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 アルカリ水電解(AWE)やプロトン交換膜(PEM)に比べて、開発メーカーが極端に少なかったのがアニオン交換膜(AEM)形水電解装置である。ただし、技術的にはAWEとPEMのいいとこ取りとも言われ、優れた点が多い。特に、触媒に高価なレアメタルが不要で、コストをPEMに比べて大幅に下げられる可能性がある。

 課題は耐久性の確保で、セルスタックはまだPEMの数分の1程度の時間しか使えないもようだ。この点についてこれまで唯一、製品化していたドイツEnapterの戦略は、電気自動車(EV)を刷新した米Tesla(テスラ)のそれに似ている。つまり、非常に小さなモジュールを多数使い、制御していくことだ(図1)。

図1 Enapterは超小型モジュール戦略を採用
世界で初めてAEM形水電解装置を製品化したEnapterのシステム拡大戦略。最小構成では、セルスタックと補器を寸法が482mm×635mm×266mmと、机に載るほど小型の筐体に収めた(a)。規模拡大時は、セルスタックの数を増やす一方、補器を共通化する(b)。セルスタック420個から成るシステムも開発中だ(c)(出所:(a)は日経クロステック、(b)、(c)はEnapter)
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 具体的には、MW級の大型装置でも、出力が0.5Nm3/時と手で持てるほど超小型のセルスタックを多数使う設計にした。こうすると、セルスタックが1つ壊れても制御で全体には影響が出ないようにでき、交換も容易になる。Enapter製品の輸入代理店の1つで機械系商社兼システムインテグレーターの三國機械工業 環境プロジェクト本部 プラント営業部長の三田逸郎氏は、「数を量産することが、コスト低減への早道という考えもEnapterにはあるようだ」という。

 三田氏によれば、あまり知られていないAEMの特長として、カソード側に漏れてくる水がPEMに比べて大幅に少ない点を挙げる(図2)。PEMでは水が漏れるのを防ぐ仕組みがないのに対し、AEMでは隔膜を透過してきた水がカソードで即座に分解されるからのようだ。

図2 AEMは乾燥器が小さくてよい
AEM形水電解の特長の1つは、水がカソード側に漏れにくい点。PEMでは水はプロトンの単なる運び役で、カソードから多くが漏れ出てしまう。一方、AEMでは、カソードに到達した水は即座に還元され、水素の形で発生すると同時に、OH-はアノードに向かう。結果、漏れてくる水は少ない。これで、水の大型タンクや大型の乾燥器(ドライヤー)が不要になり、システム全体のコストやランニングコストが低減する(出所:日経クロステック)
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部材では激しいシェア競争も

 最近は、Enapterに続く装置メーカーや部材メーカーも複数登場してきた。例えば、カナダCipher Neutronは2023年8月以降、AEM形の製品を幾つかのグリーン水素プロジェクトに納入し始めた。ただし、現時点では装置の規模は10kWと小型だ。特長は、PFASフリーであることだとする。

 また、第2部で紹介した、工場の規模が計画では15GWと現時点で世界最大の米EvolOHもAEMを採用した。

 AEM向け隔膜またはMEAでは、実はトクヤマやドイツFumatechが以前から製品を出荷している。最近はこれに、米Dioxide MaterialsやドイツEvonik Industriesも参戦。さらに、上述のようにパナソニックも、NiFe-LDHをアノードに用いたMEAで参戦する(図3)。近い将来、競争が急速に激しくなりそうだ。

(a)アノードにNiFe-LDHを用いたAEM用MEA
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図3 パナソニックはAEMにも参戦
パナソニックのAEM膜(a)。AWEと同様、アノードの触媒にNiFe-LDH(Layered Double Hydroxides)を利用。隔膜にはAgfa-Gevaertの競合品を用いた。従来のIrO2触媒に比べて低い過電圧を実現できるという(b)(出所:(a)はパナソニック、(b)は同社の資料に日経クロステックが加筆して作成)
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後発の水電解技術AEMにも参戦続々、耐久性克服なら主役級

 アルカリ水電解(AWE)やプロトン交換膜(PEM)に比べて、開発メーカーが極端に少なかったのがアニオン交換膜(AEM)形水電解装置である。ただし、技術的にはAWEとPEMのいいとこ取りとも

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The need to transition away from fossil fuels has been pressing for some time, but the global energy crisis is a driver that will accelerate the role of hydrogen in energy security, as well as decarbonisation.

The most efficient low-carbon hydrogen production pathway varies according to the availability of renewable energy sources and the capability of the existing infrastructure around the world. In regions where there is limited availability of renewable energy, such as North West Europe, providing reliable green hydrogen at scale can be achieved by the use of imported renewables, as well as local electrolysis operated on renewable power when available.

There can be no doubt that hydrogen will play a crucial role in decarbonising energy supply to industry. It is already widely used as a process gas, from metal processing to chemical production and glass manufacturing. Attention must now turn to how hydrogen’s potential as a low-carbon energy source can be unlocked and how its ability to decarbonise many more hard to abate sectors can be utilised.

So far, progress has been made, but it also needs to be financially viable. Financial support for hydrogen must be technology agnostic. End users, i.e. industry, should decide on the most efficient production pathways to ensure the most appropriate infrastructure is built for their needs. This will avoid leaving the UK’s industry with inefficient infrastructure once subsidies stop. In short, narrow production pathways risk leaving UK industry with a higher cost base for hydrogen than countries who are technology agnostic. This would, in turn, weaken the UK’s position on an international market.

By combining domestically produced and imported renewable energy to produce green hydrogen, there is an opportunity to propel the international hydrogen economy forward and build a globally-viable market more quickly. To deliver, there are three core areas that require immediate attention: supply, infrastructure, and market support.

Energy security and the global market

Consider the UK market as an example. Meeting the UK’s net zero ambitions will mean relying on a secure and diverse energy mix, for which all technologies will need to play a role. Green hydrogen produced with renewable ammonia can support the UK to decarbonise, while local electrolyser capacity can be established in parallel. However, it is worth noting that local production of renewable energy will always bring challenges as the UK does not have an abundance of wind and solar. Hydrogen plays an important role, not just as a strategic clean energy reserve, but as a product to generate economic growth for the country. The Department for Energy Security and Net Zero said the UK needs to be noted as a ‘world leader’ in investigating the use of hydrogen for a range of functions.¹ Recognising the opportunity, the UK government has set accelerated ambitions to grow the hydrogen market, including by using imports. In its ‘Hydrogen Strategy Update’ in July 2023, it set out a commitment to define a hydrogen standard and create a certification scheme by 2025, to ensure that high quality hydrogen, whether imported or locally produced, meets the same high standards. The results of this consultation will undoubtedly unlock opportunities for the hydrogen economy to grow.

Reference

1https://www.gov.uk/government/publications/energy-security-bill-factsheets/energy-security-bill-factsheet-enabling-the-hydrogen-village-trial.

Written by Manish Patel, Air Products, UK.

This article was originally published in the Winter 2023 issue of Global Hydrogen Review magazine. To read the full article, simply follow this link.

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NEDOの「水素社会構築技術開発事業/地域水素利活用技術開発/地域モデル構築技術開発」事業として採択  本田技研工業は12月25日、トクヤマ、三菱商事と、2023年6月に国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「水素社会構築技術開発事業/地域水素利活用技術開発/地域モデル構築技術開発」事業として採択され、検討を進めてきた「副生水素と車両からのリユースを想定した定置用燃料電池電源のデータセンター向け実証」の実施が決定したと発表した。  

 

この実証は、山口県周南市でトクヤマが食塩電解事業で製造する副生水素を活用し、ホンダが燃料電池車からのリユースを想定して開発する定置用燃料電池電源から、三菱商事が運用する分散型データセンターに電力供給を行なうというもの。車載用燃料電池の定置用燃料電池電源へのリユースの可能性を探索し、今後普及が見込まれる燃料電池の有効活用を通じて、定置用燃料電池電源の導入や運用にかかわる利用者の経済的負担の軽減、電力の脱炭素化への貢献を目指していく。  また、大容量のデータ処理を必要とする生成AIや自動運転などの普及拡大により、今後データセンターの電力需要のさらなる増加が見込まれているといい、地域展開に適した分散型データセンターに、副生水素と燃料電池を活用することで、データセンターのグリーントランスフォーメーションと、自治体や地元企業のデジタルトランスフォーメーションへの貢献を目指すとした。  この実証で得られる知見をもとに、同地域におけるクリーンな電力を用いたデータセンターの導入・拡大や国内外でのビジネス展開の検討を進めていくとした。

ホンダ、トクヤマ、三菱商事と山口県で「副生水素と車両からのリユースを想定した定置用燃料電池電源のデータセンター向け実証」実施(Car Watch) - Yahoo!ニュース

 

ホンダ、トクヤマ、三菱商事と山口県で「副生水素と車両からのリユースを想定した定置用燃

■ NEDOの「水素社会構築技術開発事業/地域水素利活用技術開発/地域モデル構築技術開発」事業として採択  本田技研工業は12月25日、トクヤマ、三菱商事と、2023年6月に国立研究開発法人新

news.yahoo.co.jp

 

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- 서부산 SK V1 지식산업센터에 국내 최초 중대형 고체산화물 연료전지(SOFC) 적용 ∙∙∙ 면적 기준 국내 최대규모 제로에너지건축물 예비인증 사례
- 제로에너지건축물 달성 최적 솔루션 ’연료전지’ ∙∙∙ 기존 태양광 등 분산발전원 대비 ‘高효율小면적’

SK에코플랜트는 현재 시공중인 ‘서부산 SK V1 지식산업센터’가 제로에너지건축물(Zero Energy Building, 이하 ZEB) 예비인증을 취득했다고 28일 밝혔다.

ZEB 인증제도는 2014년 신축 건물부문의 온실가스 감축을 위해 정부가 수립한 ‘녹색건축물 기본계획’ 정책에 따라 건축물의 에너지자립률을 인증하는 제도로, 2017년부터 본격적으로 시행 중이다. 정책 로드맵에 따라 2020년부터 신축 공공 건축물의 ZEB 인증 취득이 의무화됐으며, 내년부터는 신축 민간 건축물에도 의무화가 확대 적용될 예정이다.

서부산 SK V1 지식산업센터는 국내 최초로 일반건축물(비주거)에 중대형(10kW 초과) 고체산화물 연료전지(SOFC)를 도입해 ZEB 예비인증 획득에 성공했다. 연료전지 660kW 및 태양광발전설비 103.6kW을 복합도입해 에너지자립률 24.9%를 인증 받았으며 이는 ZEB 5등급에 해당한다.(에너지자립률 20~40%) 인증 대상 건축물 연면적은 약 16만5천m2로 일반건축물 ZEB 인증 사례 중 역대 최대규모다. 연료전지와 태양광을 통해 생산된 전기는 건물 공용전력 용도로 사용되며, 연료전지 가동 시 발생하는 폐열도 탑재된 열회수모듈을 통해 급탕 용도로 활용될 예정이다.

이번 ZEB 인증 취득의 핵심인 중대형 고체산화물 연료전지는 천연가스에서 수소를 추출해 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 고효율저탄소 신재생 분산발전원이다. 기존 ZEB 인증에 주로 활용되는 태양광BIPV(건물일체형 태양광시스템)∙소형 연료전지 등의 경우 연면적 약 7만m2이하 규모의 중소형 건축물에 효과적이며, 이를 활용한 플러스제로에너지빌딩(에너지자립률 100% 초과)인증 사례도 있다. 그러나 대형 건축물의 경우 고층 위주로 조성되는 국내 대형 건축물 특성상 기존 분산발전원으로는 설치면적 대비 발전량에서 ZEB 인증에 한계가 있었다. 중대형 고체산화물 연료전지는 태양광발전설비와 비교했을 때 약 10분의 1 규모 설치면적만 확보돼도 비등한 발전량 확보가 가능해 대형 건축물 ZEB 달성의 최적 솔루션이 될 수 있다.

중대형 고체산화물 연료전지는 미국 등 해외에서는 이미 도심지 내 업무시설, 주거시설 등 다양한 건축물에 설치운영 중이다. 국내에서도 10kW 이하 소형 연료전지를 활용한 ZEB 인증사례는 있었으나, 중대형 고체산화물 연료전지를 도입해 인증을 획득한 것은 이번 서부산 SK V1 지식산업센터가 최초다. 이번 인증 사례를 발판삼아 앞으로 더욱 중요해질 국내 대형 일반건축물 ZEB 인증 시장 선점도 기대된다.

한편 SK에코플랜트는 2018년부터 미국 연료전지 선도기업 블룸에너지와 긴밀한 협력체계를 구축하고 국내외에서 연료전지 사업을 활발히 펼치고 있다. 지난 3월 미국 코네티컷주 소재 스탬퍼드 병원 등 의료시설 2곳에 블룸에너지와 협력해 연료전지를 공급 및 설치하기도 했다.

 송영규 SK에코플랜트 에코스페이스BU대표는 “앞으로도 ZEB를 비롯한 사업 전반에 차별화된 솔루션 확보를 통해 새로운 가치를 담을 수 있는 공간을 만들 것”이라며 “정부의 분산에너지 활성화 및 순환경제 정책 강화에 적극적으로 부응해 사업을 전개해 나가겠다”고 밝혔다.

 

보도자료 (상세) | 미디어센터 | SK에코플랜트 (skecoplant.com)

 

보도자료 (상세) | 미디어센터 | SK에코플랜트

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 パナソニックグループはテクノロジー見本市「CES 2023」(2023年1月5~8日、米国ラスベガス)で、アルカリ水電解のアノード触媒としての機能を持つ材料を初公開した(図1)。ニッケル(Ni)と鉄(Fe)から成る材料で、特徴はプロトン交換膜(PEM)形水電解のアノード触媒として一般的な酸化イリジウム(IrO2)よりも高活性であること、貴金属を用いないため低コストであることの2点である。ただし具体的な電解効率の情報は非公開である。

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図1 アルカリ水電解用のアノード触媒としての機能を持つ材料
サイズはA0(841mm×1189mm、1m2)である(写真:日経クロステック)

 同社によると水電解装置には大きく3種類あり、安いアルカリ水電解、レスポンスが速いが高価な触媒を使うPEM形水電解、低コストかつレスポンスも速いアニオン交換膜(AEM)形水電解から成る。

 同社では当初、AEM形水電解を想定して触媒開発を進めていたが、「AEM型はプレーヤーが世界中でほぼ1社しかなく、現在のところ短期的なビジネスには向かない」(パナソニックホールディングス 技術部門 テクノロジー本部 マテリアル応用技術センター 3部 2課 主幹研究員の朝澤 浩一郎氏)と判断し、アルカリ水電解に方向転換した。AEM形とアルカリ水電解は同じ化学反応を起こすため、共通の触媒を用いやすい。開発をアノード触媒に絞っているのは、「それが水電解全体のエネルギー効率を大きく左右するため」(同氏)という。

パナソニックが安価で高活性なアルカリ水電解触媒、25年実証・30年普及へ | 日経クロステック(xTECH) (nikkei.com)

 

パナソニックが安価で高活性なアルカリ水電解触媒、25年実証・30年普及へ

 パナソニックグループはテクノロジー見本市「CES 2023」(2023年1月5~8日)で、アルカリ水電解用のアノード触媒の実物を初公開した。

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