New Energies, new possibilities

PFAS chemicals are toxic. They persistently contaminate water and soil and accumulate in humans and animals through food and consumer products. The European Chemicals Agency (ECHA) therefore published a proposal in February 2023 that would ban the production, use and distribution (including the import) of PFAS in the European economic area. The semiconductor industry views the threat of a PFAS ban as a critical issue because the chemicals are used as membranes and housings in filters, as well as in processes such as etching and cleaning. According to numerous manufacturers, there is no viable alternative to the long-lasting per- and polyfluoroalkyl chemicals, and banning them would make production of most semiconductor products impossible. However, researchers at Fraunhofer IAP in Potsdam have now successfully developed a PFAS-free membrane for a supplier to the semiconductor industry. This membrane is based on conventional, specifically stabilized polymers, which could replace PFAS membranes. The polymer polyacrylonitrile (PAN) membrane offers high chemical and mechanical stability. It also has an extremely small pore diameter of around seven nanometers. This is necessary to separate particulate impurities from production and to filter and recycle the fluids required for the process, such as acids and solvents. The membrane can be customized to meet specific needs, which makes it easy to integrate the new process into existing systems to manufacture the next generation of chips.


Impurities and contaminants must be avoided
“Chip manufacturing involves numerous process steps such as cutting, cleaning and planarization to apply the structures to the wafer. All of these operations produce particulate contaminants that must be separated out in each process, otherwise they would interfere with the creation of nanometer-sized structures,” says Dr. Murat Tutus, engineer at Fraunhofer IAP and head of the “Membranes and functional films” department. Murat Tutus and his team have succeeded in creating a chemically and mechanically highly stable membrane made of conventional polymer, which can filter out particles with a pore size of just seven nanometers. For comparison: In medical engineering, filters with a pore size of 220 nanometers are used for sterile filtration. “We were able to use another component patented by us to chemically modify the polymer and stabilize it also for harsh environments,” says the researcher.

The researchers were also tasked with achieving a pore size distribution that deviated only negligibly from seven nanometers. In addition, the membrane should be highly permeable. “The degree of permeability is defined by the number of pores on the surface. The smaller the pores, the lower the permeability. To increase permeability, we therefore had to increase the number of pores in a second step while keeping the pore size constant,” explains Tutus.

Membrane production with REACH-compliant solvents
Since the membrane’s pore size and permeability can be customized to specific needs, it will be easy to adapt it to diverse applications in other industries. As an added benefit, membrane customization means that existing systems can continue to be used and no staff training is required. Dr. Tutus and his team see a great deal of potential for their developments in the pharmaceutical and chemical industries, which also use aggressive solvents. The membrane production itself uses REACH-compliant solvents (Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals) and low temperatures throughout, making it an overall sustainable process. The membrane is fabricated using a NIPS (non-solvent induced phase separation) process, which also allows researchers to customize the morphology, or pressure stability, of the membrane.
Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP  (iap.fraunhofer.de)
Research News June 2024 - PFAS-free polymer membranes for semiconductor processing [ PDF  0.35 MB ]

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。

'Natural hydrogen will be the next shale, and we'll make it for $1/kg': explorers | Hydrogen Insight