New Energies, new possibilities

삼성E&A가 한국과학기술연구원(KIST)과 협력하여 고온 수전해 설비 실증사업의 첫 단계를 시작했다.

지난 24일 삼성E&A는 KIST와 함께 '160kW 고온 수전해(SOEC) 핫박스 실증 착수식'을 진행했다고 25일 밝혔다. 착수식은 서울 성북구에 위치한 KIST 청정수소협력허브센터에서 열렸으며, 삼성E&A의 남궁 홍 사장과 KIST 오상록 원장이 참석했다.

이번 실증사업 착수는 수소법 제정 이후 국내에서 최초로 진행되는 고온 수전해 실증 사업으로, 큰 의미를 지닌다. 삼성E&A와 KIST는 지난해 2월 공동 협력 업무협약(MOU)을 체결한 뒤 협업을 시작했으며, 7월에는 수전해 기술 개발을 위한 공동 연구소를 설립했다. 이후 고온 수전해(SOEC) 스택 평가와 실증 설비 구축을 진행하며 지속적인 협력 관계를 이어왔다. 특히, 지난해 12월 규제 샌드박스 승인을 얻어 기술 검증을 시작했고, 이번 실증 착수에 이르게 되었다.

실증 설비는 산업 규모 수전해 시설을 구축하기 위한 사전 평가를 목적으로 소규모로 설계되었으며, 고온에서 작동하는 SOEC 기술의 안전성과 효율성을 검증하는 데 중점을 둔다.

삼성E&A는 다수의 프로젝트 경험과 혁신적인 기술력을 바탕으로, KIST의 고온 수전해 기술 연구 역량을 결합해 이번 실증 사업을 성공적으로 수행할 계획이다.

삼성E&A 관계자는 “이번 협력은 고온 수전해 기술의 상용화를 앞당기고, 민관 협력의 좋은 사례가 될 것”이라며, “이번 실증사업을 통해 얻은 기술과 노하우를 바탕으로 수소 경제 시대의 선도 기업으로 자리매김할 것”이라고 말했다.

삼성E&A, KIST와 고온 수전해 설비 실증사업 착수 - Korea IT Times

名古屋大学らは高効率かつ実用的な水分解光触媒反応システムを開発した

　名古屋大学は2025年3月11日、信州大学や東京大学、山東大学との共同研究で、高効率かつ実用的な水分解光触媒反応システムを開発したと発表した。同研究は、名古屋大学大学院工学研究科 准教授の王謙（オウケン）氏、特任助教の呉亜強（ウヤジャン）氏、博士前期課程学生の櫻井拓弥氏らの研究グループや、信州大学/東京大学 教授の堂免一成氏、山東大学 教授の王 朋（オウポン）氏らの研究グループが務めた。

同研究の概要

　太陽光と光触媒を利用した水分解反応は、持続可能なグリーン水素製造技術として期待されている。しかし、従来の技術では、「光触媒の反応効率の低さ」「水素と酸素が混在することによる逆反応」「生成ガスの分離の必要性」といった課題があり、実用化の大きな障壁となっていた。

　この解決策として、今回の研究グループは、水素発生セルと酸素発生セルを独立させた設計により、水から水素と酸素を分離して生成する光触媒システムを開発した。水素発生用セルには、セレン化モリブデン［MOSe2］を担持したハロゲン化ペロブスカイト［CH（NH2）2PbBr3-xIx）］光触媒を、酸素発生セルにはニッケル―鉄層状複水酸化物［NiFe-LDH］をコーティングしたバナジン酸ビスマス［BiVO4］を使用。同システムではこれらのセル間の電子移動を、I3-/I-電子伝達材を介して促進させることで、太陽光エネルギー変換効率（STH）で2.47％を実現することに成功した。

水素発生と酸素発生を分離したZスキーム型水分解反応システムのイメージ図［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　さらに、このシステムをスケールアップした692.5cm2の屋外実験システムでは、平均1.21％のSTHを1週間維持することを実現。具体的には、アクリル基板上にペロブスカイト光触媒を固定化し、NiFe-LDH/BiVO4//CCシステムと統合したパネル型リアクターを作製。また、屋外での実証実験として、5つのリアクター（692.5cm2）を組み込んだシステムの連続運転を太陽光の下で1週間実施したところ、水から水素と酸素を安定的に分離生産でき、システム全体では、STHが平均1.21％という成果が得られた。

（a）パネル型リアクターの拡大図。上が水素発生セル、下が酸素発生セル。（b）屋外実験モジュールの外観、（c）午前11時～午後2時を1サイクルとした場合の水素と酸素の収率およびSTH値［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　なお、これまでのZスキーム型光触媒システムは、電子伝達材の副反応と水分解反応が競合し、水素への変換効率が制限されることや、同じセル内で水素と酸素が生成されるため効率が低下するといった問題があった。

　今回のシステムはこれらの課題を解消する設計になっており、屋外実証実験の結果から大規模化のポテンシャルも高いと考えられる。

高効率で実用的な光触媒反応システムを開発　水素と酸素の発生セルを独立：研究開発の最前線 - MONOist

産業や運輸の脱炭素化に向けた重要な手段の一つとして水素の認知が高まり、近年、新たな水素イニシアティブの数が急速に増加しています。その一方で、国際エネルギー機関 (IEA) によれば、2050年までにネットゼロを実現し、パリ協定の目標を達成するには、より迅速な行動が必要であるとされています。

水素製造には幅広い技術が存在しますが、その中でも「クリーン」な水素製造方法は水の電気分解です。このプロセスでは、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用して、水分子を水素と酸素に分解します。

ブルームバーグNEFは、2030年までに低炭素型水素の年間供給量が30倍に増える可能性があると予測しています。また、アナリストは従来の化石燃料から水素を取り出し、同時に発生するCO2を回収する「ブルー水素」が重要な役割を果たす一方、供給量の半分以上は電気分解による水素が占めるだろうと予想しています。

『世界で増加する低炭素型水素の生産』

IEAのGlobal Hydrogen Review 2024によると、利用可能な電解技術では、現在のところアルカリ水電解装置が設備容量の60%を占め、続いてプロトン交換膜 (PEM: Proton Exchange Membrane) 水電解装置が約22%を占めています。

しかし、最近では、高温水蒸気電解 (SOEC）※1が、カーボンフリー水素生成のさらなる方法として注目されるようになりました。それでは、SOECとはどのようなもので、水素製造能力の拡大にどのように役立つのでしょうか。

※1 SOEC：Solid Oxide Electrolysis Cell

現在利用されているさまざまな電解技術の種類

アルカリ水電解は最も普及している水素製造方法です。アルカリ水電解装置は陽極と陰極の2つの電極に、電極間の多孔質セパレータ (隔膜) を備えています。電解質は、水酸化カリウム (KOH) などアルカリ水溶液が使用されます。電極に電気が印加されると、負に帯電した陰極で水分子が分離し、水素が放出されます。アルカリ水電解は一般的に50℃～80℃で動作する低温技術です。

アルカリ水電解装置は、水酸化ナトリウム製造などの分野で長年の実績がある技術です。ただし、多孔質セパレータを用いるため、ガスを完全に封じ込められず、水素生成の際の電解効率に課題があります。

PEMは同様の低温技術ですが、高分子膜セパレータを採用しており、電解反応から発生するガスの封じ込め能力は、アルカリ水電解装置よりも優れています。

そして、SOECも電解技術が採用されている点は変わりませんが、前述の水電解装置よりはるかに高温の800℃～1,000℃で作動し、仕様によっては600℃から作動するものもあります。このような高温に対応するために、三菱重工のSOECシステムではセパレータとしてセラミック製のセルを使用します。

SOEC（高温水蒸気電解）の水素発生原理

SOECの利点とは

SOECは、運転温度が上がるにつれて、電力として必要なエネルギーは減少し、残りのエネルギーは自らの発熱による熱で供給されます。ゴールドマン・サックス・リサーチ（Goldman Sachs Research） によれば、SOECは現時点で最大で効率85%の達成が可能であり、三菱重工は、効率90%の達成に向けて既に開発を進めています。なお、アルカリ水電解およびPEM水電解の場合、効率は最大で約70～75%です。

三菱重工の水電解装置の開発を指揮する小阪 健一郎 博士（エナジードメイン技術戦略室技監・主幹技師）は、「高効率のSOECは、理論的には他のどのタイプの電解装置よりもkWあたり多くの水素を生成することができます」と説明します。

これまでのところ、アルカリ水電解装置およびPEMは、SOECよりも長寿命であることが知られています。しかし、小阪博士は、「理論的にはSOECと他の電解技術の間に大きなギャップはありません。寿命は使用する電解質材料によって決まります。実際、三菱重工のSOECに使用されているイットリア安定化ジルコニアは、ガドリニウムドープセリアなど他の電解質に比べて導電性は低いのですが、高温による劣化はそれらほどありません。」と指摘します。

三菱重工は長崎カーボンニュートラルパークでSOEC技術の開発を進めており、世界初の水素製造から発電までの総合実証施設である高砂水素パークでデモ機を運用しています。これには、SOECと同じ電気化学技術を逆のプロセスで使用する同社の固体酸化物形燃料電池 (SOFC※2) の実績が生かされています。

※2 SOFC：Solid Oxide Fuel Cell

SOEC商業化までの道のり

IEAによると、2023年にSOECで製造されたグリーン水素は全体の約1%にとどまっています。しかし、オランダの製油所のグリーン水素施設やカリフォルニア州NASA研究センターのシステムの導入など、商用化は進んでいます。

三菱重工は、数百メガワット級の発電所向けに設計された総合効率90%の大型モジュール型SOECを2020年代末までに市場に投入することを目指しています。

SOECデモ機を運用中の三菱重工 高砂水素パーク

電解装置の商用化には希少元素へのアクセスが重要な要素ですが、この点についてもSOECには優位性があることが指摘されています。PEMは世界で最も希少なプラチナとイリジウムという2つの貴金属に依存していますが、SOECはこれらを必要としません。またSOECは高効率であるため、ニッケルやジルコニウムなどの他のレアメタルの需要もそれほど大きくはないとゴールドマン・サックス・リサーチは示唆します。     

「総合的に見て、SOECは大規模な水素製造プラントに最適な技術であると考えます。SOECはまだ発展段階にありますが、その効率の高さと、現段階では成熟した技術と考えられるSOFCを応用できることに意味があります」と小阪博士は述べます。

電解技術ミックスの拡大

IEAによれば、アニオン交換膜 (AEM)※3水電解装置を始め、開発段階にある電解技術も多くあります。AEM水電解の商用化については、三菱重工を始めとする複数の企業がその準備に関わっていることから、これらも今後数年間で大きく成長を遂げることでしょう。

※3 AEM： Anion Exchange Membrane

しかし、グリーン水素製造技術はどれが一番というわけではなく、どの技術を選択するかは、各プロジェクト固有の状況によって変わってきます。

例えばSOECは、地熱、水力、原子力などの非断続的なエネルギー源（non-intermittent sources）や、それらと他の再生可能エネルギーの組み合わせなどから安定した電力供給を受けられる大規模用途に特に適しています。     

最も野心的な脱炭素シナリオが実現すれば、2050年までにクリーン水素が水素需要全体の73～100%を占める可能性があるとマッキンゼーは予想しています。これを達成するために、鉄鋼、セメント、大型輸送などのCO2集約型産業も、グリーンエネルギー生産も、各自が入手できるあらゆる技術を必要とするでしょう。

脱炭素化への道のりは困難が伴います。グリーン水素は実現可能な道筋を示しているものの、持続可能なエネルギーというコミットメントを達成するためには、より速いペースで供給される必要があります。

高温水蒸気電解（SOEC）でグリーン水素を促進 | Spectra by 三菱重工