プロトン交換膜（PEM）電解水水素製造技術の進歩と経済分析

1966年、ゼネラル・エレクトリック社は、電解質として高分子膜を使用したプロトン伝導の概念に基づく水電解セルを開発しました。PEM セルは、1978 年に General Electric によって商品化されました。現在、同社が生産する PEM セルは、主に水素生産が限られていること、寿命が短いこと、および投資コストが高いことから、生産量が少なくなっています。PEMセルはバイポーラ構造を持ち、セル間の電気的接続はバイポーラプレートを介して行われ、発生したガスを排出する上で重要な役割を果たします。アノード、カソード、および膜グループが膜電極接合体 (MEA) を形成します。電極は通常、プラチナやイリジウムなどの貴金属で構成されています。陽極では、水が酸化されて酸素、電子、陽子が生成されます。カソードでは、アノードによって生成された酸素、電子、陽子が膜を通ってカソードに循環し、そこで還元されて水素ガスが生成されます。PEM電解槽の原理を図に示します。

PEM 電解セルは通常、小規模な水素製造に使用され、最大水素製造量は約 30Nm3/h、消費電力は 174kW です。アルカリ電池と比較して、PEM 電池の実際の水素生成速度は限界範囲をほぼカバーしています。PEM 電池は、アルカリ電池よりも高い電流密度 (最大 1.6A/cm2) で動作でき、電解効率は 48% ～ 65% です。ポリマーフィルムは高温に耐えられないため、電解セルの温度はしばしば 80°C を下回ります。Hoeller 電解槽は、小型 PEM 電解槽用に最適化されたセル表面技術を開発しました。セルは要件に応じて設計することができ、貴金属の量を減らし、動作圧力を高めます。PEM 電解槽の主な利点は、水素の生産量が供給されるエネルギーとほぼ同期して変化することです。これは、水素需要の変化に適しています。Hoeller セルは、0 ～ 100% の負荷率の変化に数秒で応答します。Hoeller の特許取得済み技術は検証テストを受けており、テスト施設は 2020 年末までに建設される予定です。

PEM 電池で生成される水素の純度は、アルカリ電池よりも高い 99.99% まで高くすることができます。さらに、高分子膜のガス透過性が非常に低いため、可燃性の混合物が形成されるリスクが軽減され、電解槽を非常に低い電流密度で動作させることができます。電解槽に供給される水の導電率は、1S/cm 未満でなければなりません。高分子膜を通過する陽子輸送は電力変動に迅速に反応するため、PEM セルはさまざまな電力供給モードで動作できます。PEM セルは商品化されていますが、いくつかの欠点があります。主に投資コストが高く、膜と貴金属ベースの電極の両方に費用がかかります。さらに、PEM 電池の耐用年数は、アルカリ電池の耐用年数よりも短くなっています。将来的には、水素を生成する PEM セルの容量を大幅に改善する必要があります。