アルカリ(ALK)、プロトン交換膜(PEM)、アニオン交換膜(AEM)、固体酸化物(SOEC)の4つの水の電解技術と、これらの技術の欧米での展開をまとめました。

序説

上の図は、米国エネルギー省が2020年時点で定めた技術成熟度(TRL)を示したものですが、米国のSOEC評価はTRL5 ~ 6で、euが2020年時点で評価しているTRL7を下回っています。

この4つの水を電気分解する技術は、材料、性能、効率、コストなどの面でそれぞれの強みと課題があります。アルカリ性電解槽と比較して、PEMは自動車ゲージ級水素エネルギー、変動性再生可能エネルギーなどの特定用途においてますます優位に立っている。このため、多くの新設プロジェクトでPEM電解槽が選ばれ始めている。SOECとAEMは新興技術であり、大きな発展の可能性を持っており、欧米の研究開発の重点でもあります。ただし、SOECでは耐久性や製造工程の向上が必要ですが、AEMではまだ基礎材料の開発段階です。

直近の研究開発では、米国とeuがPEMとSOECの水電解技術に注目し、バイオマス水素製造を中期目標としています。また、米国エネルギー省は、太陽の光と熱(フォト触媒)を直接利用して水素を製造する長期的な研究開発戦略を策定しており、この戦略の下、次の図のような技術の成熟度に反映されています。

陽子交換膜電解槽

プロトン交換膜(PEM)電解槽は、薄型のフルフッ素スルホン酸膜(PFSA)と先進的な電極構造を採用しており、低抵抗、高効率という利点があります。PFSA膜は化学的・機械的に非常に安定しており、耐圧性に優れているため、PEM電池は70barまで動作し、酸素側は常圧を維持します。しかし、PEM電解槽は高酸性、高電位、不利な酸化環境で動作するため、安定性の高い材料を使用する必要があります。高価なチタンベースの材料、貴金属触媒、保護コーティングは、電池要素に必要な高い安定性を提供するだけでなく、優れたコンダクタンスと電池効率を提供するために不可欠です。PEMシステムはコンパクトでシンプルに設計されているが、水中の不純物(鉄、銅、クロム、ナトリウムなど)に敏感であり、焼成の影響を受ける。

上記の表は、欧米におけるPEM電解水システムの主要サプライヤーが近年、大規模な資金調達、m & a、統合を行っていることを示しています。英国ITMは2019年に5,880万ポンドの資金調達を獲得したのに続き、2020年には1億7200万ポンドの資金調達を完了しました。さらに、2023年に1.5GW、2024年に2.5GWの生産能力を持つ2つの工場を建設する計画です。

2020年10月には、フランスのガズトランスポートアンドテクニゲス(GTTグループ)が約800万ユーロでAREVAH H2Genを買収し、社名をElogenに変更しました。

2020年には、米国のPlug Powerが5,800万ドルでGiner ELXを買収しました。同年、プラグパワーは民間用の液体水素製造・貯蔵・輸送会社ユナイテッドハイドロジェンを6,500万ドルで買収しました。

2022年、Plug PowerはFrames Groupを9,800万ドルで買収し、PEM電解水実験室技術と設備、エンジニアリング能力を保有しています。

Plugでは,燃料電池フォークリフト事業とは別に,PEM電解水を主力事業として成長させていく予定です。2007年、Plugはフォークリフト事業に特化したGeneral Hydrogenを1,000万ドルで買収しました。Plugはこれまでに全米で4万台以上のフォークリフトを配備しています。

Giner ELXとその元の親会社であるGiner LabsのPEMとAEMの研究開発プロジェクトは、米国エネルギー省から資金提供を受けています。現在、米国のPEM電解水材料の研究開発はメカニズム研究と材料性能の向上に重点が置かれているのに対し、AEMは材料開発とメカニズム研究に重点が置かれており、次の図のように大学や国立研究所が主導する研究開発プロジェクトが立ち上げられています。

陰イオン交換膜電解槽

最新の電解水技術であるアニオン交換膜(AEM)電解槽は、アルカリ性電解槽の低コスト化とPEMの単純化と高効率化を組み合わせることが可能です。この技術は、非貴金属触媒、無チタン部品を使用し、PEMのように圧差で動作します。しかし、AEM膜には化学的および機械的安定性の問題があり、これは寿命に影響を与えます。また、AEM膜の伝導性が低く、触媒動力学が遅く、電極構造が悪いこともAEMの性能に影響を与えます。通常は膜の伝導性を調整したり、支持電解質(KOH、NaHCO3など)を添加することで性能が向上しますが、膜の耐久性が低下します。PEMではOHイオンの伝導速度はH+陽子の3倍遅いため、AEM膜はより薄く、より電荷密度の高い膜を開発する必要があり、BOP補助系への要求も高まっています。

アルカリ電解質を必要とするかどうかによって、現在国際でAEMの研究開発の方向はアルカリ電解質システムと純水システム(すなわちアルカリ液がなくて、メンテナンスに便利です)に分けることができます。前者は電流密度と耐久性を高めることを重視します。後者は膜の安定性を向上させ、高度な膜材料と無(または低)PGM触媒を利用して性能と耐久性を向上させます。また、AEMの単位原子炉のコストはPEMよりもずっと低いので、小室電圧を下げることによってAEMの電気効率を高めることも一つの戦略です。

AEM技術は現在研究開発中です。主要な国際的な開発とメーカーは、イタリアの企業ENAPTER、彼らは製品の商業化の小型化に成功しています。右上が同社の公開パラメータ、右下が米国エネルギー省が2021年に行ったアンケート調査の情報です。

現在、ENAPTERの研究開発の重点は純水システムにおける膜の導電性と耐久性の向上であり、電流密度は1A/c㎡(小室の動作電圧は1.8V)以上、減衰率は15mV/1000時間未満を目標としています。膜の開発では、カナダのIonomr Innovations Inc.です。Aemion+™膜は、AEMポリマー構造における不安定な分解機構の根本的な問題を解決しようとしています。

固体酸化物電解槽

固体酸化物電解槽(SOEC)は高温(700-850℃)で稼働するため、安価なニッケル電極を使用することができます。高品質の工業用余熱、例えば75%の電気エネルギーと25%の水蒸気を注入した熱エネルギーを利用すれば、SOECのシステム効率(LHV H2 to AC)は近い将来85%に達し、euの2030年の目標である90%を10年以内に達成することが可能です。SOEC電解槽の供給源は水蒸気ですが、二酸化炭素を加えれば、水素と一酸化炭素を含む合成ガス(Syngas)が生成され、軽油や航空燃料などの合成燃料を生産することができます。このため、SOEC技術は二酸化炭素の回収、燃料の生産、化学合成の分野で広く応用されることが期待されており、これはeuの近年の研究開発の重点となっています。SOECのもう一つの強みは、欧米でも長年研究されてきた再生可能エネルギーの貯蔵に用いる可逆燃料電池の可逆性です。

SOECの当面の課題は耐久性です熱化学的サイクルの中で、特にシステムが停止したり始動したりすると、老化が進み、寿命が低下します。現在の固体酸化物は、イットリウム8%を添加することで安定性を高めたジルコニアで、化学式は(ZrO2) 0.92 (Y2O3) 0.08となります。現在、固体酸化物の性能と耐久性を高め、操作温度を下げることが欧米の研究開発の重点となっています。

PEM電解水は今後5年で少人数用から主流になり、MWからGWに規模が拡大します。SOECは実質的な成長段階に入り、AEMも早期に市場に参入していきます。他にも、バイオ、太陽熱水分子分解など、画期的な技術が登場するかもしれません。

声明:他のウェブサイトの内容を転載して参考に供するだけで、著作権は著作権者に属して、もし権利侵害があるならば、連絡して削除してください