埋め込まれたスワーフで水を分解して水素を生成する

水素と電解のコスト

水素は、輸送からエネルギー貯蔵まで、グリーン経済に有望な燃料であり、海運や航空など多くの産業にとって唯一現実的な炭素フリー代替燃料となり得ます。

水素経済の台頭を阻んできた主要な要因の一つはコスト、特に水素製造コストです。

グリーン水素（再生エネルギー由来）は主に電解によって生産されますが、これには大量のエネルギーと触媒が必要です。こうした触媒は高価で、ほとんどの場合プラチナなどの金属に依存しています。プラチナを多く使用すればするほど、電解装置のコストは上がります。

プラチナのような金属は高価なだけでなく、極めて希少であり、水素がエネルギー源として大量に採用された場合、供給が逼迫する恐れがあります。

そこで、研究者が電解に必要な触媒量を大幅に削減したことを発表したという重要なニュースがありました。

“最先端の商用触媒と比較して、プラチナのロード量をわずか10分の1に抑えて水から水素を生成できるようになりました。” – Dr Madasamy Thangamuthu, University of Nottingham ポストドクトラル研究員。

スクラップ金属（スワーフ）で安価な電解

この発見は英国ノッティンガム大学の研究者によって行われ、Journal of Material Chemistry に「From scrap metal to highly efficient electrodes: harnessing the nanotextured surface of swarf for effective utilization of Pt and Co for hydrogen production」というタイトルで掲載されました。

最初の発見は、ナノスケールでスワーフを分析したことから得られました。スワーフとは、ステンレス鋼、チタン、ニッケル合金などの金属を加工する際に発生する廃棄物の金属スパイラルです。英国だけでも年間数百万トンの金属廃棄物が生産されています。

ソース: Nottingham University

電子顕微鏡でこれらのスワーフを分析したところ、滑らかではなく、幅が数十ナノメートルしかない溝やリッジが多数存在することが判明しました。

このように非常に複雑な構造と広大な接触面は、水素生成のための電解触媒に理想的な基板となります。

ソース: Journal Of Material Chemistry

スワーフ上の磁気プラチナ雨

スワーフにプラチナ原子を付加するため、研究者はマグネトロンスパッタリングという手法を用いました。これは半導体製造で用いられる、強力な磁場を利用して金属の超薄膜を堆積させる技術です。

ソース: Korvus Tech

この方法はプラチナ原子をスワーフ上に「降らせ」、ナノメートルサイズの溝やリッジに堆積させます。

“わずか28マイクログラムの貴金属を1 cm²のスワーフに広げるだけで、実験室規模の電解装置を100％効率で稼働させ、1分間に0.5リットルの水素ガスを単一のスワーフから生成できました。” – Dr Madasamy Thangamuthu, University of Nottingham ポストドクトラル研究員。

この手法により、以下の2種類の水素生成電気触媒が作製されました：

• プラチナ原子を触媒としたチタンスワーフ、水素発生反応(HES) 用。
• コバルト原子を触媒としたニッケルスワーフ、酸素発生反応(OER) 用。

ソース: Journal Of Material Chemistry

ノッティンガム大学の研究者は現在、AqSorption 社と協力してこの技術のスケールアップに取り組んでいます。

水素イノベーションの統合

新しい触媒パラダイム

水素経済の構築には、生産から流通までのすべての工程をできるだけ効率的にすることが求められます。

最近まで、プラチナやコバルト系触媒の希少性と高コストが代替触媒の発見を必要としていました。例えば、”Nickel Based Electrolysis による水素生産の進展” でニッケルナノロッドの可能性を議論し、”新しい電気触媒が生産コストを削減し、グリーン水素がグレー水素に取って代わる” ではルテニウム、シリコン、タングステン (RuSiW) などの代替触媒を取り上げました。

スワーフの利用が発見されたことで、これら新しい触媒の必要性がなくなる可能性があります。

これらのイノベーションを組み合わせれば、さらに効率的な新型触媒が創出できるかもしれません。あるいは、プラチナの使用量が10倍削減できるようになった今、プラチナナノロッドを用いて超高効率の触媒性能を実現することも選択肢となります。

水素技術の向上とアンモニア

この技術は、”水素がエネルギー源としてより魅力的になる新たな封止技術” で議論された水素のより効率的な貯蔵や、”バッテリーセルは水素燃料電池への前段階に過ぎないか？ 次世代EVの真の姿” で取り上げられた水素から電力への効率的な変換と組み合わさるでしょう。

最終的に、高効率・低コストの水素電解、貯蔵、利用は、アンモニアを燃料・輸送・長期貯蔵形態として大量に使用することと組み合わせられます。これは、”グリーンアンモニアで世界の航路を脱炭素化” および “アンモニア生産は環境に大きな影響を与えるが、エンジニアがよりクリーンな方法を開発” で議論されています。

水素に焦点を当てた企業

1. Sibanye Stillwater

スワーフを用いた水素生産は、プラチナベースの電解を経済的に実現可能にすることで、グリーン水素の大規模導入の実現性を大きく高める可能性があります。

これは近年圧力がかかっているプラチナ市場にとって大きな追い風となるでしょう。

プラチナの需要低迷の主因の一つは、自動車やトラックの触媒コンバータへの依存です。世界がEVへ転換する中で、この金属の需要の妥当性が疑問視されています。

ソース: Sibanye Stillwater [securities_stock_price_tag symbol="SBSW" exchange="NYSE"]

あるいは、航空宇宙産業のスクラップ金属を利用したプラチナベース電解が水素経済の中心となれば、今後数十年にわたるプラチナ需要は確保されるでしょう。

南アフリカのSibanye Stillwaterは、世界最大級のプラチナ生産者の一つです。世界のプラチナの80％が同国で生産され、そのうちSibanye Stillwaterが全体の4分の1を担っています。

ソース: Mining Technology

同社はまた、パラジウム、ロジウム、ルテニウムといったプラチナ族元素の生産者でもあり、現在は金やバッテリーメタル市場への参入を目指して多角化を進めています。

ソース: Sibanye Stillwater

プラチナ市場はEV採用と内燃機関（ICE）との議論に左右されてきました。プラチナや他のプラチナ族元素を用いた水素電解の急速なイノベーションにより、状況は変わる可能性があります。

プラチナは水素を電気に変換する燃料電池の多くの設計でも必須です。したがって、スワーフベースの電解を含む水素技術の進展は、Sibanye Stillwater のようなプラチナに特化した鉱山企業にとって利益となるでしょう。

2. Ballard Power Systems Inc.

Ballard は燃料電池メーカーであり、1993 年に初の燃料電池バスを製造したパイオニアです。

同社は重機市場に注力しており、バス、トラック、列車/トラム、船舶、鉱業/建設、電力供給を対象としています。バスが主力事業である一方、2025 年までにトラックが主要な事業セグメントになると見込んでいます。また、欧州が主要市場（50‑60％）で、次いで北米（25％）が続くと予測しています。

トラック用燃料電池は成長が見込まれ、2030 年には 75 億ドル規模（総市場 1,950 億ドル）の市場になると予測されており、他の水素・燃料電池用途とほぼ同規模です。この成長は新技術により水素製造コストが低下すればさらに加速するでしょう。

ソース: Ballard

高出力と高速充電が求められるため、重機は自動車よりも水素と燃料電池に適した市場です。また、鉄道やトロリーバスの架線不要化や、長距離輸送における高速再充電にも貢献します。

ソース: Ballard

同社はアンモニア分野でも活動しており、例えば最近の契約でAmogy と協力し、独自のアンモニア分解技術を活用した「アンモニア‑to‑power」プラットフォーム向けに燃料電池を提供しています。

EV が自動車市場を急速に席巻する可能性がある一方で、重機の脱炭素化はより困難です。Ballard はこの分野で確固たるリーダーシップを持つため、政策的に水素経済が推進されれば大きな恩恵を受けるでしょう。

触媒の進歩により水素製造コストが急速に低下し、燃料電池車両の燃料コストが削減されます。石油価格が地政学的緊張や炭素税の上昇で高騰する中、特に大量の電力と走行距離を必要とするトラックやバスなどの車両にとって、水素が有利になる可能性があります。