸化物コーティング（RuO₂:IrO₂:SnO₂:Sb₂O₅=55:15:20:10）。このコーティングは、より高い触媒活性、逆電流に対する優れた耐性、およびより長い耐用年数を提供します。再生可能エネルギーと組み合わせた変動する電力供給条件に適しています。形状：3層メッシュ構造（2×4mmダイヤモンドメッシュ、線径1.0mm）。製造：2400個以上の大型メッシュ陽極、総反応面積12,000m²以上。すべての製品は30日以内に製造されました。

結果

電解槽電圧は1.82V未満で、平均より0.08V低い値でした。単位水素製造時の消費電力は4.3kWh/Nm³以下です。電流効率は96.5%以上です。負荷変動が30%から110%に及ぶ過酷な運転条件にも耐えました。電圧低下率はわずか0.012%/1000時間で、ニッケル系陽極よりも大幅に優れています。同様の運転条件下におけるニッケル系陽極の電圧低下率は0.035%/1000時間です。期待寿命は90,000時間を超えます。

2. 海水電気分解による水素製造

110kW熱結合型海水直接電解水素製造システム。このシステムは、淡水資源に依存する従来の水電解水素製造の問題点を解決し、高効率、安定、低コストの海水直接電解水素製造技術の開発を目指しています。

チタン溶液

コーティング：イリジウム-タンタル-スズ酸化物コーティング（IrO₂:Ta₂O₅:SnO₂=60:25:15）。このコーティングは、塩化物イオン腐食に対する非常に強い耐性と高い酸素発生選択性を示し、塩素発生副反応を効果的に抑制します。形状：管状陽極（外径φ20mm、肉厚1.5mm、長さ1000mm）。管壁には、10mm間隔でφ3mmの円形の穴が開けられています。

結果

酸素発生選択率は96%以上で、塩化物発生副反応を効果的に抑制します。塩素生成量は10ppm以下です。セル電圧は1.90V以下で安定しており、単位水素製造あたりの消費電力は4.5kWh/Nm³以下です。電圧降下率は0.02%/1000時間です。陽極は海水中で5000時間以上安定して連続運転しており、著しい腐食や性能劣化は見られません。

3. 20MW PEM電解水素製造プロジェクト

水素製造用の20MW級PEM電解システム。1日あたりの水素生産能力は2000kg。水素純度は99.999%以上。

チタン溶液

コーティングシステム：イリジウム-タンタル酸化物コーティング（IrO₂：Ta₂O₅＝70：30）。多層勾配構造設計により、極めて高い耐酸性と安定性を実現。形状：多孔質チタン陽極（発泡チタンマトリックス、気孔率60％、細孔径100μm、厚さ2mm）。

結果

セル電圧は1.72V以下で安定。水素製造時の消費電力は4.7kWh/Nm³以下。水素純度は99.999%以上。12ヶ月以上にわたり安定運転し、性能劣化は2%未満。期待寿命は最大60,000時間。

4. AEM電解による水素製造

AEM電解法による水素製造は、アルカリ電解槽とPEM電解槽の利点を兼ね備えています。低コスト、高効率、高速応答性といった利点を誇り、水電解による水素製造技術の将来的な発展方向として重要な位置を占めています。

チタン溶液

試験用に、ルテニウム・イリジウム・チタンコーティング、イリジウム・タンタルコーティング、イリジウム・タンタル・スズコーティング、および多成分複合酸化物コーティングなど、様々なコーティングシステムのサンプルを提供しました。陽極サンプルは、板状、メッシュ状、多孔質チタンなど様々な形状のものを用意し、メッシュサイズや多孔度も異なるものを提供しました。

結果

多成分複合酸化物コーティングの酸素発生過電圧は1.38V以下（1A/cm²、60℃）。電流効率は96%以上。従来のルテニウム・イリジウム・チタンコーティングと比較して、使用する貴金属の量が30%削減され、AEM電解槽のコストが大幅に低減されます。

5. 水素製造用100MWアルカリ水電解装置

年間25,000トンのグリーン水素を生産する、100MW級アルカリ水電解式水素製造システム。

チタン溶液

コーティング：ルテニウム-イリジウムチタン酸化物コーティング（RuO₂:IrO₂:TiO₂=50:30:20）。このコーティングは優れた触媒活性と極めて高い安定性を示し、大規模な工業用水素製造プロジェクトの長寿命要件に特に適しています。2層メッシュ構造（3×6mmダイヤモンドメッシュ、線径1.2mm）。接触抵抗を低減するための銅導電棒。