PEM電解装置：材料イノベーションでグリーン水素を推進する

高まる消費者および規制上の圧力の中で、世界中の産業界は炭素排出量を削減し、持続可能性目標を達成する方法を模索しています。風力や太陽光といった再生可能エネルギー源の導入は確かに有効ですが、電化だけでは、以下を含む削減困難な分野を相殺するには十分ではありません。

• 鉄鋼生産
• 化学品
• 精製
• 重量輸送および海運
• 長期エネルギー貯蔵

これらの産業にはクリーン燃料も必要ですが、今日製造されている水素の大半はいまだに化石由来の供給源から得られています。

そこで、水を電気分解によって水素と酸素に分離して作るグリーン水素が、より低炭素な未来への最も有望な道筋の一つとして注目されています。国際エネルギー機関（IEA）の Global Hydrogen Reviewによると、世界のグリーン水素電解装置容量は2025年に倍増し、4ギガワットを超え、2026年に向けてさらに建設が進められています。

プロトン交換膜（PEM）電気分解は、この拡大を支える主要技術となっています。現在のPEM電解装置と、長期的に産業界が必要とするコスト、耐久性、性能とのギャップを埋めるには、各スタック内部の材料を詳細に理解することから始まります。

PEM電解装置とは？

PEM電気分解は、電気を使って水を水素と酸素ガスに分解する技術です。PEM電解セルには、電気と水を取り込み、水素と酸素を取り出すうえでそれぞれ異なる役割を担う重要部品が一体化されたシステムが含まれます。これらの部品は次のとおりです。

• プロトン交換膜：陽極から陰極へプロトンを通しつつ、水素ガスと酸素ガスが混ざるのを防ぐ
• 陽極触媒層：水が酸素ガス、プロトン、電子に分解される酸素発生反応（OER）が起こる場で、通常はイリジウム系触媒が用いられる
• 陰極触媒層: プロトンと電子が再結合して水素ガスを形成する水素発生反応（HER）が起こる場で、通常は白金系触媒が用いられる
• 多孔質輸送層：水を触媒層へ運び込み、水素ガスと酸素ガスを外へ流す
• バイポーラプレート: 各セル全体に電流と流体の流れを均一に広げ、スタック内で隣接セル同士を分離する

PEM電気分解はどのように機能するのか？

セル内では、プロトン交換膜が逆極性の2つの電極の間に位置し、その両側で電気分解反応が進行します。

• 陽極（正に帯電）では: 水が供給され、印加電圧によってH₂Oの水分子が酸素ガス、電子、水素イオン（H⁺、すなわちプロトン）に分解されます。
• 陰極（負に帯電）では: 膜を通過したプロトンが、外部回路を介して到達した電子と再結合して水素ガスを形成します。

このプロセスの基盤となるのがプロトン交換膜です。固体のプロトン伝導材料として、プロトンを通しながら、水素ガスと酸素ガスの混合を防ぐ物理的バリアとして機能します。

この機能の組み合わせにより、PEM電解セルはコンパクトな設置面積で高い電流密度で動作しながら、非常に高純度の水素を生成できます。各セルは低電圧で少量の水素しか生成しないため、産業規模の出力を実現するには、製造業者はこれらのセルを数十、数百単位で直列接続した「スタック」として連結します。

PEM電解装置において材料キャラクタリゼーションが重要な理由

PEM電気分解のイノベーションを加速するには、高速かつ正確な材料キャラクタリゼーションが欠かせません。研究者は、次のような幅広い材料特性について正確な知見を必要としています。

• 結晶構造
• 組成
• 酸化状態
• 粒子サイズ
• 分散安定性
• 運転中の構造変化

キャラクタリゼーションデータは、これらの特性を性能に直接結びつけ、研究者が材料をより迅速に最適化し、エビデンスに基づく開発判断を下すのに役立ちます。これは、遅い試行錯誤型の開発から、データ駆動型の材料工学へと移行する、分野全体の大きな転換を示しています。

重要なのは、高度なキャラクタリゼーションによって、材料がなぜそのように性能を発揮するのかを理解でき、その改良方法に関する重要な情報も得られることです。

PEM電解装置触媒のキャラクタリゼーション

電極触媒の開発は、PEM電気分解研究で最も活発な分野の一つであり、それには明確な理由があります。触媒は技術的ボトルネックであると同時に、スタックにおける最大のコスト要因でもあるからです。現在の研究は主に次の点に集中しています。

• 陽極で使用するイリジウム量の削減
• 触媒活性の向上
• 耐久性の改善
• スタック全体のコスト低減

これらの目標を達成するには、新規合成直後から実際の運転中、さらに運転後やサイクル試験後まで、触媒のライフサイクル全体にわたる構造を詳細に理解する必要があります。特に劣化研究では、時間の経過とともに触媒性能がどのように、そしてなぜ低下するのかを正確に明らかにでき、より長寿命の電解装置を実現するために必要な構造的・組成的変化へと研究者を導きます。

触媒の化学、構造、実使用環境での耐久性の間のこのつながりこそが、材料キャラクタリゼーションを業界のコスト削減と商用スケール拡大の目標に直接結び付けるものです。

PEM電解装置開発を支える分析技術

単一の分析技術だけで、研究者がPEM電解装置材料について知るべきすべてを把握することはできません。材料がどのように性能を発揮するのか、そしてその理由を完全に理解するには、異なる要素をそれぞれ捉える補完的な手法を組み合わせる必要があります。

X線回折（XRD）

XRDは、触媒材料に存在する結晶相を同定・定量し、回折ピークの位置、幅、強度から、結晶子サイズ、格子ひずみ、格子定数などの重要な構造パラメータを明らかにします。

PEM電解装置の触媒研究では、XRDは材料の開発段階や運転経過に伴う構造変化の追跡、さらに新しい白金系またはイリジウム系合金の結晶相確認に適しています。

XRDデータは迅速かつ再現性高く取得できるため、同一試料をサイクル前後で測定する劣化研究にも、日常的な材料最適化にも有用です。

当社のコンパクトなAeris 卓上型X線回折装置は、ルーチンの結晶子サイズおよび相測定に対応し、さらにモジュール式 Empyrean プラットフォームでは、触媒が加熱、サイクル処理、またはその他の実運転条件下に置かれた際の構造変化を追跡するためのX線散乱およびその場測定機能が追加されます。

蛍光X線分析（XRF）

XRDが構造を明らかにするのに対し、蛍光X線分析は元素組成を解析します。XRFは触媒の組成と貴金属担持量を検証します。たとえば、イリジウムや白金の担持量が仕様どおりかを確認したり、Pt合金触媒における金属比をチェックしたりします。

そのため、触媒配合が製造段階に移行した後の材料品質管理や生産一貫性の確認に適しています。触媒コストは貴金属含有量と非常に強く結びついているため、正確な元素分析によって、新材料の設計意図どおりの担持量と組成目標に本当に達しているかを確認できます。

触媒用途向けの当社XRFソリューションには、高精度な組成および担持量の検証に必要な分析性能を備えた据置型のZetium 分光分析装置があります。

また、卓上型 Epsilon 1は、標準試料不要で迅速な元素分析をルーチンの触媒スクリーニングに提供し、より高スループットなEpsilon 4は、試料数がはるかに多い生産ラインのQCに適しています。

XANESとEXAFS

XRDとXRFで結晶構造と元素組成は分かりますが、単原子レベルで電子的に何が起きているかまでは分かりません。

そこで登場するのがX線吸収分光法（XAS）です。XASスペクトルは2つの領域から成ります。

1. XANES: X線吸収端近傍構造
2. EXAFS: 拡張X線吸収微細構造

それぞれが、調べている原子について異なる情報を明らかにします。XANESは酸化状態と配位幾何に特に敏感であり、EXAFSは隣接原子との距離や配位数を明らかにします。これらを組み合わせることで、酸化状態や特定元素周辺の局所原子環境に関する知見が得られ、回折法だけでは不十分な複雑系、多相系、非晶質材料でも有効です。

PEM電解装置では、これはイリジウム系酸素発生触媒の研究に特に有用です。運転中にイリジウムの酸化状態や配位環境が微妙に変化することは、触媒活性と長期劣化の両方に密接に関係しているからです。こうした原子レベルの詳細を理解することで、研究者はバルク組成だけを調整するのではなく、真に活性と安定性が向上した次世代触媒を設計できます。

Empyrean XASは、XRDや散乱測定にも用いられる同じモジュール式Empyreanプラットフォーム上で、研究室ベースのXANESおよびEXAFSデータを提供します。これにより、PEM電解装置研究者は希少なシンクロトロンのビームタイムを競うことなく、局所原子環境を調べることができます。

粒子キャラクタリゼーション

触媒粒子サイズと分散性は、触媒層の性能に直接影響します。より小さく、よく分散した粒子は、貴金属1グラムあたりの活性表面積をより多く露出させます。一方、分散不良や凝集した粒子は、触媒性能とコストを無駄にします。

粒子キャラクタリゼーションのデータは、触媒インクの配合と最適化に直接役立ち、代表的な用途には以下が含まれます。

• ナノ粒子サイズ測定
• 凝集状態の評価
• 分散安定性試験

Zetasizer Advance シリーズは、ナノ粒子サイズとゼータ電位を測定し、触媒インクの安定性と分散性を評価します。さらに、Mastersizer 3000+レーザ回折システムは、触媒粉末や担体に関連する、より広範な粒子および凝集体サイズ分布を特性評価します。

NanoSight Proでのナノ粒子追跡解析と、Morphologi シリーズでの自動静止画像解析も、個々のナノ粒子を数えてサイズを測定し、凝集体の形状を評価するという補完的な粒子ごとの視点を追加し、上記のバルク測定で示される内容を確認するのに役立ちます。

手法	明らかにする内容
X線回折（XRD）	結晶相、結晶子サイズ、格子ひずみ
蛍光X線分析（XRF）	元素組成、貴金属担持量
XANES / EXAFS	酸化状態、局所原子環境
粒子キャラクタリゼーション	粒子サイズ、分散安定性、ゼータ電位

PEM電解装置研究の今後の動向

PEM電解装置研究は継続的に進展しており、この分野の将来は、材料、製造、システム設計を組み合わせたイノベーションにかかっています。複数の収束するトレンドが次の技術の方向性を形作っており、開発者は以下の達成を目指しています。

• 貴金属使用量の削減：性能を損なうことなく陽極のイリジウム担持量を減らすことに多くの研究が注がれており、代替触媒化学および、なお必要とされる貴金属のより効率的な利用方法も模索されています。
• 耐久性の向上：業界が稼働寿命の延長を進める中で、スタック全体にわたる劣化メカニズムの理解は、生の性能と同じくらい重要になりつつあります。
• 高性能システム：現在進行中の取り組みは、運転コストを下げながら、高電流密度、効率向上、水素出力増加を目指しています。
• ギガワット規模の製造：水素需要の増加に応えるため、電解装置の製造は急速に拡大しており、巨大な生産量にわたって堅牢な品質管理と一貫した材料性能を確保すること自体が、新たな工学的課題となっています。
• 再生可能エネルギー統合：PEM電解装置は、変動の大きい風力・太陽光の導入拡大に伴い、系統バランシング、エネルギー貯蔵、セクターカップリングに貢献する可能性を持ち、再生可能エネルギーエコシステムにおいて重要な役割を担い始めています。

よりスマートな材料キャラクタリゼーションでPEM電解装置を前進させる

PEM電解装置は、今後10年でグリーン水素生産の拡大に大きな役割を果たすと期待されていますが、その実現は、それらを構成する材料の性能にかかっています。触媒、膜、そしてその他すべての重要部品がスタックの効率、耐久性、コストを左右し、それらを改善するには詳細な材料知見が必要です。

XRDやXRFからXAS、粒子分析に至る高度なキャラクタリゼーション技術は、研究者に必要な重要な知見を与えます。これにより、劣化の理解、新材料の迅速な検証、次世代PEM電気分解への開発リスク低減が可能になります。

Malvern Panalyticalの材料キャラクタリゼーションソリューションが、研究者によるPEM電解装置材料の解析、劣化メカニズムの理解、より効率的でより耐久性の高い水素製造技術の開発加速にどのように役立つか、さらに詳しくご覧ください。水素製造に確かな信頼をもたらす分析ソリューションについては、Malvern Panalyticalの専門家にご相談ください。