なぜ触媒コストがグリーン水素製造における重要なボトルネックなのか

グリーン水素の生産コストは、現在1キログラムあたり約3.8ドルから11.9ドルの範囲にあり、これに対して蒸気メタン改質法による化石燃料由来の水素は1キログラムあたり1.5ドルから6.4ドルであるため、グリーン水素は明らかに高価格帯に位置しています。この価格差が事業のスケールアップを困難にしています。電解槽の設備投資コストは依然として大きな負担であり、特にプロトン交換膜（PEM）方式のシステムでは、通常1kWあたり800ドルから1,500ドルのコストがかかります。こうしたコストをさらに詳しく分析すると興味深い事実が明らかになります。コストの大部分は触媒に費やされているのです。イリジウムや白金といった白金族金属は、PEMスタックのコストのほぼ半分を占めています。PEMのアノードに至っては、1平方センチメートルあたり1〜2ミリグラムのイリジウムが必要ですが、この金属は非常に希少で高価であり、価格は頻繁に1キログラムあたり7,400ドルを超えることがあります。問題は、世界的な供給量が今後の需要増加に追いつかないことによってさらに深刻になっています。このような希少な素材への依存は、コスト管理と安定したサプライチェーンの両面でリスクをもたらします。電解槽のコストを業界目標の1kWあたり150ドルに、また水素価格を1キログラムあたり1ドルにまで低下させるには、触媒のコストと使用量を大幅に削減する必要があります。アルカリ性交換膜（AEM）電解槽は、こうした目標を大規模に達成するために必要なシンプルな解決策となるかもしれません。

AEM電解槽アーキテクチャ：非PGM触媒の極低負荷を実現

水酸化物伝導性膜により、ニッケルおよび鉄酸化物を用いた安定した運転が可能に

アニオン交換膜（AEMs）は水酸化物イオン（OH-）を伝導することで機能し、PEMシステムに見られる酸性環境とは大きく異なるアルカリ性環境を作り出します。このアルカリ性環境は、ニッケルや鉄酸化物といった地球上に豊富に存在する非PGM触媒をアノード側で安定化するのに役立ちます。その結果、これらの材料が急速に分解することなく、良好な酸素発生反応（OER）活性を得ることができます。長年にわたり、安定性の問題が非PGM触媒の実用化を妨げる大きな課題でしたが、最近では状況が変化しています。膜化学に関する新しい進展とより優れた電極設計により、こうしたシステムは産業用途での電流密度（1平方センチメートルあたり0.5A以上）で数千時間にわたって安定して運転することが可能になっています。現代のAEM膜が非常に価値を持つ理由は、運転中に触媒粒子が溶解してしまうのを防ぐ能力にあります。負荷が変動してもイオン伝導性を維持できるため、腐食対策として高価な貴金属を使用する必要がなくなります。これにより、最終的に装置全体の耐久期間が大幅に延びることになります。

比較：AEMとPEMにおけるイリジウム含有量

触媒の含有量の違いは、AEMの構造的優位性を強調しています。PEM電解槽は、腐食性の酸性環境に耐えるために、イリジウム酸化物（IrO₂）のみを陽極に使用しています。一方、AEMシステムは以下のいずれかで動作します。

• 非PGM触媒 （例：ニッケル鉄オキシ水酸化物）、イリジウムをまったく必要としない、または
• 微量のPGMコーティング 、通常は0.1 mg/cm²未満で、わずかな性能向上のためにのみ使用されます。

これはイリジウム消費量の大幅な削減を意味しています。以下の表は主な影響をまとめています。

ローディングを低減することで、スタックCAPEXを約30%直接削減でき、PGM価格の変動リスクからプロジェクトを保護できるため、長期的なプロジェクト資金調達および銀行融資実行可能性において極めて重要である。

AEM触媒のCAPEXを低下させる素材、設計、規模の利点

地殻中で豊富に得られる触媒による原材料の依存度と価格変動リスクの低減

アルカリ性交換膜（AEM）電解装置は、年間7〜10トン程度しか生産されない希少金属であるイリジウムの代わりにニッケルと鉄を使用します。これらの代替材料は供給量が約10,000倍多く、世界中で安定した大量取引市場で取引されています。従来のプロトン交換膜（PEM）方式では、スタックの資本支出の約40〜60％が貴金属グループ金属に使われていますが、AEM技術はこれを安価で入手しやすい材料へと支出をシフトします。査読付き学術誌に発表された研究によると、非貴金属グループ金属のAEMアノードは、産業用の電流レベルにおいてもPEMの酸素発生反応活性の95％以上に達することが可能で、触媒材料費を最大90％削減できます。市場動向を考慮すると、この技術転換の意義はさらに明確になります。イリジウム価格は2020年から2023年にかけて供給逼迫により約800％急騰しましたが、一方でニッケルおよび酸化鉄の価格は、極端な変動なく一般的な工業市場の状況に連動して推移しています。

簡略化されたセル設計により製造の複雑さおよび触媒統合コストが低下

AEM技術はアルカリ性環境で動作可能であるため、これらのセルの全体設計をかなり簡素化することが可能になる。PEMセルスタックは腐食に耐えるために、チタン製双極板や特殊な酸耐性ガスケット、貴金属でコーティングされた部品など、さまざまな高価な部品を必要とする。一方、AEMシステムは通常のステンレス鋼部品や一般的なポリマーシールで問題なく動作する。触媒層の塗布に関しては、製造業者がスケーラブルで予算に優しい方法を選択できる。例えばスプレーコーティングやロール・ツー・ロール堆積法が有効であり、PEM技術で超薄いイリジウム層を形成するために必要な高価な真空スパッタリング装置や複雑な熱処理プロセスへの投資が不要になる。こうした設計の改善により、以下の3つの主要な分野でコストを削減できる：

• 耐酸性スタック材料（約220ドル/kWのコスト削減）
• 超純水前処理インフラ
• 貴金属の回収およびリサイクル物流

業界分析によれば、これらの変更により触媒統合コストが35～50％削減され、量産化までの期間が短縮され、歩留まりの一貫性が向上します。

グリーン水素経済への影響：AEM触媒の効率化によるLCOHの低減

AEM電解槽技術は、電解槽システムにおける最も大きなコスト要因の一つである触媒材料に着目することで、水素製造の均等化コストを大幅に削減します。高価なイリジウムの代わりに、ニッケルや鉄をベースとした化合物を使用するため、コストは約80～90％低くなります。さらに、これらのシステムはほとんど触媒の塗布量を必要としません。このアプローチにより、性能を犠牲にすることなく材料費を削減しており、1平方センチメートルあたり1アンペアで動作する際の効率は70～75％という非常に優れたレベルを維持しています。触媒コストは通常、電解槽全体のコストの25～40％を占めるため、この切り替えだけでも設備投資の大幅な削減につながります。他の要素を考慮するとそのメリットはさらに拡大します。簡素化されたハードウェア設計、容易な製造プロセス、変動する再生可能エネルギー入力に対しても信頼性の高い運転が可能な点も、経済性の向上に寄与しています。大量生産が進めば、AEMシステムは水素価格を1キログラムあたり2ドル以下に下げることが可能で、グリーン鋼材の生産や大型輸送部門など、脱炭素化が特に困難な産業分野で効果的に競争できるようになるでしょう。製造業者が生産量を増やすにつれて、学習曲線効果による規模の経済が働き、AEMはグローバル市場において安価で実現可能なグリーン水素を実現する上で主要な存在となるでしょう。

よくある質問

なぜ触媒のコストがグリーン水素製造において重要なのでしょうか？

イリジウムや白金などの高価な材料が使用されており、PEMシステムなどの電解槽の資本支出を著しく押し上げるため、触媒のコストは大きな要因です。

AEM電解槽はこれらのコストをどのように削減するのでしょうか？

AEM電解槽はニッケルや鉄など地球上に豊富に存在し、はるかに安価な材料を使用することで、触媒材料費を大幅に削減します。

AEMシステムとPEMシステムの効率を比較するとどうなりますか？

一般的に、AEMシステムは70〜75パーセントの効率を達成しており、PEMシステムと比較してコストの削減や安定性の向上という利点もあります。

グリーン水素は競争力のあるコストで生産可能でしょうか？

はい、AEM技術の進展により、グリーン水素のコストは1キログラムあたり2ドル以下にまで低下する可能性があり、化石燃料と同等の競争力を持つことができます。