グリーン水素製造における次世代水電解技術：PEMECとAEMECの性能限界とブレークスルーへの挑戦
はじめに
脱炭素社会の実現に向け、再生可能エネルギー由来の電力を用いて水を電気分解することで製造される「グリーン水素」への期待が高まっています。このグリーン水素製造の中心技術である水電解は、アルカリ水電解（AEC）、固体高分子形水電解（PEMEC: Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell）、固体酸化物形水電解（SOEC: Solid Oxide Electrolysis Cell）といった複数の方式が存在します。本稿では、特に再生可能エネルギー由来の変動電源との高い親和性と将来的なコストダウンの可能性を秘めるPEMECとアニオン交換膜水電解（AEMEC: Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell）に焦点を当て、それぞれの技術原理、現状の性能限界、そしてブレークスルーに向けた研究開発の最前線を考察します。
PEMECの現状と技術的課題
PEMECは、プロトン交換膜を電解質として使用し、純水を電気分解する技術です。その最大の特長は、高い電流密度での運転が可能であること、高速な応答性を持つため再生可能エネルギーの出力変動に追従しやすいこと、そして高純度の水素を製造できる点にあります。この特性から、変動電源との連携が必須となるグリーン水素製造において、有力な選択肢として注目されています。
しかし、PEMECの普及には依然としていくつかの技術的、経済的課題が存在します。
1. 貴金属触媒の使用
PEMECのアノード側では酸素発生反応（OER）を、カソード側では水素発生反応（HER）をそれぞれ触媒しますが、特にOER触媒にはイリジウム（Ir）やルテニウム（Ru）といった高価な貴金属が不可欠です。Irは供給量が限られ、その価格変動がコストに大きく影響します。また、HER触媒には白金（Pt）が広く用いられています。これらの貴金属の使用量削減、あるいは非貴金属触媒の開発は、PEMECのLCOH（Levelized Cost of Hydrogen）削減における喫緊の課題です。
- 研究開発の方向性:
- Ir使用量削減: Ir合金化、Ir担持量の低減、Ir原子層堆積技術。
- 貴金属フリー触媒: 高エントロピー合金、遷移金属酸化物、窒化物など、酸素発生反応（OER）活性の高い非貴金属材料の開発。
2. プロトン交換膜のコストと耐久性
現在主流のプロトン交換膜は、パーフルオロスルホン酸（PFSA）系のフッ素樹脂が中心です。これらの膜は高いプロトン伝導性を示しますが、製造コストが高く、長期的な化学的・機械的耐久性の向上が求められています。特に、高電流密度での運転や運転停止と再起動を繰り返す条件下では、膜の劣化が加速する可能性があります。
- 研究開発の方向性:
- 低コスト膜の開発: 非フッ素系高分子、炭化水素系高分子を用いたプロトン交換膜の高性能化。
- 高耐久性膜の開発: 酸化劣化抑制剤の導入、複合膜構造による機械的強度の向上。
3. システム構成材料の課題
PEMECスタックは、貴金属触媒やプロトン交換膜の他にも、チタン製バイポーラプレート、貴金属コーティングされたガス拡散層（GDL）など、高価な耐食性材料を必要とします。これらの材料のコストと、長期安定性の両立が課題です。
AEMECの台頭と挑戦
AEMECは、アニオン交換膜を電解質として使用し、水酸化物イオン（OH-）を輸送する技術です。AEMECはAECとPEMECの中間的な特性を持つと位置づけられ、特に以下の点で大きな可能性を秘めています。
1. 非貴金属触媒の使用可能性
AEMECはアルカリ環境で動作するため、OERおよびHER触媒としてニッケル（Ni）、鉄（Fe）、コバルト（Co）などの安価な非貴金属触媒を利用できる可能性が高いです。これにより、PEMECの最大の課題である貴金属コストを大幅に削減できると期待されています。
2. 低コスト材料の採用
アニオン交換膜自体も、比較的安価な高分子材料で製造可能です。また、バイポーラプレートやガス拡散層などの周辺材料も、PEMECに比べて安価なステンレス鋼などの非貴金属材料を使用できる可能性があります。
しかし、AEMECはPEMECに比べてまだ研究開発の歴史が浅く、克服すべき技術的課題も少なくありません。
1. アニオン交換膜の性能と耐久性
AEMECの性能を左右する最も重要な要素は、アニオン交換膜のOH-イオン伝導度と耐久性です。現状のアニオン交換膜は、プロトン交換膜と比較してOH-イオン伝導度が低く、さらにアルカリ雰囲気下での長期安定性に課題があります。特に、高pH環境下における高分子骨格の化学的劣化（例：ホフマン脱離）がスタック寿命を制限する主要因となります。
- 研究開発の方向性:
- 高伝導性膜の開発: 新規カチオン基の導入、イオンチャネル形成の最適化。
- 高耐久性膜の開発: 高分子骨格の化学的安定性向上、架橋構造の導入、複合膜化。
2. 電解液の管理とCO2感受性
AEMECは一般に電解液を循環させる方式が採用されます。電解液中のOH-濃度は性能に大きく影響し、その安定的な管理が求められます。また、電解液が大気中の二酸化炭素（CO2）を吸収すると炭酸塩が生成され、OH-伝導度が低下したり、触媒表面に析出して性能劣化を招いたりする可能性があります。CO2感受性は、AEMECのシステム設計において重要な考慮事項です。
- 研究開発の方向性:
- CO2耐性の高い膜・触媒の開発: 炭酸塩生成を抑制する材料設計。
- CO2除去システムの統合: 電解液中のCO2濃度を低減する効果的なガス処理技術。
- 電解液フリーAEMEC: 膜と電極構造の最適化により電解液循環を不要とする技術。
ブレークスルーへの挑戦：共通の視点
PEMECとAEMECの双方において、性能限界を打破し、グリーン水素製造を経済的に実現するためには、以下の共通の課題とアプローチが重要となります。
1. 材料科学からのアプローチ
- 高性能触媒の開発:
- 単一サイト触媒、ナノ構造触媒、高エントロピー合金触媒など、活性点密度と利用効率を最大化する設計。
- 触媒と電解質界面での電荷移動抵抗を低減する界面制御技術。
- 高機能電解質膜の開発:
- 伝導度と耐久性を両立する新規高分子材料の探索と合成。
- 多孔質支持体と複合化した薄膜化技術による内部抵抗の低減。
- 革新的なスタック材料:
- 導電性、耐食性、機械的強度を兼ね備えた低コストバイポーラプレート。
- 触媒層とガス拡散層間の密着性と界面抵抗を最適化する技術。
2. システム統合と最適化
- スタック設計の最適化: 電流分布、温度分布、ガス・水管理を最適化する流路設計とセル構造。
- 運転戦略と制御: 再生可能エネルギーの変動に合わせた動的運転制御アルゴリズム。
- 熱マネジメント: 電解反応で発生する熱を効率的に利用または排出するシステム設計。
3. 長期耐久性と信頼性評価
商用利用には、数万時間以上の安定運転が求められます。加速劣化試験手法の開発、劣化メカニズムの解明、そして運転データに基づいた寿命予測モデルの構築が不可欠です。特に、変動運転下での耐久性評価は、今後の重要な研究テーマとなります。
将来展望
PEMECはすでに一部で商用化が進み、大規模プラントへの適用が模索されていますが、貴金属フリー化とコスト削減が最重要課題です。一方、AEMECは研究開発段階にあり、膜の性能と耐久性の向上が鍵を握りますが、その潜在的な低コスト性から「ゲームチェンジャー」となる可能性を秘めています。
両技術の進化は、再生可能エネルギーとの統合をさらに深化させ、変動する電力供給を効率的に水素というエネルギーキャリアに変換する道を拓きます。大規模なグリーン水素製造の実現は、産業部門の脱炭素化、燃料電池自動車や船舶への利用拡大、さらには合成燃料の原料としての活用など、多岐にわたる応用を可能にし、グローバルなエネルギー転換を加速させるでしょう。
結論
グリーン水素製造におけるPEMECとAEMECは、それぞれ異なる課題を抱えながらも、次世代のエネルギーシステムを支える基幹技術として進化を続けています。貴金属使用量削減、高性能・高耐久性電解質膜の開発、そしてシステム全体の最適化が、これらの技術が直面する性能限界を打ち破り、ブレークスルーを達成するための重要な要素です。研究開発エンジニアは、材料科学からシステムインテグレーションまで幅広い視点からこれらの課題に取り組み、持続可能な社会の実現に貢献していくことが期待されます。