水電解の効率：数値の意味と比較のしかた

効率は、どの水電解装置でも販売の決め手となる数値であり、同時にサプライヤー間で最も比較しにくい数値でもあります。誰かが不誠実だからではありません。1 つのパーセンテージの裏には 4 つの前提が隠れており、2 社がそれぞれ異なる前提を選んでも、どちらも正しいということがあり得るからです。

すべての数値の裏にある 3 つの定数

1.48 V を下回ると、セルは反応を続けるために周囲から熱を吸収します。上回ると、セルは熱を発生します。HHV 基準はこの電圧に由来しており、提示される効率のパーセンテージはすべて、最初の 2 つの数値のどちらかとの比較です。

標準温度 25 °C において HHV は 285.8 kJ/mole H2 であり、これは水を分解するための熱力学的な最小セル電圧 1.48 V に相当する。

出典NREL, Summary of Electrolytic Hydrogen Production (2004), Appendix B: 39.4 and 33.3 kWh/kg · Ginsberg et al., Solar RRL 2022: 1.48 V thermoneutral voltage

どの発熱量で、どの単位か

39.4 を 33.3 で割ると約 1.18 になるため、同じ装置でも HHV 基準では LHV 基準より約 18% 高く表示されます。LHV で 64% のシステムは、HHV では約 76% です。どちらの数値も誤りではなく、まったく同じハードウェアを表しています。

発熱量の基準が書かれていないパーセンテージは、仕様とはいえません。

Nm³ の数値には、もう 1 つ前提があります。基準温度です。水素 1 kg は 0 °C・1 atm では約 11.1 Nm³ ですが、20 °C では約 11.9 m³ になります。そのため、データシートがどちらの基準を使うかによって、同じ装置でも立方メートルあたりの値が約 7% 変わります。

セル電圧から計算した効率は、電流がすべて水素の生成に使われることも前提にしています。実際には少量の水素と酸素が膜を透過し、一部の電流は失われます。その数値がこのファラデー効率を考慮しているのか、電圧効率だけなのかを確認する価値があります。

どこで測った数値か

セルの数値は、試験治具に組み込んだ 1 枚の MEA の値です。配管も隣接セルも共有の電解液ループもないため、数値を押し下げる要因がありません。どのサプライヤーでも示せる最も高い数値であり、製品としての結果ではなく材料としての結果です。

システムの数値には、整流器、循環ポンプ、気液分離、乾燥、制御が加わります。3 つのうち、電力量計に記録される電力に対応するのはこれだけです。当社は自社スタック単体を対象とした効率を提示し、そのことを明記しています。

3 つのどれも不誠実な数値ではありません。それぞれ異なる問いに答えているだけです。問題になるのは、あるサプライヤーのセルの数値を、別のサプライヤーのシステムの数値と並べて比べたときだけです。

当社のハードウェアでは、スタック単体とシステム全体を対象とした消費電力量の差は水素 1 kg あたり約 10 kWh です。

サプライヤーがシステムの数値を提示している場合は、乾燥と冷却がその中に含まれているかも確認してください。用途に高純度の水素が必要でドライヤーを追加する場合、ドライヤー自体も電力を消費します。

どの負荷で、どの経年時点か

水電解の効率は、電流密度を低くして運転するほど高くなります。電流密度が低いほど過電圧が小さくなるため、定格電流の半分で運転するスタックは、定格電流で運転する同じスタックより 1 kg あたりの効率が高くなります。その代わり、設備投資あたりの水素製造量はそれに応じて少なくなります。電流密度を示さずに効率を提示すると、設計者が実際に行ったトレードオフが抜け落ちてしまいます。

当社の HXS-2 で、この差がどれほどかを示します。次の 3 点は、同じ日に同じ条件（0.1 M KOH、50 °C、常圧、運転初期）で測定した 1 本の分極曲線から取ったものです。

95.0% を提示したほうが見栄えは良くなりますが、0.19 A/cm² では同じスタックの水素製造量は 50 A 時の約 30% にとどまります。当社は 50 A での 90.0% を提示しています。

温度と電解液濃度も同じように数値を動かします。通常の運転範囲では、セルの温度が高いほど、また電解液が濃いほど、同じ電流密度でのセル電圧は低くなります。そのため、同じハードウェアでも 60 °C での数値と 40 °C での数値は同じ主張ではありません。出口圧力は逆方向に働きますが、影響はわずかです。当社の HXS-2 を 50 A で常圧ではなく 8 barg で運転したところ、スタック電圧は 44.18 V から 44.56 V に上がりましたが、その差は 1% 未満でした。

経年も数値を動かします。どの水電解装置も劣化します。劣化曲線のどの時点の値かを書いていない仕様は、ほぼ間違いなく運転初期の値を示しています。確認してください。

出典IRENA, Green Hydrogen Cost Reduction (2020), chapter 2: efficiency rises at lower-than-design load

2 つの数値を比較可能にする 6 つの質問

• HHV か LHV か。同じハードウェアでも約 18% の差が出ます。
• セル、スタック、システムのどれか。電力量計と一致するのはシステムの数値だけで、それも乾燥と冷却が含まれている場合に限ります。
• どの電流密度での値か。電流密度を低くして運転するほど効率は上がるため、実際に使う運転点で比較してください。
• 温度、電解液濃度、出口圧力はいくつか。
• 運転初期の値か、何時間運転後の値か。どのスタックも劣化します。
• 単位は何か。立方メートルあたりなら、0 °C 基準か 20 °C 基準か。

サプライヤーが 6 つすべてに確認なしで答えられるなら、その数値がどのように得られたかがわかります。データシートに答えが載っていなくても、問い合わせれば得られるはずです。書面での回答を拒むサプライヤーは、その数値の価値を自ら示しているといえます。

当社の数値と、その条件

90.0% は HHV 基準のスタックの数値であり、システムの数値ではありません。条件の行を設けているのは、条件がなければ数値に意味がないからです。

当社は運転時間を製品寿命に換算しません。別の技術ノートで、セル間のばらつきやクロスオーバーの挙動など、長時間運転の曲線とあわせて確認すべき点を説明しています。

このスタックは研究室のサンプルではなく製品です。HXS-2 は 23 セルの 2 kW AEM 水電解スタックで、定格 500 L/h（1 kg/day）です。ご注文いただけます。ご注文の承諾後 4 週間で出荷します。

出典U.S. DOE Technical Targets for Liquid Alkaline Electrolysis: 2022 status stack 51 and system 55 kWh/kg · U.S. DOE Technical Targets for PEM Electrolysis