水電解とは：あらゆる水電解装置を表す四つの数値

水電解は、水に直流電流を流して水素と酸素に分解する反応です。反応はこれだけで、19 世紀初頭から理解されてきました。それ以降に変わったのは化学ではなく、反応が起きるセルのほうです。

これが購入を検討する方にとって役立つ理由は一つです。反応が決まっているため、水電解装置のデータシートに載る数値のいくつかは、メーカーが選べるものではありません。それらは熱力学で決まり、誰にとっても同じです。どの数値がそれに当たるかを知っていれば、二つの見積りの比較が意味を持つ箇所と、持たない箇所がわかります。

反応そのものが必要とするエネルギー、電荷、水の量で競争しているメーカーはありません。競っているのは、それらの下限と装置が実際に消費する量との差です。

反応と、二つのガスの発生場所

セルの両側で二つの半反応が進みます。カソードでは水が電子を受け取って水素になり、アノードでは水が電子を放出して酸素になります。その間にはセパレーターがあり、電荷を運ぶイオンを通しながら二つのガスを分けています。

遅いのは酸素側の半反応です。どの方式でも速度論的な損失の大部分をここが担います。そのため材料開発チームはアノードに時間を費やし、メーカーが最初に話題にする部品もたいていアノードです。

中央をどのイオンが運ぶかという一つの選択が、異なる方式を生み出します。液体アルカリセルとアニオン交換膜セルは、水酸化物イオンをカソードからアノードへ運びます。PEM セルはプロトンを逆方向に運びます。固体酸化物セルは高温で酸化物イオンを運びます。四つの方式のそれ以外の違いは、すべてこの一つの選択から生じます。

決まっている四つの数値

水素 1 kg について、四つの量は工学ではなく物理で決まっています。覚えておく価値があります。提示された仕様を判断する基準は、これらしかないからです。

水蒸気の生成熱は水素 1 kg あたり 33 kWh であり、これが水素の低位発熱量（LHV）である。

最も誤読されやすいのはエネルギーの数値です。1 kg あたり 39.4 kWh と表示された水電解装置があれば、それは完璧な装置です。したがって実際の数値はこれより高く、その差の大きさが効率です。同じ消費電力量でも、高位発熱量（HHV）基準の効率は低位発熱量（LHV）基準より約 18 パーセント高く表示されます。そのため、数値には必ず基準を添える必要があります。

電荷の数値は、スタックがなぜ今の形で作られているのかを説明します。生産量を決めるのは電圧ではなく電流であり、セルが単位面積あたりに流せる電流には限りがあります。したがって水素を増やすには、面積を増やすか、直列のセル数を増やすか、追加の損失を伴うことを承知で電流密度を上げるしかありません。

水の数値は、システムが実際に消費する水とは分けて考えるべきです。当社の HXB-V1 2 kW システムは定格出力で 1 時間あたり約 0.55 リットルの給水を使います。スタックを循環する電解液ははるかに大きな流量ですが、まったく消費されません。

出典NREL, Summary of Electrolytic Hydrogen Production (2004), Appendix B: higher and lower heating value of hydrogen

方式の違いが現れるのは電圧

セルには熱力学で決まる二つの目盛りがあります。室温での可逆電圧は 1.23 V で、これを下回ると反応は進みません。熱中性電圧は 1.48 V で、この電圧では反応がちょうど自らの必要とする熱をまかないます。どちらも触媒、膜、メーカーによって動かすことはできません。

実際のセルはすべて 1.48 V を上回って動作し、その超過分こそが業界の競争の場です。超過分は、二つの半反応の過電圧と、膜・接触部・電解液のオーム損失に分けられます。

25 °C で液体の水を分解して水素を得るには、水電解装置のアノードとカソードの間に最低 1.23 V の電圧を印加する必要がある

当社の二つの測定値で具体的に示します。HXS-2 スタックは初期状態で高位発熱量基準 90.0 パーセントの効率に達します。測定条件は 50 A、0.1 M KOH、50 °C、常圧で、スタック単体の算定範囲で 1 kg あたり約 44 kWh に相当します。このスタックを組み込んだ HXB-V1 システム全体では 1 kg あたり約 54 kWh を消費します。整流器、ポンプ、気液分離器、ドライヤーがいずれも電力を使い、その電力はセルに届かないためです。

この二つの数値は、同じスタックを二つの異なる境界で表したものです。どちらも間違いではありません。答えている問いが違うのであり、両者を混ぜた比較はそもそも比較になりません。

出典Ginsberg et al., Solar RRL 2022, DOI 10.1002/solr.202100732: 1.23 V reversible and 1.48 V thermoneutral voltage

四つの方式を一段落ずつ

四つの方式を分けるものの大半は、この 5 行で説明できます。残りの違いは成熟度で、これは新しさとは逆の順になります。アルカリは 100 年以上前から工業的に使われ、PEM は広く導入されており、AEM は 2020 年代に商用化され、固体酸化物は実証から初期商用の段階にあります。

出典IRENA, Green Hydrogen Cost Reduction (2020), Table 1: operating temperatures and current densities by technology · Polymers 15(9):2144 (2023), DOI 10.3390/polym15092144, Table 1: AWE, PEM and AEM compared

比較の前に確認すべきこと

• 効率と、その基準および境界。高位発熱量か低位発熱量か、セル・スタック・システムのどれか。
• 測定時の電流密度と温度。どのセルも、電流密度を低くして運転すれば効率は高く表示されます。
• コンプレッサーやドライヤーを追加する前の、スタック自体の出口圧力と純度。
• ターンダウンの下限。ランプレートではなく、出力を下げるのではなく停止しなければならない負荷のことです。
• 耐久性と、試験終了時の負荷および電圧。時間だけでは何も表せません。

当社製品については、これらの答えを「お問い合わせに応じて開示」ではなく公開しています。HXS-2 スタックの累計運転時間は 3,000 時間を超えており、その長期データは負荷、電圧、試験条件とともに耐久性テクニカルノートで公開しています。