アルカリ性ゼロギャップCO2電解セルにおけるガス拡散電極の過度な圧縮の影響

クリーンエネルギー装置を“締め付ける”ことが重要な理由

二酸化炭素（CO2）を電気で有用な燃料や化学品に変換することは、特にその電気が再生可能エネルギー由来であれば温室効果ガス排出の削減に寄与します。有望な多くのCO2→燃料デバイスはサンドイッチのような構造で、薄く多孔な層を強く固定して使います。本研究は、その層の一つ、アルカリ性CO2電解器のガス拡散電極を過度に圧縮すると逆効果になりうることを示しています：ガス経路の閉塞、孔内への液体浸入と塩の蓄積を促し、最終的に効率と安定性を損ないます。適正な圧縮度を見つけることは、性能改善のためのシンプルだが強力な操作であることがわかりました。

これらの装置がCO2を燃料に変える仕組み

本研究はアルカリ性ゼロギャップCO2電解器に着目しています。これは加湿されたCO2ガスが一方（カソード）から入り、反対側（アノード）には液体電解質が流れる装置です。その間に薄い膜と、ガス・液体・電子を触媒部位に供給する多孔質のガス拡散電極が配置されています。カソードでは主にCO2が一酸化炭素（CO）に変換され、COは燃料や化学品の有用な前駆体となります。一方、生成した水素（H2）は望ましくない副生成物です。装置を効率的に動作させるには、CO2ガスが触媒に到達し、液体が孔を埋め尽くさず、電極内部に塩の結晶が成長しないことが必要です。機械的圧縮、すなわちスタックをどれだけ強く締めるかは、この多孔層の厚さや多孔率を直接変化させ、これらすべての輸送プロセスに影響を与えます。

強く締めすぎると生じる見えない閉塞

研究者らはカソードのガス拡散電極を10％、20％、30％の厚さ低下として三段階の圧縮レベルで比較しました。シンクロトロンでの高速X線イメージングを用いて、アノード側からの液体、凝縮水、および固体の塩析出がカソード内部でどのように分布するかをリアルタイムで観察しました。最も高い30％圧縮では、電極の孔はより入り組み開放性が低下しました。X線吸収データは、特に触媒領域やガスが多孔質層に最初に入る界面近傍に液体と高濃度の塩が蓄積することを示しました。これにより局所的な液体と塩の閉じ込めポケットが生じ、CO2の流れを遮る微視的な渋滞が発生し、時間とともに悪化しました。

内部から性能損失を測る

これらの内部変化を実運転性能と結びつけるために、チームは産業的に関連する電流密度で電解セルを運転しながらセル電圧、抵抗成分、生成物分布を追跡しました。30％圧縮ではセル電圧が大きく変動し、液体によってガス流が断続的に遮られる不安定な二相流と整合しました。電気化学インピーダンス測定は、質量輸送抵抗（反応部位に反応物が到達する困難さ）がテスト終了時点で10％圧縮に比べて30％圧縮で7倍以上高くなっていることを明らかにしました。この増加はアノード側の液体分布にはほとんど変化がなかったことから、アノードの問題ではなく塩の蓄積に結びついていました。対照的に、単純な電気伝導に関連するオーミック抵抗は圧縮によってほとんど変化せず、過度な圧縮が基本的な導電性よりも主にガス–液体輸送を損なうことを示しています。

燃料生産のための最適点を見つける

チームは90分の運転でデバイスがCOではなくH2をどの程度選択的に生成するかも測定しました。当初、高圧縮の電極はやや高いCO生成を示しました。これは拡散距離が短くなったことで一時的にCO2のアクセスが有利になったためと考えられます。しかし、収縮した孔に液体と塩が蓄積するにつれてCO生成は急落し、H2生成は上昇してから安定化しました。これはCO2が次第に遮られる一方で水は触媒に到達し続けていることを示します。軽く圧縮したケース（10％）は開始時のCO比率は低めでしたが、より安定して維持され、最終的に平均CO効率が最も高く性能劣化も小さく終わりました。これは、より開放的で入り組みが少ない孔構造のほうが、時間経過に伴うガスアクセス、液体の存在、塩の管理のバランスをうまく保つことを示しています。

よりクリーンなCO2変換に向けての意味

実用的には、本研究はCO2電解器を組み立てる際に「強く締めればよい」というわけではないことを示しています。約10％の適度な圧縮レベルは、層間の良好な接触を維持しつつCO2ガスの通路を開いたままにし、液体や塩の閉じ込めを抑えるのに十分でした。ガス拡散電極を過度に圧縮すると、装置が“呼吸”するために頼っているチャネルを押しつぶしてしまい、不安定な電圧、高い輸送損失、そしてCO選択性性能の急速な低下を招きます。機械的圧縮という低コストの設計パラメータを慎重に調整することで、エンジニアはデバイス寿命を延ばし、高電流での運転を安定化させ、CO2電解を実用的な産業導入に近づけることができます。

引用: Farsi, A., Batta, V., Tugirumubano, A. et al. Impact of over compressing gas diffusion electrodes in alkaline zero-gap CO₂ electrolyzers. Sci Rep 16, 12443 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42959-1

キーワード: CO2電解, ガス拡散電極, 機械的圧縮, 質量輸送, 電気化学的変換