PEM形水電解でイリジウム低減競争、現状の1/10以下に

水を再生可能エネルギーの電力で電気分解して得られる水素はグリーン水素と呼ばれる。その電気分解に利用する、PEM（Proton Exchange Membrane、またはPolymer Electrolyte Membrane）形水電解装置は、市場規模ではアルカリ水電解（Alkaline Water Electrolysis、AWE）装置に次ぐ第2の装置となっている。

　PEMは、AWEに比べて装置がコンパクトでセルスタックのエネルギー利用効率が高い。また、AWEで用いるような高濃度の水酸化カリウム（KOH）水溶液を使わないのでシステムが腐食しにくく、メンテナンスが比較的容易といった優れた点が多い。このため、以前は近い将来、水電解装置市場でPEMが支配的になるという見方があった。 　ところが、実際にはPEMは市場で伸び悩んでいる。ノルウェーの調査会社であるRystad Energyの市場予測では、2027年以降、PEMの市場シェアはほぼ横ばいになり、2030年時点でAWEが55％であるのに対し、PEMは30％にとどまる（図1）。
[水を再生可能エネルギーの電力で電気分解して得られる水素はグリーン水素と呼ばれる。その電気分解に利用する、PEM（Proton Exchange Membrane、またはPolymer Electrolyte Membrane）形水電解装置は、市場規模ではアルカリ水電解（Alkaline Water Electrolysis、AWE）装置に次ぐ第2の装置となっている。

　PEMは、AWEに比べて装置がコンパクトでセルスタックのエネルギー利用効率が高い。また、AWEで用いるような高濃度の水酸化カリウム（KOH）水溶液を使わないのでシステムが腐食しにくく、メンテナンスが比較的容易といった優れた点が多い。このため、以前は近い将来、水電解装置市場でPEMが支配的になるという見方があった。 　ところが、実際にはPEMは市場で伸び悩んでいる。ノルウェーの調査会社であるRystad Energyの市場予測では、2027年以降、PEMの市場シェアはほぼ横ばいになり、2030年時点でAWEが55％であるのに対し、PEMは30％にとどまる（図1）。

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図1　PEM形水電解装置は2020年代後半に伸び悩み
Rystad Energyの水電解装置の市場予測。アルカリ水電解（AWE）が優勢な状況は当分続くとする（出所：日経クロステックが講演のスライドを撮影）
　理由の1つは、AWEとの価格差が開いてきたことだ。AWEは、メーカー各社の年産GW（ギガワット）級の量産体制が整ってきたことなどで製造コストの低減が進み、受注も増えている一方で、PEMは高止まり状態である注1）。

注1）例えば、AWEとPEMの両方を手掛けるノルウェーNel（ネル）は2024年第1四半期の決算で、AWE事業については初の黒字を達成した。一方で、PEM事業は赤字が続いている。
1グラムで2万5000円 　価格の高止まりは、PEMが、高価な白金族の貴金属（Platinum Group Metals、PGM）を触媒に使うことと関係している。

　水電解装置の電極では、水の電気分解反応を促進するための触媒が欠かせない。具体的には、水素を発生させるカソード（水素極）で白金（Pt）を使うことが多い。最近のPtの価格は1グラム5000～6000円である。 　これだけでもコストアップ要因だが、PEMでは、酸素を発生するアノード（酸素極）の触媒としてPGMの中でも希少で高価なイリジウム（Ir）を利用する。Irの価格は、1グラム2万5000円前後で、Ptの4～5倍と非常に高い。 このままならPEMは使えない

　しかも、今後はさらに価格が高騰しそうだ。産出量を見るとPtが年間約200トンであるのに対し、Irは同約8トンしかないからである。PEM形水電解装置でのIrの単位面積当たりの使用量は、これまで1mg～2mg/cm2、または単位出力当たり0.4～0.5g/kW（400k～500kg/GW）だった。

　上述のRystad Energyの予測では、2020年代後半に年間30GW前後のPEM形水電解装置が出荷されるとする。この場合、Irは同12～15トン必要になり年間の産出量を大きく超えてしまう。Irの産出量が増えればよいが、この数年は増加どころかわずかに減少傾向だ。このままではIrの絶対量が不足するのである。 　現実的には、実際に足りなくなる前にIrの価格が暴騰し、PEM形水電解装置を競争力のある価格では製造・販売できなくなるだろう（図2）。ただでさえ、グリーン水素は天然ガスもしくは天然ガス由来の水素（グレー水素）に比べて高いとされる中で、水電解装置のコストが上がるようでは、選択肢から外れてしまう。

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図2　イリジウム（Ir）の高騰でPEM形セルスタックの製造コストも大幅増に
（出所：米Mottの講演スライドを日経クロステックが撮影）
　Irの使用量を大幅に減らすか、もしくはIrの産出量が大幅に増えることが、PEMが生き残る必須条件になる。 Ir低減競争が加速

　当然ながら、PEM形電解装置やその部材のメーカーは、この事態に手をこまぬいてはいない。もともとPEMの燃料電池版技術であるPEFC（固体高分子形燃料電池）の触媒に用いていたPGMの使用量を減らす研究では、この30年あまりで約1/20～1/15に使用量を減らした注2）。PEM形水電解においても、IrやPtの使用量は低減に向かっている。

注2）英Johnson Mattheyによれば、PEFCで、白金族の貴金属の使用量は1991年時点では3g/kWだったが、2005年には1.1g/kW、最近では0.14～0.2g/kWに低減したとする。
　開発の最前線ではIrの使用量を約0.1mg/cm2と、現状の約1/10にする見通しも立ち始めている。Rystad Energyなどの市場予測はそれらのIrの低減技術をある程度織り込んでいると考えられる。

　Ir使用量の低減で比較的取り組みが早かったのが、ドイツHeraeus Group（ヘレウスグループ）だ。同社は2020年9月、PEMのアノードに用いるIrの使用量をこれまでの業界標準値に比べて50～90％低減する触媒材料群を開発したと発表した（図3）注3）。単位電力当たりでは0.3g/kW（300kg/GW）以下になったとする。 注3）Heraeusは2020年当時の業界標準のIr使用量の値を1～2g/kWとしていた。これは、現在の2～4倍の量である。
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図3　Irの使用量を0.3トン/GW（0.3g/kW）以下に
Heraeusの出展ブースの様子とIr関連の触媒。新しいIr低減触媒としてルテニウム（Ru）を加えたものもアピールした。同社はアンモニア（NH3）を分解して水素に戻す触媒なども出展した（出所：日経クロステック）
　Heraeusはこの材料群について詳細を明らかにしていないが、少なくとも1つの組成は、IrO2（OH）x/TiO2であるようだ。また、別の材料では、Irの使用量を減らす一方で、ルテニウム（Ru）を加えることで触媒としての性能を保っている。 　同社は2050年までには同社の現時点の技術のさらに1/10、すなわち0.03g/kW（30kg/GW）以下を達成するとしている。画像のクリックで拡大表示]
図1　PEM形水電解装置は2020年代後半に伸び悩み
Rystad Energyの水電解装置の市場予測。アルカリ水電解（AWE）が優勢な状況は当分続くとする（出所：日経クロステックが講演のスライドを撮影）
　理由の1つは、AWEとの価格差が開いてきたことだ。AWEは、メーカー各社の年産GW（ギガワット）級の量産体制が整ってきたことなどで製造コストの低減が進み、受注も増えている一方で、PEMは高止まり状態である注1）。

注1）例えば、AWEとPEMの両方を手掛けるノルウェーNel（ネル）は2024年第1四半期の決算で、AWE事業については初の黒字を達成した。一方で、PEM事業は赤字が続いている。
1グラムで2万5000円

　価格の高止まりは、PEMが、高価な白金族の貴金属（Platinum Group Metals、PGM）を触媒に使うことと関係している。

　水電解装置の電極では、水の電気分解反応を促進するための触媒が欠かせない。具体的には、水素を発生させるカソード（水素極）で白金（Pt）を使うことが多い。最近のPtの価格は1グラム5000～6000円である。 　これだけでもコストアップ要因だが、PEMでは、酸素を発生するアノード（酸素極）の触媒としてPGMの中でも希少で高価なイリジウム（Ir）を利用する。Irの価格は、1グラム2万5000円前後で、Ptの4～5倍と非常に高い。 このままならPEMは使えない

　しかも、今後はさらに価格が高騰しそうだ。産出量を見るとPtが年間約200トンであるのに対し、Irは同約8トンしかないからである。PEM形水電解装置でのIrの単位面積当たりの使用量は、これまで1mg～2mg/cm2、または単位出力当たり0.4～0.5g/kW（400k～500kg/GW）だった。

　上述のRystad Energyの予測では、2020年代後半に年間30GW前後のPEM形水電解装置が出荷されるとする。この場合、Irは同12～15トン必要になり年間の産出量を大きく超えてしまう。Irの産出量が増えればよいが、この数年は増加どころかわずかに減少傾向だ。このままではIrの絶対量が不足するのである。 　現実的には、実際に足りなくなる前にIrの価格が暴騰し、PEM形水電解装置を競争力のある価格では製造・販売できなくなるだろう（図2）。ただでさえ、グリーン水素は天然ガスもしくは天然ガス由来の水素（グレー水素）に比べて高いとされる中で、水電解装置のコストが上がるようでは、選択肢から外れてしまう。 [画像のクリックで拡大表示]
図2　イリジウム（Ir）の高騰でPEM形セルスタックの製造コストも大幅増に
（出所：米Mottの講演スライドを日経クロステックが撮影）
　Irの使用量を大幅に減らすか、もしくはIrの産出量が大幅に増えることが、PEMが生き残る必須条件になる。

Ir低減競争が加速

　当然ながら、PEM形電解装置やその部材のメーカーは、この事態に手をこまぬいてはいない。もともとPEMの燃料電池版技術であるPEFC（固体高分子形燃料電池）の触媒に用いていたPGMの使用量を減らす研究では、この30年あまりで約1/20～1/15に使用量を減らした注2）。PEM形水電解においても、IrやPtの使用量は低減に向かっている。 注2）英Johnson Mattheyによれば、PEFCで、白金族の貴金属の使用量は1991年時点では3g/kWだったが、2005年には1.1g/kW、最近では0.14～0.2g/kWに低減したとする。
　開発の最前線ではIrの使用量を約0.1mg/cm2と、現状の約1/10にする見通しも立ち始めている。Rystad Energyなどの市場予測はそれらのIrの低減技術をある程度織り込んでいると考えられる。 　Ir使用量の低減で比較的取り組みが早かったのが、ドイツHeraeus Group（ヘレウスグループ）だ。同社は2020年9月、PEMのアノードに用いるIrの使用量をこれまでの業界標準値に比べて50～90％低減する触媒材料群を開発したと発表した（図3）注3）。単位電力当たりでは0.3g/kW（300kg/GW）以下になったとする。 注3）Heraeusは2020年当時の業界標準のIr使用量の値を1～2g/kWとしていた。これは、現在の2～4倍の量である。
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図3　Irの使用量を0.3トン/GW（0.3g/kW）以下に
Heraeusの出展ブースの様子とIr関連の触媒。新しいIr低減触媒としてルテニウム（Ru）を加えたものもアピールした。同社はアンモニア（NH3）を分解して水素に戻す触媒なども出展した（出所：日経クロステック）
　Heraeusはこの材料群について詳細を明らかにしていないが、少なくとも1つの組成は、IrO2（OH）x/TiO2であるようだ。また、別の材料では、Irの使用量を減らす一方で、ルテニウム（Ru）を加えることで触媒としての性能を保っている。 　同社は2050年までには同社の現時点の技術のさらに1/10、すなわち0.03g/kW（30kg/GW）以下を達成するとしている。