韓国の研究チームが冬季に水素燃料電池の性能と耐久性を低下させる「電極の凍結破損（凍害）」問題の核心原因を解明し、簡便な熱処理工程だけで解決することに成功した。
韓国研究財団は、ピョ・ジェボム国立コンジュ大学教授、キム・テクス韓国科学技術院（KAIST）教授、キム・ジフン国防科学研究所上級研究員の共同研究チームが電極凍害の原因を解明し、190度で10分間の熱処理工程によって解決したと5日に明らかにした。イオノマーは水を吸収して水素イオンのような電荷を伝達し、同時に粒子を接着・支持する高分子を指す。
水素燃料電池と水を電気で分解する水電解装置は、将来のクリーンエネルギー技術の中核とされる。しかし冬季の厳寒期には電極内部に残った水が凍結して亀裂が生じ、このため装置の性能と寿命が低下する問題がある。
従来の研究は、この破損現象の原因を電極内の微細な気孔に閉じ込められた水が凍る際に生じる圧力だとみなしてきた。したがってこれまではヒーターや外部補助装置で温度を高める方式に依存してきた。
研究チームは、電極にナノ気孔が少なく初期の機械的性能が優れていても、イオノマー含量が高いとむしろ凍害に一層脆弱になる点を見いだした。凍害の主犯はナノ気孔ではなく、スポンジのように水を吸い込む「イオノマー結合体」であることを解明した。
研究チームは問題解決のために190度で10分間の熱処理工程を適用した。この過程でイオノマーのナノ構造が緻密に変形し、水が滞留する空間そのものを調整し、その結果マイナス20度の厳寒でも初期機械的性能の90％以上を維持する画期的な耐久性を確保できた。
ピョ・ジェボム教授は「今回の成果は電極の凍害原因に関する従来の通念を覆し、凍害の根本原因を突き止め新たな解決策を提示した」と述べ、「これにより冬季の燃料電池車の安定的な始動、厳寒地域の水電解プラントの信頼性向上はもちろん、イオノマーを用いる次世代電池、スーパーキャパシタなど多様な将来のエネルギー貯蔵装置の低温安定性改善に幅広く適用できると期待される」と明らかにした。
研究チームは長時間の反復的な凍結・解凍試験、実際の発電システム環境での検証を経て、大規模システムに適用可能な技術へ発展させる予定である。
今回の研究成果はエネルギーおよび材料科学分野の国際学術誌「カーボンエナジー（Carbon Energy）」に10月31日（現地時間）に掲載された。
参考資料
Carbon Energy（2025）、DOI: https://doi.org/10.1002/cey2.70098