なぜアルカリ電解槽が低純度水で優れた性能を発揮するのか

アルカリ耐性の科学：水酸化物イオン（OH–）の役割

アルカリ電解槽は、液体電解質中の水酸化物イオン（OHマイナス）を利用しており、通常は20〜30％の水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウム溶液を使用します。これにより高いpH環境が作り出され、多くの水源に含まれる塩化物や硫酸塩などの厄介な酸性不純物を中和するのを助けます。この化学組成により、これらのシステムは不純物に対して自然な耐性を持ち、PEM方式に必要な超純水を必要としません。また、PEM方式ではさまざまな不純物による触媒中毒の問題があることは周知の事実です。2024年に水素協議会（Hydrogen Council）が発表した最近の報告書によれば、興味深いことに、OHマイナスイオンは通常条件と比較して約1.7倍のイオン導電性を向上させることが示されています。つまり、溶解固形物が最大500ppm程度存在する場合でも、システムは円滑に動作可能であり、さまざまな運用環境に対して非常に柔軟性が高いことを意味しています。

液体電解質が一般的な不純物に対してどのようにバッファリング作用を持つのか

循環するアルカリ電解液は動的な不純物バッファーとして機能します：

• 重金属イオンは不溶性の水酸化物として沈殿し、電極の汚損を最小限に抑えます
• 懸濁粒子は、重要な部品を詰まらせることなく、電解液マトリックス内に保持されます
• 炭酸水素イオンはアルカリ条件下でCO₂と水に分解され、ガスクロスオーバー問題を防止します

テストによると、アルカリ系システムはシリカを100ppm含む給水でも92%の効率を維持するのに対し、PEMは同じ条件下で性能が18%低下します。この耐性の高さから、グローバルエレクトロライザーコンソーシアムは汽水域や低品質水資源に対してアルカリ技術を推奨しています。

実例：パイロットプロジェクトにおける河川水を用いた水素製造

2023年の東南アジアでのパイロットプロジェクトでは、処理されていない河川水（pH 6.8、濁度25 NTU）を使用してアルカリ型電解装置を成功裏に運転しました。基本的な沈降処理のみを必要とし、8,000時間の連続運転後も電圧の劣化は観察されず、以下の点を実証しました：

• 脱イオン化に依存するPEMシステムと比較して、水素のレベルライズドコストが3.3%削減
• 前処理時のエネルギー需要を45%低減
• 超純水インフラが整備されていない地域におけるスケーラブルな展開の可能性

これらの結果は、分散型または資源に制約のある環境においてアルカリ系システムが実用上の利点を持つことを示している。

アルカリ vs PEM電槽：水の純度要件の比較

PEMおよびAEM電槽の厳しい水純度要求

PEM（プロトン交換膜）およびAEM（アニオン交換膜）電解槽では、今後、膜の汚染や触媒の劣化といった問題を回避するためには、抵抗率が1 MΩ・cmを超える脱イオン水を使用することが絶対に必要です。Hyfindrが最近報告したところによると、これらのシステムが50 ppb（十億分の1）を超える金属イオンを含む水と接触すると、性能が著しく低下し、効率損失は15～20％程度になるとのことです。一方、アルカリ系システムの場合は状況が異なります。液体KOH電解質が不純物に対するバリアとして機能するため、PEMが許容できるレベルの10倍から100倍もの不純物濃度まで耐えることができます。このため、水質の要件に関してははるかに寛容であると言えます。

効率とのトレードオフ：PEMの性能はその純度要件を正当化するものなのか？

PEM電解槽は、アルカリ系装置で見られる約60～70％と比較して、75～80％程度のより高い効率で運転できます。しかし、運転には維持運用上の落とし穴があります。それは、運転に必要な水の純度を保つためにかなりのコストがかかることです。ACS Industriesの2025年の研究によると、水素1kgを製造するためには、PEMシステムで9～12リットルの脱イオン水が必要です。これは、従来のアルカリ方式に必要な5～8リットルよりも明らかに多い量です。さらに、PEM技術は高価な白金族触媒に大きく依存していることを考慮に入れると、全体的なコストは、長期的にはアルカリ系システムと比べて25％から最大40％も高くなる可能性があります。したがって、技術的にはより効率的であっても、追加の費用が発生するため、本来得られるはずの経済的利点は相殺されてしまいます。

不純物に対する感度とシステム寿命の主な違い

アルカリ電解槽は、塩化物、硫酸塩、さらには時間の経過とともにPEM膜を破壊する傾向があるシリカのような不純物であっても、分解することなくさまざまな種類の不純物を処理できます。その結果、実運用条件下での寿命がはるかに長くなります。アルカリ式の装置では、稼働寿命が約6万時間からほぼ9万時間に達し、これは一般的に3万～4万5千時間程度の大多数のPEM装置の最良値のおよそ2倍です。アルカリ技術のもう一つの大きな利点は、シンプルなセル構造にあります。この簡素さにより、メンテナンス作業が容易になり、修理費用も大幅に削減されます。市場にある他の選択肢と比較して、費用が35％から半分程度に抑えられることがよくあります。

水不足地域および遠隔地における展開の拡大

トレンド分析：淡水化設備が限られる地域での採用状況

清潔な水処理施設が存在しない、あるいは運用が現実的でない場所では、人々はますますアルカリ電解槽に注目しています。これらのシステムは、川の水やわずかに塩分を含む水など、現地で見つかるほぼあらゆる水源を使用でき、高度な前処理工程を必要としません。これにより、主要な人口密集地から離れた場所に水素生成ステーションを設置するのに非常に有用です。2023年の最近の試験事例を例に挙げてみましょう。濁りがかなりあり、溶解物質が15ppm以上含まれる未処理の河川水を使用しても、約92％の効率を維持して運転し続けました。アジア太平洋地域では、この傾向が最近さらに加速しています。アルカリ式システムは、非常に高価な軍用レベルの水フィルター以外の選択肢を一般の人々に提供してくれます。そして何より、従来の方法と比較して、水の前処理に必要なエネルギー量を約3分の1削減できる点も見逃せません。

持続可能性の利点：脱イオン水インフラへの依存を低減

カルシウム（最大50 mg/L）およびシリカ（最大20 mg/L）を許容することにより、アルカリ電解槽は逆浸透法やイオン交換システムの必要性を排除します。これらのシステムは処理水1m³あたり2～4kWhの電力を消費します。これにより以下の項目が大幅に削減されます。

• 水素1kgあたりの二酸化炭素排出量を18～22%削減
• 水処理インフラに対する資本支出を40万～74万米ドル削減（Ponemon 2023）
• 浄化装置内の膜汚染によって引き起こされるメンテナンス停止時間

この効率性は、利用可能な水のうち自然に工業用純度基準を満たすものが5%未満である乾燥地域において特に、国連の持続可能な開発目標6（SDG 6）に合致しており、グリーン水素の拡大における持続可能な道筋を提供します。

よくある質問

• 低純度水に対してアルカリ電解槽が優れている理由は何ですか？ アルカリ電解槽は水酸化物イオンを使用して高pH環境を作り出し、酸性の不純物を中和します。この構造は不純物に対して自然に耐性がありますが、PEM電解槽は触媒中毒などの問題を避けるために超純水を必要とするため、これとは対照的です。
• アルカリ電解槽は不純物をどのように処理しますか？ 液体電解質がバッファーとして働き、重金属を不溶性の水酸化物として沈殿させ、浮遊粒子を捕捉することで、詰まりや電極の汚損を防ぎます。
• なぜアルカリシステムは遠隔地や水資源が限られた地域で好まれるのですか？ 他のシステムが要求するような広範な前処理なしに、さまざまな水源を使って効率的に運転できるため、純化水へのアクセスが限られている地域での分散型水素生産に最適です。
• アルカリ電解槽とPEMを比較した場合の効率とコストへの影響は何ですか？ PEMシステムはわずかに効率が高いものの、アルカリ性システムはより純度の低い水で動作可能で、高価ではない触媒を使用し、耐久性も高いためコスト効果が高く、全体的な運用コストを削減できます。