AEM 水電解は実用段階か

AEM 水電解は、もはや単セルでの研究室レベルの実証にとどまっていません。

複数セルのスタックが製作され、システム一式が稼働し、市販製品も手に入ります。AEM がまだ持っていないのは、アルカリ水電解や PEM 水電解がはるかに長い期間をかけて積み重ねてきた運転実績です。

この違いは重要です。

問いは、もはや AEM セルで水素をつくれるかどうかだけではありません。実際のプロジェクトで求められる条件のもとで、スタックとシステムのレベルでどれだけの根拠があるかです。

すでに実証されていること

単セルの性能は、問いの一部に答えるにすぎません。

セルが許容できる電圧で実用的な電流密度に達しても、エンジニアリング上の課題の大半は未解決のまま残ることがあります。同じ電気化学を複数セルのスタックで繰り返すと、締付圧、電解液の分配、電気的な接触、繰り返される界面のすべてが一貫していなければなりません。

スタックを取り巻くシステムは、さらに別の変数をもたらします。ガス純度、クロスオーバー、運転圧力、温度、流量を、同時にそれぞれの運転範囲内に保つ必要があります。

AEM はこの段階に入っています。

市販のスタックとシステムが存在し、複数セルでの長時間試験も報告されています。根拠は、アニオン交換膜が小さな研究用セルで動作するかどうかに限られなくなりました。

ただし、それで AEM が数十年の実運用を背景に持つ技術と同等になるわけではありません。

出典Enapter: fleet figures published on the company site (stacks delivered, clients, countries)

まだ時間がかかること

AEM の実績のうち短いのは、実運用の履歴です。

アルカリや PEM の水電解装置は、長い期間にわたり多くのサイトで設置・運転・保守されてきました。それは、どれほど長く試験を続けても、1 つの研究室試験では再現できない種類の根拠です。

実運用の履歴には、数年後に何が故障するか、1 台ではなく多数の装置で性能がどう変化するか、どの部品が最も頻繁に交換されるか、設計者ではない人が保守を繰り返した後に装置がどう振る舞うかが含まれます。

予期しない故障の後には保守手順が変わります。十分な台数が運転された後にはスペアパーツのリストが変わります。故障モードの中には、設置台数が十分に大きくなって初めて見えてくるものもあります。

AEM の商用設置ベースはまだ新しく規模も小さいため、こうした根拠が少なくなっています。

これは技術が機能しないという意味ではありません。長期的な挙動の一部が、まだ十分に把握されていないという意味です。

すでに実証された条件の範囲内で運転すれば、その不確実性の一部は小さくなります。範囲の外に出れば、既存の実績では答えられない問いが生じます。

アルカリ水電解装置は最も堅牢であり、30 年を超える寿命が実証されている。

出典IRENA, Green Hydrogen Cost Reduction (2020): proven lifetimes of alkaline and PEM electrolysers

耐久性の結果の読み方

ここで、公開された耐久性データが役に立ちます。

運転時間だけでは、2 つの試験を比較できません。

単セルでの 5,000 時間運転と、複数セルのスタックでの 2,000 時間運転は、必ずしも同じことの根拠ではありません。電流、温度、電解液濃度、圧力、スタックの規模のすべてが、その試験が何を表すかに影響します。

計算方法も重要です。

MEA（膜電極接合体）は、運転初期の期間に変化することがあります。その期間の後だけでフィッティングした劣化率は、運転全体でフィッティングした劣化率とは異なります。どちらの数値も妥当であり得ますが、どう計算したかを知らずに比較するべきではありません。

運転条件についても同じです。ある電流、温度、圧力で測定した劣化率が、別の条件にそのまま当てはまると考えるべきではありません。

そして、スタック電圧だけではすべてはわかりません。

平均値が安定していても、ほかのセルから離れ始めている個別のセルが隠れていることがあります。全体の電圧の推移が比較的安定していても、ガス純度やクロスオーバーが変化している場合もあります。

したがって、耐久性の数値が最も役立つのは、試験条件、スタック構成、フィッティング区間、その他の測定変数が、元のデータセットとともに入手できる場合です。

寿命末期は、運転初期（慣らし運転・コンディショニング期間の後）からの電圧 10% 低下を基準とし、同じ電流密度で測定する。

出典U.S. DOE Technical Targets for PEM Electrolysis: how end of life and degradation are defined

当社のデータの位置づけ

当社が公開している長時間試験は、2 kW 級の 23 セル AEM 水電解スタック HXS-2 で実施したものです。

HXS-2 スタックの累計運転時間は 3,000 時間を超えています。長時間運転データ、試験条件、劣化率のフィッティング方法は、耐久性に関する技術ノートでまとめて公開しています。

別の HXS-2 スタックは、差圧 10 barg で 1,000 時間を超えました。

運転中は、スタック電圧だけでなく、個々のセル電圧とガス組成を監視しました。

その長時間運転データが示すことは、限定的かつ具体的です。23 セルのスタックを記載の試験条件で運転し、測定期間中に電圧劣化の明確な加速は見られなかった、ということです。

示していないことも同じく重要です。

試験は定電流で行いました。急速に変動する再生可能エネルギーの電力プロファイルや、起動・停止の繰り返しのもとでの長期的な挙動は確認していません。

試験は常圧・一定温度で行いました。より高い温度や圧力での長期耐久性は確認していません。

また、これは 1 本のスタックの 1 回の試験期間であり、実運用で何年も稼働するシステム群ではありません。

より大型のスタックプラットフォームは検証の初期段階にあり、ショートスタックとフルスタックの試験を別々に続けています。

こうした範囲を公開する目的は、結果を弱く見せることではありません。試験が何を裏付けるかを正確に示すためです。

では、AEM は実用段階か

水電解の技術が、あらゆる用途で実証済みになる一点というものはありません。

AEM は、研究用セルで実用的な電気化学性能を示せるかどうかという問いをすでに超えています。現在は、複数セルのスタックやシステム一式からの根拠もあります。

まだ短いのは、実運用の実績です。

アルカリ水電解や PEM 水電解と比べると、大規模な設置ベースで何年もの運転を積み重ねた AEM システムは少数です。そのため、長期的な故障モードや運転条件の一部は、まだ十分に把握されていません。

したがって、現在のプロジェクトにとって有用な問いは、「AEM は実証済みか」よりも具体的なものになります。

それは、プロジェクトが求める規模、運転条件、運転パターンで何がすでに実証されているか、そして手元の根拠がどこで途切れるか、という問いです。