水電解スタックとは、複数の電解セルを 2 枚のエンドプレートの間に直列に積層・締結し、一つの電源接続ですべてのセルを駆動する構造体です。良いセルはスタックの出発点であって、終着点ではありません。セルを組み立てた後は、締付け、流れ、電気的接触、熱条件によって、セルの性能がどれだけ維持されるかが決まります。
良い電解セルは、良いスタックの出発点です。しかし、それですべてが決まるわけではありません。
複数のセルをスタックに組み立てると、セル同士が機械的な締付け、流路、電気的なインターフェース、共通の熱環境を共有し始めます。この段階になると、性能はもはや電気化学部材だけでは決まりません。
課題は、良好なセル性能をスタック全体で再現し、それを長期間維持することに移ります。
水電解スタックとは
電解セル 1 個の動作電圧は通常わずか数ボルトです。実用的な電力規模にするため、複数のセルを電気的に直列に接続し、一つの構造体に組み立てます。この組立体が水電解スタックです。
外から見ると、スタックは 2 枚のエンドプレートの間に同じセルを繰り返し並べたものに見えます。しかし、良いセルを単に繰り返すだけでは、良いスタックになるとは限りません。
各セルは十分に近い条件で動作しなければなりません。つまり、組立体全体で締付け、流体の分配、電気的接触、温度、シールを一様に保つ必要があります。これらのいずれかにわずかな差があるだけでも、セル性能の差として表れることがあります。
ここからがスタックエンジニアリングの始まりです。
スタックの中身
水電解スタックは、電気化学部材と、それらを接続・供給・シール・締結する構造で構成されています。
- MEA（膜電極接合体）。電気化学反応が起こる膜と触媒層です。その特性はセルレベルで得られる効率と性能を大きく左右します。
- PTL（多孔質輸送層）。電気的接触を確保しながら、反応物と生成物が電極と周囲の流路構造の間を移動できるようにします。電気伝導と物質輸送のバランスを同時に取る必要があります。
- バイポーラプレート。隣り合うセルを仕切り、セル間に電流を流し、有効面積全体に流体を分配する流路を提供します。
- シール。気体と液体をそれぞれ所定の経路内に保ち、セル内の異なる領域を分離します。
- 締結構造。繰り返し積層されたセルを一体に保持し、電気的接触、シール、寸法安定性に必要な機械的荷重を維持します。
これらの部材はどれも単独では機能しません。締付けを変えれば電気的接触や多孔質構造に影響し、流路を変えれば温度やガスの排出に影響します。一つのインターフェースを変えると、別の箇所の機械的な状態が変わることもあります。
したがってスタックは、個別部材の寄せ集めではなく、一体の構造として扱う必要があります。
- AEM スタック用ハードウェア部品→HXS スタック用のバイポーラプレート、ガスケット、エンドプレート。個別にご注文いただけます。
- HXS-2 スタック組み込みガイド→スタックが BoP に求めるもの：電解液ループ、ポート、熱負荷、立ち上げ。
- 2 kW AEM スタックを購入→HXS-2：23 セル、1 日あたり水素 1 kg。ご注文いただけます。
スタック部品を一つずつ
上で挙げた部品はいずれも単体で購入できます。下表は、当社のスタックで使っている材料を、部品ページと製品ページでの公開内容に沿ってまとめたものです。
| 部品 | 役割 | 当社スタックでの仕様 |
|---|---|---|
| バイポーラプレート | セルの仕切り、通電、流れの分配 | ニッケル系金属プレートご要望に応じて純 Ni、チタン、Pt コートチタン |
| ガスケット | ガスと電解液をそれぞれの経路内に保つ | HXS-2 と HXS-30 は EPDM セットHXS-0 は PTFE または FEP フィルム |
| エンドプレート | 積層セル全体の締付けを保持 | SUS316Lご要望に応じてチタン、SUS304、鋼 |
| アノード | 酸素発生 | HXP-anニッケルフォーム上に成長させた NiFe LDH、貴金属なし |
| カソード | 水素発生 | HXP-caカーボンペーパー上の Pt/C または PtRu/C、0.2 mgPGM/cm² |
| 膜 | ガスを分離し OH⁻ を伝導 | アニオン交換膜少量から供給 |
| PTL（多孔質輸送層） | 電気的接触と、液体・気体の通り道 | アノード側に多孔質ニッケル |
材料を変えると、変わるのはその部品だけではありません。公開している性能データは組み立てたスタックとしての値であるため、材料を変更する際にはそれに応じた検証範囲が伴います。
- スタック用ハードウェア：バイポーラプレート、ガスケット、エンドプレート→個別に、またはお使いのスタックとセル数に合わせたセットでご注文いただけます。
- AEM 膜→当社スタックで使用している膜を少量からご提供します。
- アイオノマー→粒子状の触媒層を結着し、その内部でイオンを運ぶ高分子。
- ニッケル基材と PTL（多孔質輸送層）→当社のアノードを成長させる多孔質金属。
セル数と出力の関係
スタック内のセルは直列に接続されているため、すべてのセルに同じ電流が流れます。各セルはその電流に比例して水素を生成するため、一定の電流ではスタックの水素生成量と電圧はどちらもセル数とともに増えます。
そのためスタック設計者には二つの手段があります。セル面積は、妥当な電流密度で各セルが流せる電流を決めます。セル数は、1 セルが生み出す量を掛け算で増やします。
| HXS-30 の段階 | 全セルのばらつき（max − min） | 条件 |
|---|---|---|
| 5 セル2026 年 6 月 | 15 mV1.615〜1.630 V | 約 360 A · 電解液 60 °C |
| 15 セル2026 年 8 月 26 日 | 40 mV平均 1.664 V、σ 9.6 mV | 360 A · 0.1 M KOH · 50 °C · 初回運転 |
| 46 セル2026 年 9 月 | 33.7 mVセルあたり 1.658 V | 約 360 A · 0.1 M KOH · 50 °C · 初の長期運転記録の開始時 |
セルを増やすことは、組立と均一性の問題です。セル面積を大きくすると、セルの内部で起きることが変わります。
難しさが生じるのも、セル数を増やすところです。HXS-30 を製作した際、当社は段階的にセルを追加し、各段階ですべてのセルを測定しました。最良セルと最悪セルの差こそが、セル数とともに大きくなる数値だからです。
- AEM スタックを 79 cm² から 512 cm² へスケールアップ→5 セルと 15 セルの行の裏付けとなるテクニカルノート。最初に何がうまくいかなかったかも含みます。
- 46 セルの HXS-30 フルスタック→フルスタック初の長期運転記録。全セルの電圧を掲載。
- 並列台数か、大型スタックか→小型スタックを並べるべき場合と、大型スタックに移るべき場合。
セルがスタックになると何が変わるのか
有効面積は分配の問題になる
有効面積を広げると、セルが流せる電流が増えるだけではありません。流体、電流、熱、機械的荷重を均一に分配しなければならない距離も長くなります。
したがって大きなセルは、小さなセルを幾何学的に拡大しただけのものではありません。有効面積全体で同様の条件を保つこと自体が、独立した設計課題になります。
締付けは均一でなければならない
スタックには電気的接触とシールを保つのに十分な締付けが必要ですが、締付けを強くすれば良いというものではありません。
弱すぎると接触抵抗が増えたり、シールの信頼性が下がったりします。強すぎると部材が変形し、多孔質構造を通る輸送が変わります。
締付け力の平均値だけでは不十分です。重要なのは、その荷重が有効面積全体にどれだけ均一に分布し、スタック全体で維持されているかです。
流れはすべての領域に一様に届かなければならない
スタックに入る平均流量からは、内部でその流れがどう分配されているかはわかりません。各セル、そして各セルの各部分が、十分に近い運転条件を受ける必要があります。
分配が悪いと、濃度、温度、ガスの排出、圧力に局所的な差が生じます。こうした局所的な差は、やがて電圧や劣化の差として表れることがあります。
繰り返されるインターフェースが小さなばらつきを増幅する
単一のテストセルに含まれるインターフェースの数は限られています。スタックはそのインターフェースを何度も繰り返します。
部材の厚さ、表面の接触、シール、組立のわずかな差は、1 セルでは気づきにくくても、スタック全体で繰り返されると積み重なったり、より重要になったりします。
平均性能だけでは全体像はわからない
スタックの平均電圧が妥当でも、個々のセルの挙動が異なることがあります。だからこそセル間の一貫性が重要です。
スタック全体の数値が許容範囲に見えても、弱い領域や異常な領域が運転限界、効率、ガス品質、耐久性に影響することがあります。
したがってスタックの検証では、スタック内のばらつきを把握することが、平均値を把握することと同じくらい重要になりえます。
単セルの結果がそのままスケールしない理由
単セル試験は不可欠です。膜、電極、触媒、インターフェース、運転条件を管理された条件で調べることができます。しかし、単セル試験が答える問いは、スタック試験とは異なります。
- 単セルの結果が問うのは、この電気化学構成で良い性能が出せるか、です。
- スタック試験が問うのは、その性能を多セルの組立体で再現できるか、です。
- 製造は三つ目の問いを加えます。同じスタック性能を 1 台ごとに再現できるか、です。
優れた単セルの結果は重要ですが、成熟したスタックであることの十分な証拠にはなりません。
これらは開発の異なる段階です。一つ目から二つ目に進むと、流れの分配、締付けの均一性、繰り返されるインターフェース、電気的接触、温度勾配、セル間のばらつきが加わります。
二つ目から三つ目に進むと、製造公差、組立の再現性、品質管理が加わります。
スタックレベルでは耐久性の意味も変わる
耐久性は単一の劣化率で示されることがよくあります。しかしその数値は、背景にある条件がわかって初めて役に立ちます。電流または電流密度、温度、流体条件、圧力、試験期間、そして劣化の算出基準がすべて関係します。
スタックの耐久性には、もう一つの層が加わります。スタックのすべての部分が同じように経年変化しているかどうかです。
平均電圧が安定していても、すべてのセルが同じ挙動をしているとは限りません。同様に、スタック電圧が変化しても、それだけでは変化の発生源はわかりません。したがって長期的なスタックの検証には、時間と文脈の両方が必要です。
水電解スタックのデータシートに載っているべきこと
役に立つデータシートとは、どのような性能が測定されたかだけでなく、どのような条件で測定されたかが読み手にわかるものです。
- 有効面積
- 定格電流と定格電圧
- 定格水素製造量
- 運転温度
- 流体または電解液の条件
- 運転圧力範囲
- 必要に応じてガス純度またはクロスオーバーの情報
- 効率と、その算出基準
- 対応する試験条件を伴う耐久性または劣化のデータ
運転条件は脚注ではありません。ある温度や運転点で測定した効率を、別の条件で測定した数値と直接比較することはできません。
劣化についても同じです。電流、温度、圧力、試験期間、その他の関連する運転条件を伴わない耐久性の数値は、解釈が困難です。
結果が単セル、ショートスタック、フルスタックのどれから得られたものかを知ることも有用です。試験対象が大きくなるほど、実際のスタックエンジニアリングがより多く結果に反映されます。
スタックとシステムの違い
スタックが水素を生成するのは、DC 電力、水、適切な温度の電解液を供給し、ガスを取り出し、プロセス全体を監視する設備があってこそです。この周辺設備が BoP（周辺機器）であり、スタックと BoP を合わせたものが水電解システムです。
その違いはエネルギーの数値に表れます。当社の HXS-2 スタックは水素 1 kg あたり 44 kWh を使います。それを組み込んだ HXB-V1 システム全体では 54 kWh/kg で、約 10 kWh/kg の差が BoP の分です。したがってスタックの数値とシステムの数値は異なる主張であり、同じ種類同士でのみ比較すべきです。
現状値と目標値は、寿命末期の性能低下 10% を前提としている。
出典U.S. DOE Technical Targets for Liquid Alkaline Electrolysis: separate stack and system energy rows (2022 status 51 and 55 kWh/kg) · U.S. DOE Technical Targets for PEM Electrolysis
- 水電解システムとスタックの違い→BoP が加えるものと、システム効率がスタック効率と異なる理由。
- HXB-V1 · 2 kW ターンキーシステム→HXS-2 スタックと BoP を一つのラックに収めたシステム。
スタックを自社プラントに統合する
スタック単体を購入すると、BoP はお客様側の範囲になります。HXS-2 の場合、運転電流範囲に合わせた DC 電源、標準 4 L/min の電解液循環ループとポンプ、冷却と温度制御、気液分離、ベントとドレンを備えた出口配管、計装、制御、そしてサイトの水素安全対策が必要です。
いずれも特殊なものではありませんが、それぞれにスタックが定める制約があります。ポート、熱負荷、スタックの定格圧力、立ち上げの手順です。これらは統合ガイドに記載しているため、後から見つけるのではなく、そこを起点に設計を始められます。
- HXS-2 スタック組み込みガイド→HXS-2 の電解液ループの設計、ポート、熱負荷、圧力制限、立ち上げ。
- BoP：水電解スタックの周りに必要なもの→電力、水、電解液、ガス処理、計装、安全を系統ごとに解説。
- 水電解装置を自社プラントに組み込む→設定できること、読み取れること、接続できること。
- 電解液循環用部品→高温の KOH に耐えるポンプ構成を、お客様のループに合わせて仕様決定。
水電解スタックの購入：テストセルから 30 kW まで
HydroXpand は、AEM 水電解装置開発の複数の段階に取り組んでいます。
HXS-0 は、膜、電極、触媒などの電気化学部材をさまざまな有効面積で評価するためのテストセルプラットフォームです。
HXS-2 は 2 kW 級の AEM 水電解スタックで、お客様の BoP と統合するためにご注文いただけます。製品ページでは、運転条件、性能と耐久性のデータ、インターフェースの詳細、現在の納期をご確認いただけます。
HXS-30 は 30 kW 級のスタックです。設計値 6,900 NL/h（15 kg/day）の 46 セル フルスタックは現在ご注文いただけます。2026 年 9 月に初回運転を完了し、現在は長期評価中です。
これらのプラットフォームが答える問いはそれぞれ異なりますが、同じ開発の道筋の一部です。テストセルは、電気化学的なコンセプトが機能するかを教えてくれます。多セルスタックは、その性能をより大きな組立体で再現できるかを教えてくれます。長期運転は、それを維持できるかを教えてくれます。そして繰り返しの製作は、それを一貫して製造できるかを教えてくれます。
良好なセル性能は、スタック開発の出発点です。
その性能を均一に、長持ちするものに、そして再現可能にすることが、それをスタックエンジニアリングに変えます。
- 2 kW AEM スタック（HXS-2）を購入→スタックの仕様、統合要件、現在の納期をご確認ください。
- HXS-2 スタック組み込みガイド→自社 BoP 向けの電解液ループの設計、ポート、熱負荷、圧力制限。
- HXS-30 · 30 kW 級スタック→46 セル フルスタックをご注文いただけます。初回運転後、長期評価中。
- HXS-0 · テストセル→お客様支給の触媒、電極、膜の評価用。
- 水電解システムとは→一段上のレベル：スタックの周りの BoP と、システム効率がスタック効率と異なる理由。
- MEA（膜電極接合体）とは→スタックのすべてのセルの中にある部材と、その良し悪しを決めるもの。
- データシート→英語版 7 製品分。フォーム入力は不要です。
- セル電圧の分布→一つのスタック電圧が隠しているものと、メーカーに求めるべき情報。
- AEM 水電解：技術と実測データ→AEM 水電解の仕組み、セルの中身、当社スタックのデータ。
- 水電解装置の効率をわかりやすく→スタックの数値とシステムの数値が同じではない理由。
- AEM 水電解は実証済みか→スタックレベルで実証されたことを、運転時間と条件とともに。
- 規模の決め方：並列台数か大型スタックか→小型スタックを並べるべき場合と、一つ上のクラスに移るべき場合。
よくある質問
水電解スタックとは何ですか？
スタックとは、複数のセルをエンドプレートの間に組み立てて締結し、電流、電解液、ガスをすべてのセルで共有する構造体です。締付け、流れの分配、電気的接触によって、単セルの性能がどれだけ維持されるかが決まります。
単セルの結果がスタックにそのままスケールしないのはなぜですか？
有効面積が分配の問題になり、締付けを均一にする必要があり、繰り返されるインターフェースが小さなばらつきを増幅するためです。優れた単セルの結果は必要ですが、成熟したスタックであることの十分な証拠にはなりません。
水電解スタックのデータシートには何が載っているべきですか？
すべての数値の背景にある運転条件、平均値だけでなくセル間の電圧のばらつき、そして運転時間と条件を伴うスタックレベルでの耐久性です。
セル数はスタックの出力をどう変えますか？
セルは直列に接続されているため、すべてのセルに同じ電流が流れ、一定の電流では水素生成量とスタック電圧がセル数とともに増えます。当社の HXS-2 は 79 cm² のセル 23 個で 2 kW、HXS-30 は 512 cm² のセル 46 個で 30 kW 級です。
水電解スタックとシステムの違いは何ですか？
スタックは電気分解が起こるセルの集合体で、システムはそれに電力・水・電解液を供給しガスを処理する BoP を加えたものです。当社の HXS-2 スタックは水素 1 kg あたり 44 kWh、HXB-V1 システム全体では 54 kWh/kg を使います。
参考資料
- Technical Targets for Liquid Alkaline Electrolysis — U.S. Department of Energy
- Technical Targets for Proton Exchange Membrane Electrolysis — U.S. Department of Energy
特定の用途で AEM をご検討中ですか？