AEM 水電解とは：膜がアニオン交換膜になると何が変わるのか

グリーン水素の製造方法は一つしかありません。水電解です。そのため、現在の水電解技術の限界は学術的な問題ではありません。クリーン水素のコストの下限を決めるものです。

商用市場を支えている技術は二つあり、どちらも、それを機能させている構造そのものによって性能が制約されています。AEM は、その二つの間にある空白から生まれた技術です。

現在の水電解技術のトレードオフ

アルカリ水電解は 1800 年代から工業的に使われてきました。多孔質の隔膜で仕切った電極の間に液体の KOH を流し、貴金属ではなくニッケル系の触媒で動作します。そのため建設コストが低く、世界で導入済みの水電解設備の大半がアルカリ方式です。

限界も同じ設計から生じます。まず応答が遅いことです。ガスのクロスオーバーは構造的なものです。多孔質の隔膜は二つの半セルを仕切りますが密閉はしないため、低負荷になるほど混合が進みます。これは再生可能エネルギーと連系したシステムが多くの時間を過ごす運転条件そのものです。これは効率の制約である前に、安全上の制約です。加圧水素が難しいのも同じ理由です。クロスオーバーを抑えるには隔膜を厚くする必要があり、隔膜が厚くなれば導電率が下がります。

PEM は多孔質の隔膜を固体高分子膜に置き換え、化学反応を酸性環境に移しました。その結果、応答が速く、変動する再生可能エネルギーとの相性も良くなりました。しかし酸性であることが代償でもあります。酸性での運転には貴金属触媒が必要で、主に酸素側のイリジウムです。

この規制が最終的にどこまで及ぶかは、まだ誰にもわかりません。しかし、中核材料が未確定の規制問題の対象になっている技術は、性能とは無関係なリスクを抱えています。

出典IEA Global Hydrogen Review 2025, chapter 3: alkaline 60% of installed electrolysis capacity · International Platinum Group Metals Association, White Paper on Iridium (2022) · Hydrogen Europe, Position Paper on PFAS (2023)（業界団体）

アニオン交換膜で何が変わるのか

AEM は PEM の固体高分子膜を残したまま、それをアルカリ環境に戻した方式です。一言でいえば、膜がプロトンではなく水酸化物イオンを伝導します。文献ではアニオン交換膜水電解、AEMWE の両方の表記が使われますが、意味は同じです。

• 触媒が貴金属市場から離れます。アルカリ条件ではニッケル鉄系触媒が酸素発生反応に対して十分に安定かつ高活性なため、イリジウムは必要ありません。
• セパレーターが固体のため、クロスオーバーが大幅に低くなります。後段の精製装置なしで高純度の水素が得られ、セパレーターの制約と戦うことなく加圧運転ができます。
• 膜を炭化水素系にでき、その場合は PFAS 規制の対象から完全に外れます。ただし慎重に述べておくと、市販の AEM 膜の中には耐久性のために部分フッ素化された主鎖を使うものもあります。これは化学的に選べる選択肢であり、すべての AEM 製品が持つ性質ではありません。
• 応答が速いことです。固体膜によって、AEM は PEM を再生可能エネルギー連系に適したものにしている動特性を備えます。

OER は HER に比べて反応速度が遅く過電圧が高いため、電解プロセス全体の律速段階となる

この一つの変更で、四つのことが同時に変わります。

出典Molecules 26(21):6326 (2021), section 3.3.1: nickel, nickel alloys and cobalt oxides as stable OER catalysts in alkaline media

AEM がまだ解決していないこと

AEM は完成した技術ではありません。どこが未完成なのかを率直に述べておく価値があります。

長期運転における膜の耐久性が未解決の課題です。アニオン交換膜では、水酸化物イオンを運ぶカチオン基が化学的に劣化することで、時間とともに導電率が低下することがあります。この分野の材料研究の大半はここに集中しており、改善には膜の化学と運転条件の両方を組み合わせる必要があります。どちらか一方だけでは足りません。

二つ目の課題は製造性です。実験室の単セル一つで性能値を出すことと、それを数百台のスタックで再現することは別の問題であり、故障モードも異なります。お客様が実際にどちらを受け取るかは、MEA の製造とスタックの組立で決まります。

どちらも現実の課題です。しかし、どちらもこの技術を退ける理由にはなりません。誠実に議論するには、形容詞ではなくデータで語るべきです。

出典IRENA, Green Hydrogen Cost Reduction (2020): AEM status and degradation mechanisms as of 2020 · U.S. DOE Technical Targets for Liquid Alkaline Electrolysis and PEM Electrolysis: reference degradation rates in mV per 1,000 h

AWE・PEM・AEM の比較

まず最後の行をご覧ください。この表のどの技術にも未解決のリスクがあり、意味のある問いは、それがどの種類のリスクかということです。

AWE と PEM の限界は構造的なものです。多孔質のセパレーターと酸性環境から生じるもので、どれだけ工学的に工夫しても取り除けません。AEM の課題は成熟度の問題で、これは別の種類のものです。そしてこの 10 年で大きく前進しました。

技術の現在地

AEM の成熟度についての一般論は、言うのは簡単でも検証は困難です。そこで、当社のデータを試験条件とともに示します。

二つ目の試験は、材料の側から耐久性の問いに答えるものです。HydroXpand が直接成長させたニッケル鉄アノードは、16 cm² の 2 セルショートスタックで 0.625 A cm⁻² のもと 6,358 時間運転し、全期間の線形近似でセルあたり 14.7 µV/h の劣化率でした。膜は PiperION® 80 µm です。同じ試験シリーズで膜だけを変えた場合は 1,234 時間でした。どの耐久性の数値も、これが誠実な読み方です。数値は一つの部品ではなく、セル全体に属するものです。

これとは別に、同じスタックは初期状態で高位発熱量（HHV）基準 90.0% の効率に達します。測定条件は 50 A、0.1 M KOH、50 °C、常圧です。水素側は別途コンプレッサーなしで最大 10 barg まで運転できます。アノードはニッケルフォーム上に成長させた NiFe-LDH で、イリジウムもチタンも使っていません。

ガスのクロスオーバーは安全に関わる数値であり、単一の値ではなくグラフで見る価値があります。酸素中水素濃度は負荷が下がるほど上昇し、これは再生可能エネルギー連系システムが長く過ごす条件そのものです。そのため、定格負荷での単一の値ではその挙動を表せません。

安全に関わる数値をグラフで

0〜6 barg、定格負荷の 40〜100% の範囲で、49 点すべてが当社の管理限界 2% を下回っており、曲線は負荷が下がるにつれて上昇します。水素中の酸素は微量であり、安全上の制約ではなくドライヤーで扱う純度の問題です。

当社がすべての数値に試験条件を添えて公開しているのは、条件のない数値は何とも比較できないからです。温度の高いセルで低電流のまま 2,000 時間運転した結果と、定格電流で 2,000 時間運転した結果は同じではありません。運転時間だけを示す仕様書からわかることはごくわずかです。

耐久性の数値からわからないことが一つあります。製品寿命です。当社はこの数値を寿命に換算しません。

当社がチェーン全体を手がける理由

AEM の性能は、材料・電極・スタックのいずれか一つの内部ではなく、それらの境界で決まります。ハーフセルで良好な性能を示す膜も、特定の電極構造に押し付けられて圧縮されると挙動が変わることがあります。単独で最適化した電極が、最終的に組み込まれる流路には合わないこともあります。

購入した膜と購入した電極を組み合わせてスタックを作ると、効率・耐久性・コストを同時に改善することが難しくなります。一つ変更するたびに他社の設計に手を入れることになり、それが制約として返ってくるからです。

そのため当社は、触媒と電極を開発し、セルを設計し、スタックを製造し、それを動かすシステムと制御ソフトウェアまで自社で開発しています。当社は KAIST 博士 3 名が 2023 年 12 月に創業しました。現在、10 か国以上の 80 を超えるお客様が当社の電極、スタック、システムを使用しています。自社材料を評価する大学の研究室から、オンサイトで水素を製造する企業まで、用途はさまざまです。

これらの測定に使ったスタックは製品です。HXS-2 は定格 500 L/h（1 kg/day）の 23 セル 2 kW AEM 水電解スタックで、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。評価用に 5 セル構成もご用意しています。