水電解システムについて詳しく知るには

CRAIG GIFFORD:
「Ask Swagelok」へようこそ。本日は私、クレイグ・ギフォードが、スウェージロック・オンタリオで流体システム・エンジニアを務めるハッサン・エル・グールとともにお届けします。ハッサン、これまで私たちは水素製造、特に水電解装置について話してきましたが、まだ新しいテーマでもありますので、改めて水電解装置について説明してもらえますか。

HASSAN EL GHOUL:
もちろんです。水電解装置とは、電流を使用して水を酸素と水素に分解する装置です。私たちのターゲットはこの酸素と水素で、運転条件ではどちらも気体の状態です。電解槽には2つの区画があり、それぞれに電極が配置され、陰極はマイナス、陽極はプラスに帯電しています。電解槽の種類によって、これらの区画は多孔質隔膜や高分子膜など、異なるタイプの膜で仕切られています。一般的な水電解装置には、PEM型水電解装置とアルカリ水電解装置の2種類があります。

CRAIG GIFFORD:
つまり代表的なのがその2つということですね。違いについて教えていただけますか。

HASSAN EL GHOUL:
はい。まずPEM型水電解装置から説明します。PEMでは高分子膜が使用され、水素イオン（陽子）が電流によって一方の電極区画からもう一方へ移動します。水素は陰極側で生成されます。PEMの特徴は、高い電流密度に対応できること、出力圧力が高く後工程での圧縮が少なくて済むこと、そしてプラチナやイリジウムなどの貴金属電極による高い電気化学効率です。また、負荷変動への追従性が高く、風力や太陽光など変動する電源に適しています。

HASSAN EL GHOUL (続き):
もう1つはアルカリ水電解装置です。こちらは水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの電解質溶液を使用し、水酸化物イオンが多孔質隔膜を透過します。アルカリ型はPEMより電流密度が低く効率が下がり、出力圧力も低いため後で圧縮が必要になります。ただし電極は安価な鋼製でニッケル合金メッキが施されており、PEMよりコストが低いという利点があります。負荷変動への追従性はPEMほど高くありません。

CRAIG GIFFORD:
なるほど。水素製造施設が操業を開始する際には工場受入試験などが行われますが、わずかな漏れでも非効率性や安全上の問題につながります。水電解装置に起こる問題と、それに影響する要因について説明いただけますか。

HASSAN EL GHOUL:
水電解装置を検討する際の留意点は、安全性と効率性の2つです。まず安全性ですが、水電解装置では水素と酸素という2つの重要なガスが関わります。水素は可燃性ガスで、空気中での爆発下限界は4％です。酸素は燃焼を助長します。次に効率性ですが、漏れが生じるとガスが大気中に逃げ、電気分解と圧縮に使ったエネルギーも失われます。そのため、低分子ガスを封止できる適切なシール技術が不可欠です。

CRAIG GIFFORD:
プラントの規模は容量や効率、拡張性、経済性にも影響しますよね。こうした課題に対してどんな対応策がありますか。

HASSAN EL GHOUL:
まず電解槽の効率を上げる要因として、温度、電極材質、電流密度、電解質濃度が挙げられます。一般に温度が高いほど効率が上がり、電極材質は電気化学反応の効率に影響します。電流密度が高いほど水素生成量が増え、電解質濃度が高いほど導電率が向上します。

HASSAN EL GHOUL (続き):
次に拡張性に関する課題ですが、まず資本コストが大きな要因です。特にPEMのように貴金属を使用するタイプは高価です。また、電解槽単体ではなく、圧縮、充填ステーション、貯蔵、仮想パイプラインなどインフラ全体として検討する必要があります。さらに、水蒸気メタン改質と比べて電気分解は効率が低いため、競争力の確保が課題となります。

CRAIG GIFFORD:
水電解装置を中心にインフラを構築する際、他に考慮すべきことはありますか。

HASSAN EL GHOUL:
設計者は電解槽周辺のサブシステムや流体力学全体に着目する必要があります。配管サイズ、侵食速度、熱回収システム、バルブサイズ、圧縮前の水素調整サブシステム、圧力逃がし弁、排気方法（CGA 5.5などの規格）、パージ方法、そして品質管理など、多くの要素があります。水素は最終的に燃料電池など品質が問われる用途に使われる可能性があるため、グラブ・サンプリングやオンライン分析器が役立ちます。

CRAIG GIFFORD:
水電解装置についてのお話をありがとうございました。ご視聴ありがとうございました。