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PGM-free Electrodes for AEM and Alkaline Electrolysis - Catrode®

With Latent Drives' innovative electrochemical treatment process, they activate stainless steel electrodes to make Catrodes® which combine both catalyst and electrode as one homogeneous part, without additional ingredients.
Catrodes are PGM-free (Platinum Group Metal) robust high-performance products.
The production process is developed for high volume mass production at realistic costs – reducing the capital costs of Green Hydrogen.
The Catrode is a Ni-Fe catalyst. First, the electrochemical surface area is increased then chromium is removed, and nickel is migrated and exposed on the surface of the stainless steel felt to produce a nickel iron catalytic surface layer.
The catalyst layer is formed on stainless steel felt which acts as both the Catalyst, Electrode and Gas diffusion layer combined.
Catrodes are 0.6mm thick with an active area of 200 cm² as standard but different thickness and areas could be treated as a custom request.
PGM free Catrodes performance in OER is comparable with state-of-the-art precious metal catalysts such as platinum and iridium and significantly surpasses the performance of nickel electrodes at a much-reduced cost.
Catrodes exhibit a stable performance below 1.58V RHE at 0.2A/cm2 at 50°C for 22 hours run in an ElyFlow test cell with an active area of 10 cm² compared to the overpotential of a commercially available Catalysed Nickel foam which reached 1.69V RHE.
The PGM-free Electrodes are designed to be run wet i.e. with liquid electrolyte in contact with the Catrode and membrane. Not intended for use with Nafion membranes.
Key features

Suitable for AEM and Alkaline Electrolysis
PGM-free (Platinum Group Metal) robust high-performance products
Developed for high volume mass production at realistic costs
Catrode is a Ni-Fe catalyst
Available in different thickness and areas as a custom request
Comparable with metal catalysts such as platinum and iridium and significantly surpasses the performance of nickel electrodes at a much-reduced cost
PGM-free Electrodes for AEM and Alkaline Electrolysis - Catrode®_2

Application areas

For alkaline water electrolysis, with either AEM or Zero Gap designs.
For use with Potassium Hydroxide (KOH) electrolyte in concentrations from 01.M to 5M.
Catrodes were developed to be used as anodes but can also be used as cathodes in an alkaline electrolyser.
Catrodes may also have potential to be used in batteries and fuel cell technology but after mutual collabaration with Latent Drive.
Use cases

Catrodes are being used as the combined gas diffusion layer and catalyst in a European electrolyser startup.
Catrodes in the form of treated stainless steel sheet is also being developed for a customer.
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Latent Drive is at the forefront of fuel cell technology innovation for novel applications. Interested? Please contact the vendor by filling in the contact vendor form.

出光興産、東京大学、大阪大学、産業技術総合研究所は2024年7月4日、常温・常圧環境下でアンモニア（NH3）を空気中の窒素（N2）と水（H2O）と電力から連続的に合成する技術で、競合のアンモニア生成速度を20倍上回る世界最高性能を達成したと発表した（図1）。今後、2028年度までにシステムの規模を拡大すると同時に生産効率をさらに高める研究開発を進め、その後は社会実装に向けた開発をして、2032年度に1000トン/年規模のアンモニア生産を目指すとしている。

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図1　競合に対して約20倍のアンモニア生成速度を実現

報告例1は2020年、報告例2は2023年でいずれも中国科学院の研究者の論文（出所：出光興産）

　アンモニアは100年余り前にドイツで水素（H2）と空気（実際には窒素ガス）から合成する技術「ハーバー・ボッシュ（HB）法」が開発されたことで、低コストで量産できるようになり、それを肥料に用いることで食料の生産量が飛躍的に高まり、世界の人口の急速な増加につながった。ただし、HB法には、
（1）高温高圧を必要とし、結果として装置が超大型になる
（2）水素は別途、生産または調達する必要がある
（3）（2）の水素を生産する過程で、少なくともこれまでは大量の二酸化炭素（CO2）を排出していた
といった課題があった。

　こうした背景から、出光興産らは新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のグリーンイノベーション基金事業の委託業務として、常温常圧でしかも、水素の生産や調達を必要としないアンモニア合成法の開発を進めている。

PEM形水電解システムの一部を流用

　システムの概要は図2の通りになる。まず、水素の代わりとしての水、そして窒素原子Nの供給源としての窒素ガスを電解セルスタックに投入する。この際、還元剤と、窒素分子の3重結合を切るための触媒も同時に投入する。

（a）システムの構成

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（b）実際のシステム

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図2　システムはPEM形水電解に似る

今回のアンモニア電解合成システムの構成（a）と、実際の実験システム（b）。研究者が手にしている黒いデバイスが電解セル。今後はこれをより大型にする計画だ（出所：（a）は出光興産の資料に日経クロステックが加筆、（b）は出光興産）

　この電解セルスタックは、水を電気分解するPEM（Proton Exchange Membrane）形水電解のセルスタックと、多くの部材や構造が共通する。PEM形水電解では、水をアノードで酸化してプロトン（H＋）にした後、カソードで還元して水素を取り出す。

　今回の電解セルスタックでもアノードの役割はPEM形水電解と同じである。ただ、カソードでこのプロトンに加えて、水、及び触媒に配位した窒素原子Nなどをまとめて還元することでアンモニアを合成する。

世界をリードする2つのブレークスルー

　この開発では大きく2つのブレークスルーがあった。1つは、常温常圧の下で窒素分子の3重結合を切るための触媒の開発だ。これは東京大学 大学院 工学系研究科 教授の西林仁昭氏の研究チームが開発したモリブデン（Mo）を基にした触媒（図3）である。空気中の窒素を固定する根粒菌が持つ酵素「ニトロゲナーゼ」についての研究が端緒になっている。

図3　Mo触媒の例

東京大学の西林研究室が開発したMo触媒の化学式の例。最近はさらに改良が進んでいるようだ。tBuは、tertiary Butyl（出所：東京大学 西林研究室）

関連記事

出光などが「世界最高性能」、常温常圧で水素不要のアンモニア合成 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)

　東京ガスは2024年7月、水を電気分解して水素を取り出す水電解装置に用いる、レアメタルのイリジウム（Ir）を用いた触媒層付き電解質膜（Catalyst Coated Membrane：CCM）で、世界トップクラスの省Ir化を達成していることを明らかにした。

　東京ガスは、燃料電池の量産製造技術を持つSCREENホールディングスと共同で、プロトン交換膜（Proton Exchange Membrane：PEM）形水電解装置に使われるCCMを開発している。新聞紙を刷る輪転機に似た、ロール・ツー・ロール（R2R）式で量産することを目指している（図1）。しかも、以前からCCMの大型化と、酸素発生極（アノード）で用いるIr触媒の省Ir化を並行して進めており、大型化については現時点では寸法が25cm×50cm（電極面積1200cm2超）のCCMを開発済み。2024年度中にも、これを70cm超角（5000cm2）に拡大する計画。既に、SCREENホールディングスは、PEM形水電解セルを製造する新工場を建設中だという。

（a）電極面積が1200cm2超のCCM

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（b）ロールに巻いたCCM

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（c）酸化イリジウム（IrO2）

（d）PEM形水電解のセルスタックの試作例

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（e）セルを構成する部材

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図1　CCMの本格量産に向けCCMの大型化と省Ir化にまい進

東京ガスが2024年春に初公開した電極面積が1200cm2超のCCM（a）、SCREENホールディングスとの共同開発で、開発当初からロール・ツー・ロール式での製造を想定する（b）、アノードにおける触媒には酸化イリジウム（IrO2）を利用する（c）、開発初期に試作したセルスタック（d）、セルを構成する部材（e）（出所：日経クロステック）

 

水電解装置の省イリジウム化競争、東京ガスが世界の先頭集団へ | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)

 

Game-changing electrolyser coating that could halve hydrogen stack capex cost to be tested at scale | Hydrogen Insight

New demonstration plant will enable tests on parts big enough for commercially-sized systems

A technology company that has developed a metallic alloy coating that could double hydrogen production from alkaline electrolysers and halve the stack capex cost for H2 projects has today (Thursday) commissioned a demonstration plant to scale-up testing to commercially-sized systems.

Oxford NanoSystems’ (ONS) so-called “nanoFlux” alloy coating encourages the formation of more, smaller bubbles on the electrodes within an electrolyser, which in turn allow more electrons to move throughout the system — enabling the use of higher electrical currents and more hydrogen production in any given time period.