ニッケルベースの電解による水素生産の進展

水電解による水素製造の進展

水素は化石燃料に代わる有力な選択肢と考えられています。燃料電池を使う輸送分野に加え、直接の電化が難しい高温の産業工程では、石炭や天然ガスに代わる燃料となる可能性があります。

水素は天然ガスのように利用しやすい資源として十分に得られるわけではなく、多くは別の物質から製造する必要があります。水を水素と酸素に分解する水電解は、その方法の一つです。現在の水素製造全体では、化石燃料を使う方法が主流です。

水電解では、投入した電力を使って水を水素と酸素に分解します。課題にはエネルギー損失や設備コストがあり、一部の方式では白金などの高価な触媒も必要です。すべての方式が同じ触媒を使うわけではありません。

韓国の研究チームは、比較的安価で豊富なニッケルを使い、触媒の性能を改善する方法を示しました。

ニッケルナノアレイによる水素生産の促進

材料科学・工学分野のJong Kyu Kim教授の研究チームが所属する POSTECH（韓国・浦項工科大学） では、水電解の効率を下げる課題の解決に取り組んでいます。

出典: POSTECH

課題の一つは、発生した水素の気泡が触媒表面に付着し、電解液と触媒の接触を妨げることです。これにより反応効率が低下し、必要なエネルギーや触媒の使用量が増える可能性があります。

研究チームは、斜めに配列した微細なニッケルナノロッドを作製しました。この三次元構造は気泡が表面から離れやすい「超撥気性」を示し、水素の気泡を効率よく放出します。

これにより、水が触媒に届くスペースが確保され、電解がより効率的になります。

出典: POSTECH

大学の発表によると、同じ量のニッケルを使った従来の薄膜構造と比べ、水素製造性能は約55倍に向上しました。この比較は触媒構造の違いによるもので、電解装置全体のエネルギー変換効率が55倍になったという意味ではありません。

ニッケル触媒を超える展開

研究ではニッケルナノロッドを用いましたが、気泡の付着を抑える傾斜ナノ構造という考え方は、ほかの触媒にも応用できる可能性があります。水素技術にどのような意味を持つのでしょうか。

より良い電解

現在、世界で製造される水素の多くは天然ガスなどの化石燃料に由来します。コスト面で有利な場合がありますが、排出を抑える対策なしでは二酸化炭素を発生させます。

再生可能エネルギー由来の電力で水電解を行う「グリーン水素」は、製造時の排出を減らす選択肢です。ライフサイクル全体の排出量は、設備や電力の供給方法にも左右されます。

グリーン水素サプライチェーン全体のコストを削減できる方法は、化石燃料に代わる実用的な選択肢に近づく一歩です。

気泡の放出を改善する考え方は、白金などを用いる従来の触媒にも応用できる可能性があります。ただし、材料や構造ごとに効果を検証する必要があります。

これは、ルテニウム、シリコン、タングステン（RuSiW）など、最近発見されたコスト効果の高い電解触媒にも適用できる可能性があり、当サイトの記事「低コストの新しい電極触媒により、グリーン水素がグレー水素に取って代わる可能性」で取り上げました。

より良い水素サプライチェーン

電解は、水素をエネルギーシステムの要として位置付けるために改善できるステップの一つに過ぎません。

例えば、より優れた燃料電池は水素車をEVの強力な競争相手にする可能性があり、当サイトの記事「バッテリーセルは水素燃料電池への前段階にすぎないのか？次世代EVの真実」で議論しました。

また、効率的な大規模水素貯蔵技術は、水素の取り扱いや流通を容易にする可能性があります。この点は、当サイトの記事「水素は貯蔵技術の突破によりエネルギー源としてより魅力的になった」で取り上げました。

他の潜在的な応用

傾斜ナノロッドを用いた超撥気性の創出は、水素以外にも応用が考えられます。

低コストで効率的に水素を製造できれば、アンモニア製造のコストにも好影響が期待できます。アンモニアは船舶燃料などで水素とは異なる利点があり、この点は「グリーンアンモニアで世界の航路を脱炭素化」で取り上げました。

Jong Kyu Kim教授は、気体が関わるほかの化学プロセスにもナノロッド技術を応用できる可能性があると述べています。

「グリーン水素生産のための水電解プロセスの効率を高めることで、私たちは水素経済とカーボンニュートラル社会へと前進しています。」

このブレークスルーは水電解に利益をもたらすだけでなく、表面反応が重要な役割を果たす二酸化炭素還元や光エネルギー変換システムなど、さまざまな再生可能エネルギー応用にも期待が持てます。

したがって、このイノベーションは水素を超えて、炭素捕集や人工光合成にも重大な影響を与える可能性があり、当社は「人工光合成と生分解性：持続可能性を念頭にプラスチック問題に立ち向かう」でその探求を始めました。

水素ソリューション企業

1. Aker Horizons ASA

ニッケルナノロッドの活用は、代替燃料やエネルギー貯蔵手段としての水素の可能性を広げる技術の一つです。投資を検討する場合、水素のサプライチェーンの各段階に分散して関わる企業を調べるという選択肢もあります。

Aker HorizonsはAkerグループの子会社で、グリーンエネルギーを中心に展開しています。Akerグループは再生可能エネルギーと海洋/オフショア事業に焦点を当てた重要なノルウェーのコングロマリットです。Aker Horizonsは炭素捕集、グリーン水素、再生可能エネルギーなど複数の子会社を持つ持株会社です。

出典: Aker

同社は水素とグリーンアンモニアの製造に取り組み、特にノルウェーの海運分野の脱炭素化を目指しています。

Aker Horizonsは、洋上風力から水素、グリーンアンモニアの製造まで、関連する事業を組み合わせた開発を目指しています。

フランスでの廃棄物発電、ドイツのバイオマスプラント、そして中東（サウジアラビアとUAE）での炭素捕集プロジェクトにも取り組んでいます。

そのため、グリーンアンモニアや海運に加え、ほかの再生可能エネルギー分野や複数の地域に関わる企業として、投資家が調べる対象になり得ます。ただし、事業の分散が投資リスクをなくすわけではありません。

2.  Ballard Power Systems Inc.

水素の主な市場が何になるかは、まだ定まっていません。発電や乗用車向け燃料に広がる可能性もあれば、直接の電化が難しい大型車両や産業用途が中心になる可能性もあります。

Ballardは燃料電池メーカーで、1993年に初の燃料電池バスを導入した技術のパイオニアです。

同社はバス、トラック、鉄道・路面電車、船舶、鉱業・建設、発電などの大型用途に注力しています。バスが中核事業でしたが、記事執筆時点では2025年までにトラックが重要な部門になると見込んでいました。地域別では欧州が50～60%、北米が25%を占めるという当時の想定が示されています。

記事が引用する予測では、2030年のトラック向け燃料電池市場は75億ドル、潜在的な対象市場全体は1,950億ドルとされています。これは将来予測であり、確定した売上ではありません。

より安価で効率的な水電解などにより水素の製造コストが下がれば、この市場の成長を後押しする可能性があります。

出典: Ballard

大型車両では高い出力や短い燃料補給時間が求められるため、水素・燃料電池の活用が検討されています。ここでいう補給は電池の急速充電とは異なります。鉄道やトロリーバスでは、架線がない区間での運行に役立つ可能性もあります。

出典: Ballard

同社はアンモニア関連にも関わっています。例えば、 契約を結んだAmogy に、独自のアンモニア分解技術を使う発電プラットフォーム向けの燃料電池を供給することになりました。

乗用車ではバッテリー式電気自動車の普及が進む一方、大型車両の脱炭素化には別の課題があります。

燃料電池分野で事業を展開するBallardは、水素利用を支援する政策や水素製造コストの低下から恩恵を受ける可能性があります。ただし、政策、需要、競争や事業の採算性によって結果は変わります。