New Energies, new possibilities

　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 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)

 

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

xtech.nikkei.com

 

水素は、CO2（二酸化炭素）を排出しない「カーボンフリー」のエネルギー源だが、その輸送と貯蔵には多くの費用とエネルギー消費を要する。ノーベル賞受賞者を含む2人の化学者が2022年にカリフォルニアで設立したスタートアップ「H2MOF」は、これらの問題の解決を目指している。同社がナノ素材を使って開発した新型タンクは、既存のタンクよりも安価で安全な上、より多くの水素を貯蔵できるという。 カリフォルニア州アーバインに本拠を置くH2MOFは、ゼロ・エミッションの燃料電池車で駆動する大型トラックのメーカーに向け、2024年以降に次世代水素タンクを提供する計画だ。同社の水素タンクは、車載向けだけでなく、トラックや鉄道による輸送においても、優れたソリューションになるという。 H2MOFは、従来のように水素を高圧で圧縮したり、液化してタンクに充填するのではなく、固体状態で保持し、特別に設計されたナノ材料に吸着させるタンクを設計した。この手法は、同社の共同創業者で科学アドバイザーでもある2人の科学者の研究に基づいている。1人は、カリフォルニア大学バークレー校の化学教授であるオマー・ヤギー（Omar Yaghi）で、もう1人は2016年にノーベル化学賞を受賞したフレイザー・ストッダート卿（Fraser Stoddart）だ。 「水素分子はその性質上、取り扱いが非常に困難であるため、これまで貯蔵技術でブレークスルーは見られなかった。ストッダート教授とヤギー教授は原子レベルの精度で新素材を設計する必要があると考えた」と、H2MOFの共同創業者兼CEOであるサメル・タハ（Samer Taha）は述べている。 ■新素材「MOF」の活用 H2MOFは、水素貯蔵用に原子レベルで設計された金属有機構造体（MOF：Metal Organic Frameworks）を世界で初めて商品化することを目指しているが、この技術を追求しているのは同社だけではない。サイエンス誌によると、ローレンス・バークレー国立研究所の科学者たちは最近、水素を貯蔵するために開発したアルミニウムベースのMOFに関する研究を発表したという（H2MOFの社名は、水素を表すH2とMOFを組み合わせたものだ。同社の共同創業者であるヤギーは、MOFの合成の開発者として知られる）。 「MOFは、有機材料と金属原子のこれまでにない組み合わせで、ナノスケールでの結晶構造だ」とタハは説明する。 H2MOFは、スポンジが水を吸収するように水素原子を引き込んで保持するように設計された、結晶のような素材で作られたプロトタイプをテストしている。トヨタの燃料電池自動車「MIRAI」に使われている炭素繊維を巻き付けたタンクの場合、1平方インチ当たり1万ポンドの圧力をかける必要がある。これに対し、H2MOFのタンクは、1平方インチあたり300ポンド以下の圧力で済む予定だ。

バイデン政権の後押し

H2MOFのタンクは、より多くの燃料をより低い圧力で貯蔵できるため、コストを大幅に削減することが可能になる。タハによると、高圧タンクからH2MOFのタンクに切り替えることで、燃料電池バスを運行するためのエネルギー費用を年間約1万2000ドル節約できるという。また、MIRAIのような燃料電池車の場合、H2MOFの技術によって重量を増やすことなくより多くの水素を充填できため、現状350マイル（約563キロ）の航続距離を倍増できる可能性があるという。 水素は、石油精製や肥料製造、化学業界で用いられているが、そのほとんどは天然ガスから製造されており、その過程でCO2を排出している。近年は、Plug Power（プラグパワー）や、Cummins（カミンズ）のクリーンテック部門であるアクセラが販売しているような電解槽を使ったCO2フリーの水素製造が普及しはじめている。 しかし、H2MOFや、フォーブスの「30 UNDER 30」に選出されたVerne（ヴェルヌ）のようなスタートアップが、輸送用や車載用の新型タンクを開発しない限り、化石燃料の代替燃料としての水素の普及は限定的になるだろう。 現在、水素はテキサス州やカリフォルニア州のパイプラインを通って輸送されているが、高圧水素ガスによって亀裂が起こる可能性があるため、これらに耐えられる素材を用いる必要がある。 「あらゆる場所にパイプラインを敷設することはできないため、業界は巨大なタンクを積んだ大型トラックによる輸送を検討している。しかし、この方法は非常にコストがかかると同時に、水素を高圧化や液化するために多くのエネルギーを浪費することになる。このやり方ではビジネスが立ち行かなくなるだろう」とタハはいう。 ■バイデン政権の後押し バイデン政権は先月、水素燃料の生産と利用を拡大するため「水素ハブ」ネットワークの構築に70億ドル（約1046億円）の補助金を拠出すると発表し、クリーンな水素に前例のない投資と支援を行っている。米財務省も、CO2を発生させずに製造した水素や、水素を用いたCO2の回収に対して、1キログラム当たり最高3ドルの税額控除を認めるガイドラインを発表する予定だ。 H2MOFは、水素研究のための助成金をまだ申請していない。同社は、チャンネル諸島にあるジャージー島に本拠を置く非公開企業「レボネンス・テクノロジーズ・インターナショナル（Revonence Technologies Internationa）」の子会社だ。電気工学の博士号を持つタハによると、レボネンスはH2MOFの研究に数千万ドルを投じているという。彼は、同じくレボネンスの子会社であるAtoco（アトコ）の経営にも従事している。アトコは、大気や産業排出物からCO2を除去するナノマテリアルを開発している。 「水素の貯蔵と輸送が技術的なボトルネックとなっている。もし我々がこれらの問題を解決することができれば、需要を喚起し、水素燃料の普及につながるだろう」とタハは語った。

ノーベル賞化学者が共同創業、水素貯蔵スタートアップ「H2MOF」の挑戦（Forbes JAPAN） - Yahoo!ニュース

JR東海は、水素を燃料とした「水素動力車両」の開発を目指す。水素を燃料とした動力源については「燃料電池」に加えて、「水素エンジン」の活用も検討しており、鉄道では国内外で事例がないという。

開発を進める水素動力車両は、軽油を燃料とするディーゼルエンジンの替わりに、燃料電池または水素エンジンを活用。燃料電池または水素エンジンから得られる電気と蓄電池の電気で走行する「水素動力ハイブリッドシステム」の導入を目指す。水素動力車両の導入により、走行時のCO2排出量をほぼゼロに抑えられるとしている。 山間部などに多い非電化路線への導入に向け、山間部の連続する勾配を走行可能な高い出力と、長距離走行が可能な高い効率性を備えたシステムの実現を目指す。 模擬走行試験は小牧研究施設にある車両走行試験装置にて行なわれる。この装置は、レールを模した軌条輪の上で台車を走行させることで、勾配等の実際の走行条件を模擬できる。 模擬走行試験では、燃料電池または水素エンジンを動力源として発電した電気と蓄電池の電気を、車両制御装置を介して車両走行試験装置の台車に装備された電動機に供給することで、この電動機を回転させて台車を走行させる。その際、山間部が多い非電化路線を念頭に、勾配等の様々な走行条件を模擬し、実車試験よりも充実したデータを、効率的に取得、分析する。 燃料電池と水素エンジンは、それぞれ出力やエネルギー効率等の特性が異なるため、模擬走行試験等で、これらを動力源とした場合の鉄道車両の走行性能や、山間部が多く長距離となる非電化路線への適合可能性等を検証する。 11月に燃料電池を活用した模擬走行試験を実施。2024年度以降に水素エンジンを活用した模擬走行試験を行なう。燃料電池はトヨタ自動車製の燃料電池モジュールを使用、鉄道車両用の水素エンジンはi Labo社と開発する。将来の水素供給体制についてはENEOSと検討を開始する。

JR東海、水素動力の車両開発　CO2排出ほぼゼロ（Impress Watch） - Yahoo!ニュース

Enapter has received the first order for its AEM Multicore electrolyser, a containerised system for megawatt-class green hydrogen production.

Berlin (2 November 2021); Enapter (WKN A255G0) has received the first order for its AEM Multicore electrolyser, a containerised system for megawatt-class green hydrogen production. Based on its modular and patented AEM technology, already in use in more than 40 countries, the AEM Multicore provides low-cost, flexible and reliable electrolysis from intermittent renewables. The large-scale system was ordered by the German Steinbeis Innovation Center siz energie+ through one of Enapter’s sales and integration partners, H2 Core Systems. It is scheduled for delivery to the northern German city of Braunschweig in June 2023.

Enapter’s AEM Multicore system will operate at the Braunschweig Research Airport, a leading competence centre for mobility in Europe. It will enable a wide variety of tests, with the green hydrogen it produces being used, among other things, to supply fuel cell test benches. One of the buildings on site will use the waste heat arising from production. 

“Supplying buildings directly with locally-generated energy, while also achieving cross-sectoral coupling between electricity, heat and mobility is one of the central challenges of the transformation we are finding ourselves in. With our projects in Braunschweig, we are researching exactly this – and the AEM Multicore will play a key role since it fits our needs ideally with its straightforward, megawatt-scale green hydrogen production and integrated energy management,” says David Sauss, one of the leaders of siz energie+. 

The AEM Multicore represents a cost-effective alternative to traditional megawatt-class electrolysers, combining 420 core modules – “AEM Stacks” – into a complete system that can produce ~450 kilograms of hydrogen per day. Enapter thus has a clear goal: to rapidly reduce costs by scaling many small units into a large megawatt-scale green hydrogen plant. 

“It was in April of this year that we introduced the AEM Multicore and today we already have the first order. This explicitly underpins our strategy to occupy the market segment of megawatt systems by means of freely scalable and standardised systems,” said Enapter’s CEO Sebastian-Justus Schmidt. 

Braunschweig-based siz energie+, a member of the Steinbeis network, offers services in the field of energy and quality management, as well as conceptual design of supply systems. The integration will be carried out by one of Enapter’s sales and integration partners, H2 Core Systems GmbH, through which the AEM Multicore order was placed.  

About Enapter 

Enapter is an award-winning energy technology company producing highly efficient hydrogen generators to replace fossil fuels. Its patented and proven Anion Exchange Membrane (AEM) technology allows for the mass production of low-cost, plug-&-play electrolysers for green hydrogen at any scale. The modular systems are used in 40 countries in sectors like energy, mobility, industry, heating and telecommunications. Enapter has offices in Italy, Germany, Thailand and Russia.