水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

再生可能エネルギーを直接利用する水電解技術：
再生可能エネルギーの電力変動が電解槽の耐久性に及ぼす影響小島宏一1、長澤兼作2、轟直人3、伊藤良一4、松井敏明5、中島良6,71産業技術総合研究所再生可能エネルギー研究センター、
2横浜国立大学先端科学高等研究院（現在 1産業技術総合研究所再生可能エネルギー研究センター）、
3東北大学大学院環境科学研究科、4筑波大学数理物質系、5京都大学大学院工学研究科、
6テクノ2050中島技術士事務所、7九州大学水素エネルギー国際研究センター
1〒963-0298
3〒980-8579

福島県郡山市待池台2-2-9、2〒240-8501 神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台79-5、宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-02、4〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1、5〒615-8510

京都府京都市西京区京都大学桂、6〒140-0002 東京都品川区東品川4-12-9-204、
7〒819-0395

福岡県福岡市西区元岡744

Influence of renewable energy power fluctuations on water electrolysis for greenhydrogen production
Hirokazu KOJIMA1, Kensaku NAGASAWA2, Naoto TODOROKI3, Yoshikazu ITO4, Toshiaki
MATSUI5, Ryo NAKAJIMA6,7
1Renewable Energy Research Center, National Institute of Advanced Industrial Science andTechnology, 2-2-9 Machiikedai, Koriyama, Fukushima, 963-0298, Japan
2Institute of Advanced Sciences, Yokohama National University, 79-5 Tokiwadai, Hodogaya-ku,

Yokohama, 240-8501, Japan
3Graduate School of Environmental Studies, Tohoku University, Sendai, 980-8579, Japan
4Institute of Applied Physics, Graduate School of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba,

Tsukuba, 305-8573, Japan
5Department of Energy and Hydrocarbon Chemistry, Graduate School of Engineering, Kyoto

University, Nishikyo-ku, Kyoto 615-8510, Japan
6Techno2050 Nakajima PE Office, 4-12-9-204, Higashi-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo 140-0002,

Japan
7International Research Center for Hydrogen Energy, Kyushu University, 744, Motooka, Nishi-ku,

Fukuoka, 819-0395, JapanThe development of renewable energy technologies is essential to achieve carbon neutrality.
Hydrogen can be stably stored and transported in large quantities to maximize power
utilization. Detailed understanding of the characteristics and operating methods of waterelectrolysis technologies, in which naturally intermittent fluctuating power is used directly, isrequired for green hydrogen production, because fluctuating power-driven water electrolysis
processes significantly differ from industrial water electrolysis processes driven by steady grid
power. Thus, it is necessary to overcome several issues related to the direct use of fluctuating
power. This article reviews the characteristics of fluctuating power and its generation as well
2023年2月23日受理
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水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

as the current status and issues related to the operation conditions, water electrolyzer
configuration, system requirements, stack/catalyst durability, and degradation mechanisms
under the direct use of fluctuating power sources. It also provides an accelerated degradation
test protocol method for fair catalyst performance comparison and share of effective design
directions. Moreover, approaches and recent projects to achieve the sustainable hydrogensocieties which are supported by the Government of Japan are introduced. Finally, it discusses
potential challenges and recommendations for further improvements in water electrolyzer
components and systems suitable for practical use, suggesting that a breakthrough could be
realized toward the achievement of a sustainable hydrogen-based society.
Keywords: carbon neutrality, hydrogen, renewable energy, water electrolyzer, durability
 序論

ギー源である水素は、アンモニア、有機ハイドライド、
液体水素の形態で大量かつ安定的に貯蔵、輸送が可能で2050年に向けて温室効果ガス排出量の収支をゼロにすあり、様々な状況に応じてカーボンニュートラル技術にるカーボンニュートラルへの取り組みが世界中で行われ応用できる[8]。このような利点から、水素エネルギーのている[1,2]。世界の二酸化炭素排出量は、40%が発電、23%

利用は、蓄電池が果たしている平滑化を担いつつ、カーが産業、23%が輸送などであり[3]、これらを削減する様々

ボンニュートラル社会構築にとって重要な技術になるとな取り組みが行われている。エネルギーセクターにおい認識されている[9]。

ては再生可能エネルギーの割合を約90%、その内太陽光

水素はその製造過程によっていくつかに分類される。

と風力で約70%まで増加させるシナリオが検討されてい代表的なのは化石燃料由来で二酸化炭素を排出して製造る[4]。持続可能な社会の実現には、化石燃料由来のエネ

されるグレー水素、製造過程で二酸化炭素は排出するがルギーを使用せず、再生可能エネルギー（水力、風力、回収、地中貯留するブルー水素、再生可能エネルギーと

太陽光、地熱、潮力、波力、バイオマス等）[5]を用いて水の電気分解[10]を組み合わせた二酸化炭素を排出しなエネルギーシステムの構築を行わなければならない[6,7]。

いグリーン水素である[9]。グリーン水素はクリーンな水

太陽光発電や風力発電は、世界的に導入されつつある素を製造する重要な技術として、燃料電池等と共にカー再生可能エネルギーである。しかし、それらは天候によ

ボンニュートラル社会に資する技術である。

って発電量が変化し、電力供給と需要の間に量的かつ時

水電解にはアルカリ水電解[11-14]、固体高分子形水電間的に大きな不一致が生じる。そのため、再生可能エネ

解（PEM水電解）[15-18]、固体酸化物形電解技術[19-21]な

ルギーを最大限利用するためには、電力系統の調整力がどがある。アルカリ水電解は水酸化カリウム水溶液など必要でありエネルギー貯蔵技術が重要な役割を果たす。

を電解液とする方式で、食塩電解技術を転用できること

また、再生可能エネルギーは空間的な偏在性が高く、エから大規模化もしやすい。電極には貴金属を用いないもネルギー需要地と供給地のバランスをとるエネルギー輸のも多く、比較的安価とされる。しかし、再生可能エネ

送手段の確立も重要になる。

ルギー由来の変動電力使用を前提としたシステムでは、再生可能エネルギーで発電した電力は、
揚水、
蓄電池、

電力供給停止時に性能劣化が進行するため[22]、変動電源化学物質への変換（エネルギーキャリア）,フライホイーと従来技術を組み合わせるには様々な技術的課題がある。

ルなど様々な手段で貯蔵可能である。エネルギー貯蔵のPEM水電解はアルカリ水電解に比べて負荷変動に比較的期間や量によって適切な手段が変わるが、蓄電池は導入

強く、電力供給停止時の性能劣化も少ないため、変動電が容易かつ短期間の発電電力変化にも追従できるメリッ

力との組み合わせに有利である[17]。しかし、電極触媒にトがある。しかし、大規模プラント構築の場合、蓄電池

IrやPt等の貴金属を、電解槽構成部材にTiなどを使用するのコストが大きくなり、長期間のエネルギー貯蔵にも適ため、コストダウンが大きな課題である。固体酸化物形

さないなどデメリットがある。一方、再生可能なエネル

電解セル（SOEC）を用いた高温水蒸気電解は、アルカリ

190 （15）

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                            研究論文

水電解やPEM水電解に比べて技術的成熟度が低いが、理らうため、英文誌International Journal of Hydrogen Energyへ投論分解電圧が低い事から高い電解効率を実現できると期稿した総説[23]の和訳を行ったものであるが、日本の開発待されている。また、SOECは水素製造のみならず、共電状況の章を新たに追加しているほか、結論部分でも日本

解による合成燃料製造の観点からも有望な水電解技術での水素エネルギー関係者に向けた提言を書き足している。

ある。以上から、水電解技術はその目的に応じて使い分

本稿が、水素社会実装に向けた課題の理解の一助になれ

けることが求められている。

ば幸いである。

変動電力を利用して低コストに水素を製造することは、安定供給される系統電力から水素を製造する工業的プロ

 再生可能エネルギーの変動電力

セスとは異なり、要求される必要条件が増え、解決すべき課題が多い。例えば、変動電力に追従する運転を行う

再生可能エネルギー由来の電力を用いて水素を製造すと、
電解槽温度が低温から高温まで繰り返し変化する為、る場合、大量導入のしやすさから太陽光発電と風力発電

熱変化に対して損傷なく稼働できる構成が必要である。

が対象となっているが、既述の様にこれらは立地や気象

水電解槽における運転の起動停止は電気化学的な部材の条件によって発電量が大きく変動する。適切なシステム

劣化を引き起こすため、起動停止を繰り返させない必要

構成と水電解槽の運転条件を検討する為には、発電の変最小限の電力供給（つまり、電解槽を起動させ続けるた

動パターンと変動による水電解槽の性能低下条件を理解

めの最低負荷制約、
本稿では装置への供給電力を「負荷」

することが重要である。両者の電力変動パターンは正規と呼称する）による電解槽の劣化防止措置を行うか起動分布に従うランダムな過程で説明できず[24]、より複雑で停止に強い高耐久な電解槽要素の開発が必要となる。まある。本章では、これまで明らかにされてきた発電電力

た、太陽光や風力などの変動電力は電解槽が求める定格の特徴を紹介する。

値を満たすことはほとんどなく、幅広い電力変動下での運転に対応する必要がある。

 太陽光発電電力

本稿では、再生可能エネルギー由来の変動電力の特徴

太陽光発電は、気象予測に基づく発電量の予測が試み

およびその変動電源を用いた水電解槽の運転面やシステられている[25-27]。天候は、晴れ、曇り、雨の典型的な3ム面の制約、水電解槽の耐久性や触媒劣化過程等の課題パターンを基本とし[27]、雨を「弱い雨」と「強い雨」にをまとめる。初めに太陽光発電と風力発電の特徴を紹介

わけた4パターンとすることもある[28]。分単位の日射変する。次に、変動電力を電源として利用し、水電解槽を化について解析すると、非常に安定した日射では発電電

動かして水素製造するときの機器の動作や性能を整理し、力量は大きいが日射変動速度は50 W/m2 min未満と小さく、電力が変動することで生じる運転面やシステム面の制約

曇天時の非常に不安定な日射では一日合計の発電電力量について述べる。そして、変動電力時の触媒耐久性を評は小さいが日射変動速度は150 W/m2 min以上と大きい[29]。

価するための加速劣化試験用プロトコル（本稿では、プ

変動のパターンは無数にあるが、代表的なパターンを理

ロトコルは試験対象への電気化学的操作の繰り返しパタ

解することは発電量予測や電力系統への影響を検討するーンを意味する）の現状を紹介した後、変動電力を導入上で重要であり、近年、発電量の時系列データを元にししたときの各水電解方式の課題（適用可能性、
劣化過程、て機械学習によるクラスタリングを行い、パターン分類

耐久性評価など）を紹介する。最後に、現時点で明らかする試みが報告されている。例えば、時系列の発電電力となっている変動電力導入時に必要とされる水電解の実を一日毎に区切った日単位のパターンを複数のクラスタ

力、水電解槽の耐久性と課題についてまとめる。それら

リング手法やクラスタ数の影響[30]、特徴量として日射強全体を俯瞰し、一定電力ではなく変動電力を使うことに度または太陽光発電電力の平均や標準偏差以外に時系列

よって新たに生じる水電解の課題を明確にし、持続可能データの複雑度を表すサンプルエントロピーを導入したな水素社会に資する水電解槽材料や水電解システムに求解析[31]、フラクタル次元による解析[32]が行われている。

められる性能、さらに今後議論すべき潜在的な課題につ

その結果、代表的な分類結果として地点aとbに対して図いて述べる。最後に本稿は、より多くの日本の技術者に1.に示すパターンが得られた。両地点とも同様のパター再生可能エネルギーを用いた水電解の現状を把握してもンに分類されており、快晴に対応する分類1は日中に発電191 （16）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文量が最大となる予測しやすいパターンであるが、広く雲の発電電力[35]や1.4 MWと9.5 MWの太陽光発電所の比較に覆われた天候に対応する分類3は変動が大きいため電[36]においても見られる。このように、太陽光発電所の規力系統を不安定化しやすく、水電解に使えば機器の性能模が大きくなると敷地面積も大きくなるため、大規模化低下につながる可能性がある。また、このような分類にによる発電電力の変動の低減が期待される。

よって代表的なパターンを抽出すれば、少ない試験により太陽光発電電力による水電解の評価を行うことができると期待される。

 風力発電電力
風力発電では、
風速によって発電量が大きく変化する。
太陽光発電における日射と発電量の比例関係とは異なり、
風速と風車発電量には比例関係はなく、一層複雑である。
その関係を理解するために風車の出力カーブを検討する
ことで、風速から発電量を予測することが試みられている。詳細な予測を行うために風力発電のモデル化に関する検討も行われている[37,38]。
風速や風向は時間的に大きく変化し[39]、発電電力も時間的に変化する。
1日単位の変動だけでなく季節によっても発電パターン[40]が大きく変動する。
複数の風車を保有
する風力発電所においては乱流の空間的なばらつきや風
車背後に発生する乱流を考慮したモデル化も必要とされている[41]。
風力発電電力の変化はこうした複数の要因が絡み合って生じている。これらの要因の影響を理解する
ため、風速の時系列データについてクラスタリング手法
を用いて比較、分類した例[42]もあるが、1日ごとに区切ることのできる太陽光発電とは異なり、明確な切れ目なく発電するため変動パターンの分類はほとんどされていないのが現状である。
複数台の風車からなる発電電力について、短時間の発図1. ある測定地点aおよびbにおける日射強度パターンの電電力の変動が確率的に生じるという仮定の下で16台の分類結果。Class1：快晴の日、Class2：一部雲に覆われた日、

風車発電電力を束ねるとその変動幅が低減する特性を持Class3：広く雲に覆われた日。図中のClassは分類の意。

つことが示された[43]。1～2 kmの範囲内にある6地点の風

Reprinted with permission from ref [32]. Copyright 2005, Springer

速計測データに基づき複数台風車によるならし効果を調Nature.

べたところ、図2.に見られるような出力の周波数スペク
トルが得られている[44]。その結果、速い変動に対してな

太陽光発電は複数の地点の発電電力を合わせると変動

らし効果が認められる一方、10分より長い時間スケールを打ち消しあい平滑化される可能性が報告されている。

の変動はならし効果はほぼないとされた。広範囲に分散

まず、日本において比較的短距離である3 kmの範囲の9地

する風車発電電力を合わせたならし効果の例として、100点を束ねると変動の強さが変化し、各地点の日射量の変kmを超える16地点の風車発電電力データを使った検討

動が大きいほどならし効果は明確になり、変動の大きいも行われており、距離が十分離れていても10分以下の短

曇天時では変動の大きさが半分以下まで小さくなる[33]。

い時間スケールの変動にはならし効果が認められた[45]。

一方、約1000 kmの広範囲に分散する多数の地点から得らまた、最大130 km離れた地点間の最大24地点の風車発電

れる太陽光発電量におけるならし効果でも、地点数が増[46]や、80機の風車および72機の風車を有する2地点の洋えるほど大きな発電量変動が減少する[34]。
これらの効果上風力発電[47]でも同様に10分未満の速い変動に対しては、スペインにおける6 km～360 km離れた太陽光発電所

ならし効果が見られた。これらの結果から、長距離であ192 （17）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文っても10分以内の時間スケールであればならし効果が十ャンバー内圧力の変化に対する電解性能評価のみを行っ分にあることが言える。

ている。SOECについては、スタックを用いた変動電源利用の試験結果はほとんど報告されてない。
表1.のように、変動電力を利用した電解槽やセルの評価に関する国際的学術論文報告をまとめたが、調査する
限り日本から発表は確認できなかった。また、発表論文間においてもグループごとに水素純度や電解効率などの報告項目がばらばらであり、電解槽性能の客観的比較が難しいのが現状である。
アルカリ水電解槽やPEM水電解槽では、水の分解は吸熱反応であるが、過電圧やオーム損失があるために熱中

図2. 複数地点の風車発電電力の足し合わせによる発電電

立点よりも高い電圧が必要である。実際、1 Nm3/hの商用力の周波数特性変化。Reprinted with permission from ref [44].

水電解槽（Hydrogenics, HySTAT®）を常温から動作させる

Copyright 2004, Wiley.

と時間とともに電解槽温度が上昇する[53]。
同電解槽を用いて、風力発電を模擬した変動運転時の特性が調べられ

以上のように、太陽光発電と風力発電は天候によってた[54]。本水電解槽は一度起動すると定格電流の40%の最左右されて時間経過に伴って大きく変動し、その変化に低負荷制約が課される。風力発電による過渡運転を行う

単純な規則はない。太陽光発電についてはいくつかのパと、電解槽の温度は、発電量が大きいときには温度上昇

ターンに分類できることが示されており、風力発電ではし、発電量が低下すると温度低下することが確認された。

変動パターンの分類例はほとんどない。また、発電所の一方、安全性の観点で発生したガスのクロスオーバーが

規模が大きくなると、太陽光発電、風力発電共にならし問題となる。水素中の酸素と酸素中の水素は水電解槽へ効果が認められ、相対的に電力変動の大きさは小さくなの投入電流が小さくなると、生成ガス量が低下する為、ることが示されている。

相対的にクロスオーバーガス量の濃度が高くなる傾向を示した。このように水電解に使う電力が変動することに 再生可能ネルギー電力を利用する水素製造システム

よって電解槽の状態や発生ガスの純度も変動する。例えば、電流値40～120 A、電解槽温度35～65℃、水素圧力5～再生可能エネルギー由来の変動電力を使って水電解に

25 barの範囲で条件を変化させた試験では、水素発生量はより水素を製造するシステムは、変動電源の種類、蓄電

ほとんど電流値で決まり、電解槽温度が上昇すると電解池の有無、商用系統への接続の有無、水電解方式などの電圧は低下するが、水素ガスの圧力変化に対する電解電

条件で様々な組み合わせがある。変動電力に合わせた組

圧変化はほとんど見られない[55]。また、酸素中の水素おみ合わせとその制御法、蓄電池容量の最適化が重要であ

よび水素中の酸素のガス濃度は、電解槽温度の上昇、ガる。本章では、変動電力を使って水素製造を行った場合

ス圧力の上昇、電流の低下に対して影響は小さいと報告の水電解槽の動作や運転上の制約について紹介する。

されている。実際に、風力発電を模擬した変動パターン

変動電源もしくはそれを模擬した電源を用いたスタッで水電解槽を運転すると図3.に示すように時間的に変化

ク型の電解槽試験報告における各スペック、条件等を表することがわかり、その変化は上述の投入電力に対する1.にまとめた[48-53]。使用される電解槽やセルは、市販も温度変化、濃度変化から説明可能であることが実証され

しくはプロジェクトとして製作され、消費電力は10 kW級

た。

以下である。アルカリ水電解よりPEM水電解による試験

再生可能エネルギーによる発電量が低下した場合、水の研究報告が多い。太陽光発電の使用が多いが、風力発

電解槽へ最低負荷を下回る電流しか流せない状態になり、電を用いた報告もある[52]。
いずれの報告も変動電力電源

水電解槽を停止する必要があるが、停止期間中は再生可とその出力、電解効率に関して議論されている。
しかし、能エネルギーを利用できない。また、後述するようにア

その殆どが変動電力に対する追従性や、電解槽温度やチ

ルカリ水電解電解槽の寿命が起動・停止回数で見積もら

193 （18）

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                            研究論文

表1. 再生可能エネルギーを用いた水素製造テストにおける電解槽スペックと試験条件




装置構成

再エネ電源

-

水電解装置



実験条件

純度・効
率
耐久条件

参考文献

アルカリ水
電解
風力発電模
擬
商用

固体高分子形水電解
太陽光

太陽光

太陽光

商用

商用

固体酸化物
形電解セル
風力



HySTAT® ア
ルカリ水電
解槽

E1050 PEM
水電解槽

HOGEN®RE
PEM水電解槽

プロジェク
ト製作
GenHy®1000
PEM水電解槽

消費電力

kWh/Nm3-H2

4.9

4.6

6.6

-

プロジェク
ト製作
TSP-1 (Haldor
Topsøe) 固体
酸化物形電
解セル
7.5 (kW)

水素製造速
度
セル数

Nm3-H2/h-

0.97

0.5 or 1.0

1.0

-

-

22

33

-

12

75

セル面積

cm2

300

69

-

250

110

反応物

-

30 wt% KOH

MPa

2.5 (Max)deionizedwater
5 (Max)

-

チャンバー
内圧力

90%H2O /
10%H2
-

運転温度

o

C

65

deionized
water
1.50~5.00(Ca),
0.15~0.25 (An)
70

75

90

水素純度

%

>99.8

-

>99.9

-

750 or 800(unclear)
-

エネルギー
効率


%

74~83 (LHV)

80 (HHV)

-

-

-

-

-

-

1.1A/cm2,
14000h,51~55oC

-



52

48

49

50,51

Average −0.24
A/cm2, steam
conversion
27%, 2000 h56-

図3. 風力発電パターンでアルカリ水電解槽を動作させたときの運転時系列データ。(a) 目標電流（iE,ref), 電解槽への供給
電流（iE）,電解モジュール両端電圧(vE), 温度(T), 圧力(P)の時間変化。(b) 水素流量(fH2), 酸素中に混入する水素(HTO), 水素
中に混入する酸素(OTH) の時間変化。Reprinted with permission from ref [56]. Copyright 2013, Elsevier.

194 （19）水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文れることもあり、停止回数を極力減らすことが求められ時間的な変化を考慮した運転条件の理解が必要である。

ている。このような中、最低電力を下回ったときに装置

水電解槽は投入できる電力範囲に制限があり、小さい電を停止せず運転継続が可能かアルカリ水電解槽で調べら力しか利用できないときには電解槽の運転停止が必要とれた[57]。その結果、最低負荷電力を下回る時間が20分以なるため、発電機会の損失と、電解槽の性能劣化が懸念内であれば、太陽光発電電力による水電解槽の運転停止される。また、小電力利用時の水素精製装置による精製

回数を半減させることができ、6.3%のエネルギー効率向

効率の低下も存在し、電解槽周辺の機器との組み合わせ

上を見込めることが示された。また、太陽光発電電力をも水素製造効率に大きな影響を与える。

使った1 N m3/hのPEM水電解槽の運転制約について調べた報告では、装置が室温の状態からの冷間始動には30分

 再生可能エネルギー電源と電解槽耐久性

の起動時間がかかり、加えて補機類の起動に10分かかる
ことから、起動してから定格の電力を投入した運転まで

太陽光、風力に代表される再生可能エネルギーは前章

約40分かかるとしている[48]。これは水電解槽へ投入するで示したように、様々な時間的周期や出力変動幅が混在

電力の変化速度を一定以下に制限する必要があることかしている。変動電源として運転した水電解槽はこの変動

ら起動後すぐには定格電力で電解できないことと、セル特性によってさまざまな問題を引き起こすことが知られ電圧が上限値を超えないように投入電力を低く制限するている。アルカリ水電解槽、PEM水電解槽において、変必要があるためである。この制約条件下で太陽光による動電力は電極を劣化させるが、その要因は電極電位の急発電電力と可能な限り等しくなるように水電解槽の入力激な変化である。特に大きな電位変動をもたらす現象と電力を制御する運転を行うと、快晴の日には太陽光によして、運転停止時に発生する逆電流が知られており、電る発電電力と水電解槽の消費電力がバランスするが、曇解槽の電極性能を低下させる[59]。本章では、各種水電解りの日には太陽光発電電力の変動が大きく、急激な発電方式における劣化を引き起こす要因および変動電力によ

量の増加時には消費電力の変化が間に合わずに発電量より引き起こされる電位変動を考慮した触媒劣化評価法にり小さい電力を消費し、急激な発電量の低下時にはそのついて紹介する。

逆となり発電と消費のアンバランスが生じる。
実際に、60 kWのPEM水電解槽を太陽光発電および風力 水電解槽の劣化原因

発電の電力を使って幅広い変動電力で運転した時の電力

工業的な水電解槽は単セルを複数直列に接続したバイ消費の内訳が調べられた[58]。
交流／直流変換を行う整流ポーラ型電解槽である。逆電流は電解時にアノードで酸器や水素ガス精製を行う除湿器まで含めたシステム性能化された触媒、カソードで還元された触媒が停止時に元の検討の結果、圧力スイング吸着除湿において利用できの化学状態に戻る逆反応が起電力となり、各チャンバー

ない水素の放出による損失が最も大きく、次いで補機類に連結したマニホールドを通る閉回路を流れる電流が逆電力と交流/直流変換ロスがあるとされた。これらの要因

電流である[60,61]（図4.）。逆電流は、例えば太陽光発電

から、定格電力の50%を下回ると急激に水電解効率が悪における夜間の運転停止時や風力発電における風の停止

化し、変動運転時にはエネルギー効率が低い運転状態が時に発生する。逆電流による電極劣化を防ぐために、停存在すると報告されている。変動追従性の観点について止時に任意の低い保護電流を流すことで意図的に逆電流は、このPEM水電解槽は太陽光発電電力と風力発電電力発生を防ぐことが考案されている[62,63]。しかし、この方いずれを使っても変動に追従することできるため、電力法は、保護電流を供給するための追加電源と外部電力が系統の需給調整として使える可能性が示唆された。しか必要となる。そのため、装置の運転停止時に保護電流をし、別のPEM水電解槽では、異なる変動追従性を示す場

必要としない堅牢な電極の開発などが必要である。バイ合もあり、セルの構造やシステム内の補機との組み合わ

ポーラ型アルカリ水電解槽を用いた逆電流の解析はせなどを含めた変動追従性を決めるいくつかの要因を明Uchino等によって報告されており[60,64]、逆電流を等価回確にする必要がある。

路により説明している。また、Ni電極を使用した逆電流

太陽光発電や風力発電を用いた運転では、電流、電圧時の電位変化に対するNi電極表面のレドックス反応を実に加えて電解槽温度、ガス圧力、ガス純度、水素流量の験的に検討している。Haleemら[22]は、4セルのバイポー

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                            研究論文

図4. バイポーラ型アルカリ水電解槽における電解時のリーク電流と停止時の逆電流の流れ方向。Reprinted withpermission from ref[60]. Copyright 2018, The Electrochemical Society of Japan.

図5. バイポーラ型アルカリ水電解槽における（a）逆電流と（b）電位変化（BPはバイポーラプレート、EPはエンドプレート、添数字はセル番号の意）。横軸は電解停止後（開回路後）の経過時間。Reprinted with permission fromref[22]. Copyright 2022, Elsevier.
ラ型アルカリ水電解槽を用いてセルの積層位置と逆電流 加速劣化試験プロトコル

および電位変化の関係を調査し、中心位置のバイポーラ

前節では、電解槽停止時に起こる逆電流現象などによ板の逆電流が大きく、アノード及びカソード電位の変化って、電極性能を低下させる要因となることを示した。

開始時間が早い為、劣化が促進されやすい事を明らかに

それらの劣化要因を理解するために、研究室レベルで再した（図5.）。また、アノードとカソードの触媒種の組み生可能エネルギー由来の発電データを模擬し、短時間か合わせが高耐久電解槽の設計指針に重要である事を実験

つ単純化した電気的発電パターンを電解槽へサイクル入的に示した。このように、逆電流現象は電極劣化に直接力することで、運転起動停止模擬した試験を行う必要が的に影響するにも拘わらず、逆電流を考慮した研究報告ある。試験部材間の相対評価を行うと共に、触媒劣化のは極めて少ないのが現状である。

加速化により時間的な効率化を図る事が求められており、

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                            研究論文

これを実現するために、水電解槽の各要素に対して実用評価を行う事が可能となった。同電極を用いた600

的な条件下での耐久性を評価する加速劣化試験法の開発

mA/cm2の定電流試験では900時間以上劣化しないことかが必要とされている。

ら、本プロトコルは実用条件模擬として逆電流を考慮し近年、燃料電池分野で共通の試験プロトコルが作成さた加速劣化により、加速劣化試験における加速倍率を少れ、統一的な条件の下で試験が実施されている[65]。そのなくとも10倍にする試験法として有用であることがわか

応用はオートモービルを想定しており、そのパターンはった。

三角波もしくは矩形波の電位操作でそれぞれ起動停止耐PEM水電解槽への電圧入力パターンによる劣化評価と久性と負荷応答耐久性を評価し[66,67]、更にセル/スタッ

して、Aliaら[69]は変動電力入力を考慮した5種の基本パタ

ク温度、湿度、燃料ガス、流量、チャンバー圧力の切りーンとして、定常、三角波、矩形波、のこぎり波、逆の替えと定電流を組み合わせた試験プロトコルも考案され

こぎり波を比較し、矩形波とのこぎり波が劣化を促進すている[68]。
それらを用いた触媒等の加速劣化特性についる事を報告している。また、電解槽の劣化挙動においてて多く報告され、統一評価手法の有用性が大きく認めら

三角波および矩形波による劣化試験結果は、経時的な風れている。このような取り組みは、水電解においても必力と太陽光電力データを用いた入力モデルと同じ劣化挙要である。これまでに水電解用触媒評価において加速劣動となる事を示した。Mutoら[70]はPEM水電解触媒に対す化試験は多く報告されているが、後に示すように、電気る再生可能エネルギーの電位変動の劣化への影響を検討

化学条件は各グループ、研究機関、企業ごとに大きく異し、最適化した三角波の試験プロトコルを提案した。
PEMなり、現状は他者との性能比較が困難である。また、変水電解槽への変動電力入力による劣化試験として、Weiß

動電力を考慮した共通の試験プロトコルを提案した報告ら[71]は運転時間と休止時間を組み合わせた試験プロトは数少ない。変動電力入力を想定したときの課題となるコルを提案した。本プロトコルは図7.に示すように3

評価法について以下紹介する。

A/cm2、0.1 A/cm2および開放電圧（OCV、0 A/cm2）の定電再生可能エネルギーの変動性を考慮したアルカリ水電流印加を一サイクルとして運転と休止を模擬している。

解のアノード耐久試験用加速劣化試験プロトコル[59]を紹介する。Haleemらの試験プロトコルはバイポーラ型電解槽の使用を想定しており、図6.に示すように稼働時の定電流制御部と休止時の逆電流模擬[64]の電圧制御部でアノード試験の一サイクルが構成されている。本プロト
コルを用いたアノード耐久試験により、従来の標準的な
NiCoOx電極触媒に対し、2000サイクル、約70時間で劣化

図7. 再生可能エネルギー変動を考慮したPEM水電解加速劣化試験プロトコル。OCV-AST：開回路電圧を含む
加速劣化試験プロトコル、reference test：開回路電圧を避
図6. 再生可能エネルギー変動を模擬したアルカリ水電

ける為に1.3 Vに保持した参照テスト。Reprinted with

解加速劣化試験プロトコル。Reprinted with permission frompermission from ref[71]. Copyright 2019, IOP Publishing.

ref[59]. Copyright 2021, The Electrochemical Society of Japan.

197 （22）

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                            研究論文

本プロトコルでは、開放電圧の存在が劣化を加速する事と報告しており、再生可能エネルギー由来の電力利用拡が分かり、電解槽の動作中で開放電圧期間を回避する事

大に向けて各水電解方式の課題の整理を行う。

が長期安定性を確保するために重要であると報告している。

 再生可能エネルギー使用時のアルカリ水電解の課

SOECについては、広く認知された加速劣化試験法は確

題

立されておらず、もっぱら長期耐久試験による寿命予測

再生可能エネルギー由来の変動電力を用いた際のアルが行われている。SOFCに対しては劣化を加速させる要因

カリ水電解槽の電解特性を評価した報告例はあるが、変はある程度明らかになっているが、SOECに対しては加速

動電力入力下での長期耐久性評価を行った学術文献は劣化に注視した研究が実施されていないことが要因であPEM水電解などと比べて圧倒的に少ない。本節ではそのる[72]。加速劣化要因の検討も行われているが、現状では報告例の一部を紹介し、最後に電解槽性能低下の主要因

高電流密度や不純物の影響評価などに留まっており、劣である起動停止時の触媒劣化と今後の課題について述べる。

化を引き起こす運転パラメータの適切な選定は進んでいまず、1989年にドイツのシュトゥットガルトで実施さない[73,74]。このような現状に対して、Königshoferらは加れた、太陽電池を用い10 kWのバイポーラ型アルカリ水電

速劣化条件の試験プロトコル作りに着手し[72,75]、様々解槽を長期運転した実証試験の結果を紹介する[76]。図8.

な条件でSOECを作動させた際の劣化率を導出し、既報とに示すように、日中運転時には12:00から14:00の間に最大の比較を行いながら、試験プロトコルのための運転パラとなる約500 Aの電流値に到達している（図中実線のICU

メータ要件を検討している。条件によっては数百時間のElectrolyzer 1 DC Current [A]を参照）。この時間帯では日射運転で長期性能を見通すことができそうであると報告し

量（図中点線のGlobal insolationを参照）が大きく変動してている。ただし、彼らは電解質支持型セル・スタックにおり、これに伴い電解槽の出力も変動しているが、日射対してこのような検討を進めている段階であり、セル構量変化への追従性が高い。図8.に示したような太陽電池

成や部材が変わった場合には顕著に現れる劣化モードが由来の変動電力による電解槽運転を日中に行ない、夜間変わる可能性もあると指摘している。

時は保護電流下で電解槽を停止するという運転起動サイ

再生可能エネルギーの電力変動を想定した電解槽評価において、実用形式となるバイポーラ型電解槽を用いてクルを約5ヶ月間実施したが、目立った電解槽性能の低下
および電極の劣化は認められなかった。

太陽光発電や風力発電を利用した時の電解槽停止が与える触媒劣化および原因解明に関する報告は少ない。しかし、この領域の研究は各要素開発の成果を実装し、グリーン水素製造の為の水電解槽の社会実装に向けた実用化、大型化の過程において重要な位置を占める。近年、アルカリ水電解やPEM水電解においては再生可能エネルギー変動を考慮した加速劣化試験プロトコルが提案、報告されているが、広く普及するまでは至っていない。SOECにおいては加速劣化試験プロトコル作成の着手、検討を開始した段階である。
 再生可能エネルギー電力を想定した各種水電解の事
図8. 日中に太陽電池由来の電力で運転したアルカリ水

例と課題

電解槽の特性データ。Block Voltage：電解槽電圧、Global
本章では、これまでに紹介した各水電解方式と再生可

insolation：日射量、ICU Electrolyzer 1 DCCurrent：投入電流、能エネルギー由来の変動電力を組み合わせた実験報告例

Temperature Cell：セル温度、H2 in O2 Sensor：酸素中の水素の紹介を行う。これらの先行研究では、系統電力では生濃度。Reprinted with permission from ref[76]. Copyright 1992,

じない電力変動によって生じる固有の特性や問題がある

Elsevier.

198 （23）

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                            研究論文

図9. 風力発電を模擬した入力電流パターンに対するアルカリ水電解セル電圧の応答((a) 中型、(b) 大型) 。Reprinted withpermission from ref[77]. Copyright 2017, IOP Publishing.
風力発電の変動電力を模擬した電流パターンを使用し、時には両極電位はほとんど変化しないが、起動停止を模

それに対するセル電圧の短期応答性試験を行なった結果

擬した非連続試験時(B)には、運転起動停止を繰り返す毎をNakajimaらが報告している（図9.）[77]。図に示すように、に両極の過電圧が増大しており、起動停止時に両極の性

中型(a)、大型(b)いずれの電解槽の場合にも入力電流（黒能劣化が進むことが明らかとなった。これは、4.1項で前線）に対しセル電圧（赤線）の遅れはほとんど無く、高述した運転停止時に流れる逆電流に起因している。

い追従性を示している。また、図中に示される試験時間内（中型:3時間、大型:1時間）においてセル電圧の低下は認められず、起動停止を伴わない大きな電力変動に追従できる可能性を示した。また、同様の風力発電模擬電流パターンを用いて5 kW電解槽(Hydrogenics, HySTAT)の応
答性試験を行なった結果をGandiaらが報告しており、14時間の試験において電解槽出力は入力電力の波形をよく追従していた[78]。この試験において、水素中の酸素濃度は常に0.02～0.03 vol%という低い水準を保っていた。一方、酸素中の水素濃度は電力変動に応じた変化がみられたが、0.2 vol%を上回ることはなく、水素・酸素ともに高い純度で得られている。これらの結果から、変動電力を入力し

図10. 起動停止模擬サイクルにおけるアルカリ水電解槽た運転であっても安全にアルカリ水電解槽を運用するこ

陽極（上）と陰極（下）の電極電位の変化；（A）連続運とができると期待されている。

転モード、（B）非連続運転モード（陽極、陰極ともにラ

次に、再生可能エネルギーからの電力供給が停止した
際の電解槽運転停止時の影響を調査した報告を紹介する。

ネーNi）。Reprinted with permission from ref[62]. Copyright 1990,
Elsevier.

Divisekらは太陽電池と直結した際に起こる夜間の運転停止を想定し、電流密度400 mA/cm2で1日あたり10時間の定

上記のように、アルカリ水電解槽の主要な劣化要因は

電流電解を行った後、14時間の運転停止するプロセスを逆電流に起因したカソード・アノード両極の性能劣化で繰り返す耐久性試験を計15,700時間行なった（図10.）[62]。

あることから、逆電流耐性の高い電極および触媒材料のこの結果によると、運転停止をしない(A)の連続運転試験開発が重要となる。現状、代表的なカソード触媒として

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                            研究論文

NiやNi合金、アノード触媒としてNi系酸化物・水酸化物

起動停止時の実環境を模擬できていない。つまり、カソが使用されており、運転停止時の逆電流によりカソードードについては触媒の酸化を考慮しない条件（例えばでは酸化反応（例えばNiの場合、Ni-Had + OH-→Ni + H2O +−0.4～0 V vs. RHE)[79,80]、アノードについては酸化物・水

e 、Ni + 2OH → Ni(OH)2 + 2e ）が、アノードでは還元反酸化物系触媒の還元反応が十分に起こらない条件（1.0～−

応（例えばNiの場合、NiOOH+ H2O + e →Ni(OH)2 + OH ）1.7V vs. RHE）によるサイクル試験[81,82]の報告が散見さが起こる[60]。反対に、起動時には逆反応、すなわちカソれる。起動停止環境においてカソード・アノード両極でードでの還元反応、アノードでの酸化反応が起こる。こ起こる電位変動を考慮した加速劣化試験プロトコルに基れらの酸化還元反応は起動停止のたびに繰り返され、触づき触媒耐久性を評価した例[83-88]をカソード、アノー媒表面の化学組成の変化などの化学的劣化および電極表

ドに分類して表2.にまとめた。いずれも起動停止時に起面からの触媒の剥離などの物理的劣化を起こし、徐々にきる触媒の酸化還元を想定しているが、この表の加速劣両極反応の過電圧を上昇させ、セル性能の低下を招く。

化試験プロトコル欄から明らかなように、試験プロトコ

アルカリ水電解用触媒に関する報告例はこれまで数多く

ルは統一されていない。すなわち、電位制御によるCVサあるが、既報文献における耐久性評価試験のほとんどは

イクルを基本としているものもあれば、定電流電解-定電

−

-

−

−

表2. アルカリ水電解用触媒について、再生可能エネルギー由来の変動電力を模擬した加速劣化試験プロトコルを用いて評価した既報文献とその実験データ.
電解
初期
過電
圧
(mV)

試験後
過電圧
(mV)

参
考
文
献

触媒

電解液

電解液温
度(℃)

−200 mA/cm2-1
h⇔OCP-1h, 50サイ
クル

MnnCo1-nPx

1 M KOH

25

100

105

195

83

−0.4～0.5 V, 0.5 V/s,
三角波40000サイクル

Co-ns/Ni

7 M KOH

-

100

68

64

84

−0.25～0.4V, 5 mV/s,
リニアスイープボ
ルタンメトリー
3000スキャン

NiFe/CP1 M KOH

室温

100

245

265

85

−300 mA/cm2-30 min⇔0.074 V-60 s, 33サイクル

Raney Ni

30 %
KOH

70

300

277

557

86

0.5～1.8 V, 1 V/s, 三角波60000サイクル

Co-ns/Ni

7 M KOH

-

100

350

360

84

0.5～1.8 V, 1 V/s,
三角波20000サイクル

NiFe-HyOx/316SS

7 M KOH

20

100

267

262

87

0～240 mA/cm2,
1 mA/s, 三角波2000
サイクル

Ni0.9Fe0.1Co2
O4/Ni

1M KOH

22

240

563

583

88

600 mA/cm2-3 s⇔0.3
V-3 s, 2000サイクル

NiCoOx/Ni

7M KOH

25

100

420

600

59

反応

加速劣化試験プロ
トコル

水素発
生反応
(HER)

酸素発
生反応
(OER)

過電圧評価
に用いた電
流密度
(mA/cm2)

200 （25）

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                            研究論文

位（もしくは開回路電位(OCP)）制御を繰り返すものもあ電力つまり変動電力を使用しない定常運転を想定した定り、サイクル数も異なる。また、試験プロトコルだけでな

電流1 A/cm2の実験条件および定電流0 A/cm2と定電流2 A/cm2

く溶液温度や電解液濃度も研究者によって様々であり、過を6時間ごとに行き来する実験条件（6時間の間欠作動）で電圧を評価するときに使用する電流密度の値も100～300

は、
性能劣化はほぼ抑えられた。
つまり、
PEM水電解槽は、

mA/cm とばらばらで電解初期過電圧の比較が難しい。これ

系統電力を用いた定常運転もしくは太陽光由来の再生可らの点から、起動停止環境を模擬した加速劣化試験プロト

能エネルギー由来の電力に十分対応できることを示唆しコルにおける触媒劣化について統一的な比較をすること

ている。

2

は困難である。
運転起動停止が引き起こす逆電流に起因した酸化還元
による化学的劣化、および化学的劣化が引き起こす剥離な
どの物理的劣化に対する耐性を有する触媒の開発は困難な課題ではあるが、部分的に克服した例が報告されている。
例えば、高い水素発生反応(HER)特性を有するコバルトリ
ン化物触媒に対し、犠牲的酸化元素として機能するMnを微量添加することにより、酸化による特性劣化が抑制されている[83]。酸素発生反応(OER)については、Ni電極に対し自己修復効果を発現するCo水酸化物ナノシートを電解液に添加する手法が提案されている[84]。これらの手法により、従来の触媒に比べて耐久性が改善されると期待される。
変動電力を利用すると、逆電流により電極性能が劣化し、セル電圧が著しく上昇する。一方、変動電力幅が比較的小
さく、頻繁な入力変動に対しては、報告例はわずかではあるが性能低下は認められていない。よって、高い起動停止

図11. PEM水電解槽の定電流耐久試験。(a)1 A cm2定電流試耐性を伴う電極および触媒の開発が求められるが、現状統験。(b) 2 A/cm2と1 A/cm2の定電流を6時間ごとに入れ替えた一的な電極評価がされていないため、比較検討することが時の定電流試験。(c) 2 A/cm2と0 A/cm2の定電流を6時間ごと困難であり、改善指針が共有できていない状況である。

に入れ替えた時の定電流試験。(d)2A/cm2と0A/cm2の定電流を10分ごとに入れ替えた時の定電流試験。Reprinted withpermissionfrom ref[89]. Copyright 2017, Elsevier.

 再生可能エネルギー使用時の3(0水電解の課題
再生可能エネルギー由来の変動電力を電源として使用する場合、その発電特性から水電解槽の起動停止により入次に、単セルのPEM水電解槽を用いたセル温度変化の影

力電流の変動が存在する。このため、変動電力とセル温度

響を調べた論文を紹介する。図12.のように変動電流を0～の変動がPEM水電解槽へ与える影響を理解することが重3 A/cm2と変動温度を25°C～80°Cとした実験を行った結果、要となる。まず、単セルのPEM水電解槽を用いた運転の起210時間の試験時間では温度変化によって優位な性能劣化

動停止がPEM水電解性能へ与える影響を調べた論文を紹は見られなかった[91]。一方、別の論文では、セルの温度介する[89,90]。図11.に示したように、再生可能エネルギー

変化はナフィオン膜の分解に影響する為、電流の変動だけ

由来の電力を使用することを想定した耐久試験、すなわち、

でなくセル温度の変化も加速劣化試験プロトコルに加え

定電流1 A/cm と定電流2 A/cm を6時間ごとに行き来する実るべきであると報告されている[92,93]。

22

験条件および定電流0 A/cm と定電流2 A/cm を10分ごとに行

次に、カルフォルニア大学アーバイン校で行われた60 kW

き来する試験下において、大きく性能が劣化することが明のPEM水電解槽を用いたPower-to-Gas実証実験の紹介をすらかとなった。その劣化の原因は、急激な電流の変動による[58]。南カルフォルニア地域で取得した太陽光発電と風るチタン多孔質層の接触抵抗増大とカソード触媒の劣化

力発電のデータを模擬した電力プロファイルをPEM水電であると報告されている。また、系統電力から供給される解槽（65セル、触媒層面積214 cm2）に入力し、運転条件に

22201 （26）

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                            研究論文

図12. セル温度と電流密度を変化させたときのPEM水電解の耐久試験。挿入図は、本データを取得する際に使用した入力電圧とセル温度の試験プロトコル。Reprinted with permission from ref[91]. Copyright 2020, Elsevier.
対する水電解性能の評価を行った。
図13.の太陽光発電使用

太陽光発電と風力発電のプロファイルから、1秒後の発電時の場合、夏の水素製造量は、冬の水素製造量の2倍以上

量の最大上昇・下降変動率が100%変化することが明確とあることが明確になった。また、冬の日光量では日中であなったため、最低電力負荷を考慮してスタックレベルだけっても最低電力負荷を下回る日があり、装置が停止する日

ではなく水電解システム全体のレベルで秒単位の変動電が存在する可能性が示唆された。
図14.の風力発電使用時の力に追従するシステム構成の考案や要求されるスペック

場合、太陽光発電とは異なり全く発電していない期間が有の理解が重要であると提言している。

意に存在し、発電量の変動性が複雑化した。また、風力発

PEM水電解を大型化した時に問題となる課題のいくつ

電使用時の水素製造効率を理解するために行われたシミ

かを紹介する。まず、大型化に伴って貴金属の使用量が増ュレーション結果によると、風力発電量に応じた装置の起大するコストが問題である。国際エネルギー機関(IEA)の動停止と冷間始動を行った方が寄生電力の削減などによ

2021年の技術レポート[94]によると、PEM水電解の必要触り総合的な水素製造効率が上がると報告している。さらに、媒量は、1GWあたり300kgの白金と700kgのイリジウムが必

図13. 太陽光発電を模擬した通年の変動電力プロファイル。Reprinted with permission from ref[58]. Copyright 2020, Elsevier.

202 （27）

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                            研究論文

図14. 風力発電を模擬した3週間分の変動電力プロファイル。Reprinted with permission from ref[58]. Copyright 2020, Elsevier.
要であると報告されている。PEM水電解普及と共に省少貴
金属化技術はますます重要になっている。近年、ナフィオ
ン膜に対する塗布ムラを改善することでイリジウム触媒の必要量を削減できることが報告された[95]。この手法は、アノードの多孔質層とナフィオン膜の間に、酸化イリジウ
ムナノファイバーを加えることで、触媒利用面積を増大させ、電解性能を落とさずに従来の触媒量の6分の1に削減することに成功している。
次に、100kW級PEM水電解の課題について紹介する。電解槽において機械的強度が弱いナフィオン膜は、特に電解図15. 爆発が起こったPEM水電解試験後のMEAの写真。

槽が大型化した場合、電解槽内の圧力[96]、発熱[97]や電流MEA大型化による不均一性によりナフィオン膜が破れ、[98]の不均一が増大し、局所的ダメージが蓄積された結果、水素と酸素の混合により爆発した状態の様子。Reprintedwith

ナフィオン膜に穴が空き、最終的に図15.のような爆発を引

permission from ref[99]. Copyright 2012, Elsevier.

き起こす可能性があると報告されている[99]。特に、再生可能エネルギー由来の変動電力使用時は、急激な発電量変 再生可能エネルギー使用時の62(&の動特性動が一因となり、上記の不均一性がより増大すると考えら

SOECの耐久性は5～10年程度が求められており、それにれ、急激な変動電力はナフィオン膜の劣化現象を促進する

向けての開発研究が精力的に続けられている。しかしなが可能性がある。

ら、技術的な成熟度はSOFCと比べて高くなく、商用化に変動電力使用時のPEM水電解が抱える課題は、PEM水電は性能や耐久性の更なる改善が要求されている。表3.に解槽を劣化させずにうまく運用していくかという運用面

種々の報告例をまとめる。2012年当時、Julich製円形燃料極が重要になる。PEM水電解槽を適切に運用するためには、支持型SOFCセル（電極面積45cm2）を用いて、80%加湿ガ

変動電力を実際にPEM水電解槽へ入力し、劣化を促進しな

ス供給下、780ºC,−1A/cm2（水蒸気利用率：36%）の条件でい運転条件と劣化を促進する運転条件をそれぞれ理解し9000時間の水蒸気電解運転が実施されている[100]。全試験

た上で、全体の水素製造効率を向上させることが求められ時間では3.8 %/kh (40 mV/kh)の電圧劣化率（以降、劣化率とている。また、PEM水電解の大型化に向けては、コスト低

表記）、3600時間の安定した運転時間内だと1.7%/khの劣化減のために貴金属の使用量を低減させる技術開発が必要率が報告されている。これに対して最近ではセルの耐久性であり、電解槽内の不均一性による膜ダメージを考慮するが向上してきている。例えば、市販の円形電解質支持型セ必要がある。

ル（電極面積45 cm2）を用いて、75%加湿ガス供給下、850ºC程度,−0.9A/cm2（水蒸気利用率：51%）の条件で2万時間以

203 （28）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

表3. SOECのセル構成，運転条件，劣化率の報告例のまとめ.
セル構成

運転条件
電極
面積
/cm2

温
度
/ºC

電流密度

中間層

アノード

支
持
体

GDC

LSCF

電
解
質

45

780

1A/cm

6Sc1CeSZ

GDC

LSCF

電
解
質

45

850

0.9A/cm

NiGDC

10Sc1CeSZ

GDC

LSCF

電
解
質

45

780

0.6A/cm

NiYSZ

YSZ

GDC

LSCF

カ
ソ
ー
ド

80

700
~
800

0.5A/cm

LSCF-GDC

カ
ソ
ー
ド

45

LSCGDC/LSC

カ
ソ
ー
ド

100

45

850

カソ
ード

電解質

NiYSZ

YSZ

NiGDC

NiYSZ

YSZ

NiYSZ

YSZ

-

GDC

2

2

2

2

2

700

on:0.4A/cm ,off:0or0.02
2

A/cm

2

700

on:0.6A/cm ,2

off:0A/cm

2

NiGDC

3YSZ

GDC

LSCF

電
解
質

NiYSZ

YSZ

GDC

LSC-GDC

カ
ソ
ー
ド

80

750

<0.5A/cm

NiYSZ

-

-

-

-

-

800

<0.75A/cm

on:0.7A/cm ,2

off:0.07A/cm

2

2

電圧劣化
率/kh

参考
文献

供給ガス

燃料/
水蒸
気利
用率

運転時間

定電流

80%加湿
水素

36%

9 kh

3.8%
(40mV)

100

定電流

75%加湿
水素

51%

>20 kh0.57%(7.4mV)

101

定電流

75%加湿
水素

50%

21kh

0.53%
(7mV)

102

定電流

50%加湿
水素

50%

20kh

~0.6%

103

定電流,
on/offサ
イクル

70%加湿
水素

-

0.6kh

5%
(70mV)

116

定電流,on/offサ
イクル

90%加湿
水素

-

>2kh

2%
(24mV)

118

定電流,on/offサ
イクル

75%加湿
水素

-

2.7 kh(on/off
サイクル)+5.8 kh(定
電流)

0.4%
(5mV)

119

風力
発電

20~90%加湿水素,
CO2-H2O-H2

-

1kh

0.8%

120

風力
発電

90%加湿
水素

-

9kh

-

53

運転モ
ード

上の水蒸気電解運転を実施した報告では、劣化率が～800ºC，−0.5A/cm2（水蒸気利用率：50%）の2万時間運転時

0.57 %/khと大幅に改善している[101]。同セルでは780ºC程度に 約0.6 %/khの電圧劣化率が達成されている[103]。このよまで温度を下げての2.1万時間運転（－0.6 A/cm ）でもうに水蒸気電解や共電解時における耐久性評価の多くは0.53 %/kh以下の劣化率が報告されている[102]。また、カソ

定電流または定電圧下での定常運転環境で実施されておード支持型電解セル（電極面積80 cm2）をショートスタッ

り、温度、ガス組成、電流密度および電圧をパラメータとク試験（2枚）に供した際でも、50%加湿水素供給下、700

している[104-107]。各電極の解体分析も実施されており、

2204 （29）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

Ni-YSZ燃料極ではNiの粗大化、Ni移動、パーコレーション期安定性を見通すことができる。以下にいくつかの例につの喪失が主な劣化要因であることが明らかとなっている

いて概説する。

[108-111]。また、酸素極側では酸素発生により劣化するこ

Petipasらは、市販の円形燃料極支持型SOFCセルを用いてとが示されている[112,113]。ただし、この劣化挙動はセル

on/off運転によるセル破損の可能性、
およびセル健全性担保構造や組成に依存する。さらに水蒸気ガス中の不純物が性のための最小電流通電の必要性について調査している能や耐久性に及ぼす影響なども調査されている[106,114]。

[116]。計600時間の運転期間中に、熱中立となる状態での定

一方で、再生可能エネルギーの発電状況に対応した変動

常運転、および1800回の矩形波（累計140時間のうち、電流

入力電源に対する検討はそれほど多くない。入力変動を伴幅と切り替え間隔を変更）電流入力を組み込み、これらのうSOECの運転には、熱中立点の視点が不可欠である[115]。

検証に当たっている。なお、矩形波運転時でも熱中立点近例えば、700ºCにおける熱中立電圧は1.28 Vとなり、これよ

傍になるような電流値を設定している。一連の試験の結果、り高い電圧で作動させるとセルは発熱し、低い電圧だと吸運転条件にかかわらずセルは劣化しており（5 %/kh）、
SOEC

熱条件での作動となる。したがって、水素極支持型（カソのon/off運転特有の劣化現象は観察されていない。また、通ード支持型）セルのようにセラミックスが主要構成部材の電時と開回路時のセル温度差は10 ºC以下の範囲になって場合、セル面内の温度分布が10 ℃/cmを超えると破損の恐おり、機械的破壊に至る条件には至っていない。さらに最れがあるとされている[116]。ただし、破損に至る要因はこ低限の電流入力も必要ないことが明らかとなっている。た

れだけではなく、材料やセル構成の影響も受ける。
例えば、だし、これらの結果は報告年が少し古いため劣化率が大き

現在、世界的に研究開発されている金属支持型セルでは、

いが、現在では劣化率は改善してきており注意を要する。

温度分布が100ºC/cm以上にまで大幅に許容され、急速な熱

Fuらは5枚の水素極支持型セルを搭載したスタックを用サイクルに対応できるとされている[117]。したがって、セ

いて、700ºCで2000時間の定常運転とそれに続く短時間の変ル内の温度分布耐性も大幅に強化されることが期待され、動運転（756回のon/off試験ロード時間を2パターン）を実施

入力変動に対する運転条件の柔軟性が高まる。

している[118]。図16.に変動運転時の電圧やスタック温度の変動入力を模擬することを目的としてon/off運転下にお一部を示す。熱中立電圧以下となるように電流をかけて試けるセル特性が報告されている。このような切り替え試験

験しており、スタックでも温度の変動は10ºC未満に抑えらから、実際に必要な負荷プロファイルを明らかにでき、長れていることがわかる。電気的接触が不安定なため試験中

図16.変動運転時における固体酸化物形電解セル・スタックの電圧および温度の変化。図中V1~V5はスタック内の各セルの電圧に対応。Reprinted with permission from ref[118]. Copyright 2014, Wiley.

205 （30）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文に1セルのみ挙動が異なっていたが、このセルを除いた劣

らず、過去の研究経緯[56]から劣化が抑制できる範囲で電化率は、2 %/khであった。以上より、本報告でも変動運転

流上限を決めている。劣化に関しては、緩和時間分布解析

下で顕著な劣化は見られていないと結論付けられている。

から三相界面での反応過程の劣化が示唆されているが、問上記2報告とはセル構造の異なる電解質支持型セルを用

題ないという認識であり、共電解試験で生成した合成ガス

いて、Schefoldらは約850ºCにて8万回 on/off試験（2700時間）

を用いて実際に触媒反応を経由することで、合成メタンのと定常運転（5800時間）の組み合わせを含む計8700時間の生成が可能であることを実証している。

試験を実施している[119]。劣化率は0.4 %/khと小さく、電気
化学的な劣化の兆候は見られておらず、サイクル試験の影
響はないとされている。なお、連続運転時[101]と比較して、劣化率が若干小さいが、主に実験条件に由来した結果であり、運転モードの違いによるものではないと結ばれている。
以上のように、単セルおよびスタックを用いたいずれの試験でもon/off運転特有の劣化モードは見出されておらず、変動のある再生可能エネルギーとの組み合わせが可能であることを示唆している。
次に実際の再生可能エネルギー変動入力を模擬した例について紹介する。デンマークでは風力発電による電力を100%吸収することを想定して、HaldorTopsøeA/S製セルを使用した試験を実施している[56]。ここでは年間のうち最も発電量の多い12月の風力発電データの5分毎の変動値を用いて、800℃において90%加湿水素を単セルに供給した際の挙動を解析している。
その結果、負荷追従性に問題はなく、9000時間の安定した運転を確認し、風力発電のプロファイ

図17. SOECを用いた(a) 750ºCでの共電解運転下における電ルが劣化を誘引することはないことを明らかにしている。

圧の経時変化、(b) 420～470時間経過時の拡大図。図中

この時点で2年以上のセル寿命を見通せたとしている。まCell1~Cell6はスタック内の各セルに対応。Reprinted with

た75セル・スタックを用いて同様の試験を実施しており、

permission from ref[120]. Copyright 2020, Elsevier.

最大電流が−0.5 A/cm2、平均電流が−0.24 A/cm2になるように制御されていた。この試験では計2ヶ月分の変動を与えて最近報告されているSOECは性能や劣化率が改善してき

いたが、この運転モードに特有の劣化は確認されていない。

ており、試験時の劣化現象がセル構造体に起因するのか、

なお、いずれの試験も熱中立電圧以下での運転となっている。

または運転モードに起因するのか、ある程度の切り分けが最後にSOECを用いた応用例を紹介する。Raoらは風力発できる段階にある。このような状況下、再生可能エネルギ

電の変動下における合成ガス製造のためのSOECスタックーを模擬した変動入力電源を用いた場合でも、熱中立点を耐久性試験を実施している[120]。上記の報告と同様にデン

超えない範囲内の運転であれば運転モード特有の劣化現マークのボーンホルム島で得られた風力発電所での発電

象は確認されておらず、SOECは堅牢性を有していること

データ[120]を活用し、24時間のデータを1000時間分繰り返が実証されている。

すことでスタック試験を実施している（図17.）。なお、DTU
Energy製燃料極支持型セル6枚を用いてSOLIDpowerにて組

 日本の水素に関する状況と取り組み

み立てたスタックを使用し、750℃で共電解試験を実施している。1000時間の運転中にオーム抵抗は一定で問題なく、

2015年のパリ協定で合意した脱炭素への取り組みが本

燃料極側で軽度の劣化が観察されており、6セル・スタッ

格化し、世界的なカーボンニュートラルへの移行を機に、クの劣化率は0.8%/khと報告されている。
なお共電解試験の日本でも「官民で野心的かつ具体的な目標を共有した上で、ため、先述した熱中立点の観点からは電流値は設定しておこれに経営課題として取り組む企業等に対して、10年間、206 （31）

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                            研究論文

研究開発・実証から社会実装までの継続支援」を掲げた2発が行われた。これらにより、変動する再生可能エネルギ

兆円規模のグリーンイノベーション基金事業が2021年かーへの追従性を確保するとともに、水素製造効率を飛躍的ら開始された。その中でもCO2を排出しないグリーン水素に向上させる次世代水素製造技術の開発が進展し、水素製エネルギー技術は、日本のグリーンイノベーションの中核

造電力消費の低減、電力貯蔵等への適応可能性が明らかにを担っており、水素の社会実装に向けて産官学一体となっなった。このように、かなり早い段階から変動する再生可て現行の試みを大幅に加速させる取り組みを行っている。

能エネルギー電力を利用した水電解開発が主目的の一つ

グリーンイノベーション基金発足に伴い、実証実験が進むとして認識されていた。これらの成果は、2016年度から開グリーン水素製造に向けた水電解技術における基礎レベ始されたNEDO事業「水素社会構築技術開発事業／水素エ

ルまた実証実験レベルで解決すべき課題に向けて研究がネルギーシステム技術開発／再エネ利用水素システムの開始され、精力的に取り組まれている最中である。

事業モデル構築と大規模実証に係る技術開発」で行われた、

まず、簡単に新エネルギー・産業技術総合開発機構

再生可能エネルギーを利用した世界最大級となる10 MW（NEDO）事業を始めとした水素関連の国家プロジェクトのアルカリ水電解による水素製造施設「福島水素エネルギの年表を紹介する。
図18.は経済産業省によるこれまでに行ー研究フィールド（Fukushima Hydrogen Energy Research Field

われた大型プロジェクトの簡易的な年表である[121]。

（FH2R）、2020年2月稼働開始）」に引き継がれている。
また、2018年度から始まった後期5年のプロジェクトでは、「水電解水素製造技術高度化のための基盤技術研究開発」
として、アルカリ水電解、PEM水電解、SOEC等の各方式において、電極触媒の触媒メカニズムと性能劣化メカニズムの高度解析、電解槽の性能劣化メカニズム、性能劣化評価
法に関する統一的解析が行われている。この取り組みによって、各種性能向上へフィードバックする方法や、各方式に応じた材料やシステムの高度化に向けた指針を確立するとともに、次世代材料探索などの意欲的な検討が行なわ

図18. 水素関連の大型国家プロジェクトの年表れている。
これらの国家プロジェクトで現在進行している水電解2013年度から開始された「水素利用等先導研究開発事業」の研究開発の代表的な例を2つ示す。

は、前期5年と後期5年に分割して、2040年以降に向けた長1つ目は、NEDO先導研究の中の「水電解水素製造技術高期的視点に基づいて水素などのカーボンフリーなエネル

度化のための基盤技術研究開発」である。この中で、ラボ

ギーの新たな選択肢としての地位確立を目指す、としていレベルの触媒等を始めとした電解槽要素や電解槽本体、更る。具体的には、再生可能エネルギーからの高効率低コスには電解槽全体のシステムまでを対象とした「アルカリ水

ト水素製造技術、水素の長距離輸送、長時間貯蔵を実現す

電解及び固体高分子形水電解の高度化」プロジェクトでは、るためのエネルギーキャリア技術及び大規模水素利用技

耐久性評価の為の加速劣化試験プロトコルの策定、性能の術の先導的な研究開発に取り組むことを目標としている。

統一的な要素試験評価の為の標準セルの開発、気泡挙動の水素製造関係では、まず最初の前期5年で「低コスト水素

可視化や現象解明、放射光を用いた劣化機構や物質移送解製造システムの研究開発」を行い、アルカリ水電解とPEM

明の為の高度解析技術開発等が実施されている（2022年度

水電解の電解性能の向上と電解セル大型化などにより設末終了）。本取り組みでは、PEM水電解およびアルカリ水

備コストを低減するとともに、従来システムと同等の耐久電解に関して、再生可能エネルギー利用による水素製造に性を維持し、かつ変動する再生可能エネルギーの有効活用

基づき、触媒等要素、電解槽、システムまで包含した性能が可能な水素製造システムの研究開発が行われた。また、評価方法のガイドラインの策定を目的とした研究開発が「高効率水素製造技術の研究」では、SOEC等の電解セル行われた。本プロジェクトで確立した国内で初めての標準

構成材料、セル構造、セル運転条件等の革新及びセル・ス

評価法や劣化要因マップは今後公開を予定している。

タック製造技術の開発、耐久性向上などについての研究開

2つ目は、2021年度から開始されたグリーンイノベーシ

207 （32）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

ョン基金による大型水電解装置の研究開発である[122]。本

より水素を製造するためには、変動電力を電解槽へそのま

プロジェクトは、アルカリ水電解とPEM水電解の低コスト

ま投入すればよいわけではなく、時間的に変化する電解槽化を目指し、「水電解装置の大型化技術等の開発、Power-の環境に対応した変動運転が求められる。つまり、変動すto-X大規模実証」として水電解装置の大型化・モジュール

る電流を水電解槽に入力すると、電解槽の電圧が変化する

化、部材の実装、システム運用に関わる技術開発が開始さだけでなく、電解槽温度、発生ガス圧力、発生ガス純度、れた。産業技術総合研究所では、これらのプロジェクトと発生ガス流量が時間的に大きく変化する。したがって、電対をなす研究開発項目として「水電解装置の性能評価技術

圧変化や温度変化に対するシステムの耐久性の確保が必の確立」を開始しており、実用規模の水電解装置開発を加要である。また、電解槽へ投入する電力の最低負荷値を上速する共通基盤の構築を進めている。NEDO先導研究等で回って運転しなければならないという運転上の制約もあ得られた知見を500 kW規模の水電解スタックに適用した

り、運転可能範囲を下回る電力しか得られないときに電解加速劣化試験、海外標準となっている3～5MPaの高圧水電槽を停止せざるを得ない。しかし、停止期間中は再生可能

解スタックの評価試験、国内外の電力系統条件下におけるエネルギーを利用できず、全体的なエネルギー利用効率の製品レベルの水電解システム試験の3つの試験を可能にす

低下につながる。さらに、低負荷運転が可能であっても補る設備構築を目指し、2021年度には有識者によるアドバイ機類を含めたシステム運用によってエネルギーを消費し、ザリー委員会および水電解メーカーとユーザーへの個別全体の効率が大きく低下することもある。これらのことか

ヒヤリングを行い基本仕様を決定した。今後は2023年度まら、運転範囲を拡大した水電解槽の開発と、適切に補機類でに評価設備を構築し、2025年度までにこれらの設備を利を組み合わせる水電解槽システム設計が重要となる。

用した水電解装置の統一的な評価手法構築を行うことを計画している。

アルカリ水電解では、電解槽運転停止時の逆電流現象による触媒劣化が顕著であり、運転起動・停止サイクルの影

これらNEDOが主導する国の事業以外にも様々な企業

響を受けやすい方式と言える。ならし効果の期待できる大や大学、組織が水素関連研究を推進しており、国際的な競規模な太陽光発電所や風力発電所における発電電力は、ア争が激化する中で、日本においてもカーボンニュートラル

ルカリ水電解槽の主な適用先となりうる。しかし、再生可技術開発に対する取り組みが一層活発になってきている。

能エネルギーを使う限り電解槽の停止は避けられず、起動・停止に対して高い耐久性を有する電極・触媒の開発は

 結論と将来展望

必要不可欠である。
PEM水電解は、アルカリ水電解に比べて変動のある環境

カーボンニュートラル達成に向けて再生可能エネルギ

下、低い負荷（最小限の電力供給）における運転が可能でーの大量導入が必要不可欠であり、その変動電力を最大限あり、小規模発電所の電力を利用する場合に有効である。

活用するための水素製造技術とその関連課題を理解する

しかし、貴金属を使用するためコストが高く、変動電力を必要がある。

使用した運転では劣化が速くなる例もあることから、電解再生可能エネルギーの主力である太陽光および風力発

性能や電解槽の寿命を下げずに貴金属触媒の使用量を低電の発電量は不規則に変動する。その電力変動の特徴やパ減させる技術開発が求められる。また、電解槽の大型化にターンを分類する試みが行われており、いずれの発電方式

おいては膜に働く不均一な圧力や局所的な加熱に耐えうでも発電規模の増大や複数地点の電力を束ねて得られるる膜の開発や不均一を生じにくいセル構造の開発が必要

ならし効果により、電力の変動幅が小さくなることが認めである。

られた。しかし、水電解槽の開発において、その特徴やパSOECは、小規模なセル・スタックレベルで変動電源入

ターンを考慮した運用効率、各方式への適合性、電解槽耐力に対しての堅牢性が実証されているが、その運転範囲は

久性の評価手法は確立されていない。水電解槽評価の観点

熱中立点を超えない範囲に限定されている。可動域の更なからは電力変動の特徴が十分に理解されているとは言える拡充には、熱サイクルに対する適応性が高いセル・スタ

ず、電解槽耐久性に影響を与える変動パターンを抽出するックの開発が必要であり、熱衝撃に強い金属支持型セルなことが必要である。

どの次世代セルの開発が待たれる。これにより、熱中立点

再生可能エネルギー由来の変動電力を用いて水電解にを超えた変動にも対応できるようになり、より柔軟に変動

208 （33）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

電力の変動吸収を行えるものと期待される。

水電解装置の実証研究が比較的早い段階から進められ、図以上のように、再生可能エネルギー由来の変動電力を使18.のように様々なプロジェクトが過去行われたのにもかった水電解は、これまでに研究室スケールの基礎的な検討

かわらず、研究成果をまとめた学術論文の発信については、から実証まで様々な取り組みがなされてきた。変動運転を海外に比して件数が少ないことが今回の学術論文の文献行った場合には定常運転とは異なる各種課題が存在し、急調査により明らかとなった。これは、過去のプロジェクト

激な電位変動により触媒劣化が速く進行することが明らで行われてきた研究成果が学術論文として十分に発表さかにされている。しかし、燃料電池分野と比較して、水電れていないことを意味し、ノウハウと問題点が共有されて解分野のコミュニティ全体を巻き込んだ網羅的取り組み

いない状態といえる。知識や経験を共有し共に発展していは不十分であり、特に、変動電源を用いて電解槽の実環境

くことを目指すアカデミアにとってこの状態は有益ではを模擬した水電解用加速劣化試験プロトコルの認知と各なく、当該分野の学術研究は衰退する。製品開発を行う企

要素の劣化原因の共有がされていないのが現状である。グ業にとっては開発ノウハウとして成果や課題を秘匿する

リーン水素製造の為の高耐久性電解槽の開発を加速させ考え方が一般的であるかもしれないが、このような状況がるには、このような加速劣化試験プロトコルを有効に活用

続けばどこまでが既知でどこまでが未知なのか不透明とし、各要素の劣化評価法に関する共通基盤技術を整備するなり、新規参入の障害となりかねない。その結果、閉鎖的ことが急務である。そのステージと並行して、実用電解槽

な各社単独の開発が続けば長期的には国際競争力を失うの変動運転に利用する電力の変動パターン、各物理量の詳ことが危惧される。また、日本における再生可能エネルギ

細な変化とそれによる劣化が進行しないメカニズムと劣ーによる水電解の本格的開発スタートが欧州よりも後発化が進行するメカニズムの明確化が必要である。さらに、であることから、燃料電池開発で行われてきたような包括

ラボスケールと実用スケールの劣化要因の違いを理解し、的取り組みが必要である。
つまり、情報をオープンにして、各水電解方式に適した効率的かつ高耐久な水電解槽の運問題点や課題を共有、より多くの研究者、技術者を業界へ用法の確立が必要である。これら新たな知見を反映し、実呼び込み、産官学の垣根を超えた連携によって困難を乗り用サイズの電解槽開発に資する要素開発用ラボレベルの越えていく姿勢や体制を、水電解分野においても早急に整試験プロトコルや発電規模による変動パターンの違いを備する必要がある。国際競争が一層激化するカーボンニュ

考慮した試験プロトコルへと改良されていくことが必要

ートラル社会を勝ち抜くために、今後は基盤研究から大型だと考えられる。

装置による実証研究まで、研究成果を学術論文としてまと最後に、本総説をまとめるにあたり、水素技術の研究開

め、地球規模での水素社会発展のため、研究によって得ら発に関する様々な状況が明らかとなったが、アカデミアのれた情報を広く世界に発信して解決すべき課題が適切に立場から見た日本の現状の説明と日本企業の水素研究に共有され、更なる日本の水素関連研究が発展することを心取り組む姿勢について提起を行いたい。

から願い、本総説を終わりたい。

 NEDOプロジェクトの「福島水素エネルギー研究フィールド（FH2R）」は、太陽光発電と10MWのアルカリ水電解

謝辞

槽の組合わせにより、再生可能エネルギーを直接利用する

この研究は、一般財団法人トヨタ・モビリティ基金（TMF）

グリーン水素製造プラントとして、2020年2月に稼働を開の支援により実施されました。本稿をまとめるにあたり、始し、当時は世界最大級の規模であった[123]。しかし、そ多大なるご指導・ご助言を賜りましたTMF「水素社会構築の後海外ではこれを凌駕する大型のグリーン水素製造プに向けた革新研究助成」評価委員会委員長の国立大学法人

ラントが続々と運転を開始し[124]、また今後は数十GWの九州大学佐々木一成副学長・主幹教授をはじめ、委員でオーダーのプラント計画が進められている[125]。日本でのある一般財団法人エネルギー総合工学研究所坂田興研究

大型水電解装置の開発については、グリーンイノベーショ

顧問、株式会社豊田中央研究所志満津孝取締役、国立研ン基金により、
遅くとも2030年までに実用規模の100MWシ

究開発法人産業技術総合研究所 高木英行 研究チーム長、ステムの実現を見通せるアルカリ水電解とPEM水電解の国立研究開発法人産業技術総合研究所古谷博秀所長代理、装置の大型化・モジュール化に係る技術開発を目指して研

国立大学法人東京大学松橋隆治教授、国立大学法人横浜究が進められている[126]。再生可能エネルギーを利用した

国立大学光島重徳教授に感謝いたします（委員五十音順）。

209 （34）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

参考文献
1. K. Caldeira, A. K. Jain and M. I. Hoffert; Science, 299,

19. M. A. L.-Bercero; J. Power Sources, 203, 4-16(2012)

2052-2054(2003)

20. S. A. Grigoriev, V. N. Fateev, D. G. Bessarabov and P.

2. C.-H. Yu, C.-H. Huang and C.-S. Tan; Aerosol Air Qual.

Millet; Int. J. Hydrogen Energy, 45, 26036-26058(2020)

Res., 12, 745-769(2012)

21. A. Buttler and H. Spliethoff; Renewable Sustainable

3. International Energy Agency. The role of CCUS in low-

Energy. Rev., 82, 2440-2454(2018)

carbon power systems, https://www.iea.org/reports/the-role-of-

22. A. A. Haleem, J. Huyan, K. Nagasawa, Y. Kuroda, Y.

ccus-in-low-carbon-power-systems, (2020)

Nishiki, A. Kato, T. Nakai, T. Araki and S. Mitsushima; J.

4. International Energy Agency. Net zero by 2050 - A roadmap

Power Sources, 535, 231454(2022)

for the global energy Sector, https://www.iea.org/reports/net-

23. H. Kojima, K. Nagasawa, N. Todoroki, Y. Ito, T. Matsui,

zero-by-2050, (2021)

R. Nakajima; Int. J. Hydrogen Energy, 48, 4572(2023)

5. O. P. Asantewaa and S. Asumadu-Sakodie; Cogent Eng., 3,

24. M. Anvari, G. Lohmann, M. Wächter, P. Milan, D. Lorenz,

1167990(2016)

D. Heinemann, M. R. R. Tabar and J. Peinke; New J. Phys., 18,

6. L. Chen, G. Msigwa, M. Yang, A. I. Osman, S. Fawzy, D.

063027(2016)

W. Rooney and P.-S. Yap; Environ. Chem. Lett., 20, 2277-

25. J. Wang, P. Li, R. Ran, Y, Che and Y. Zhou; Appl. Sci., 8,2310(2022)

689(2018)

7. N. Armaroli and V. Balzani; Angew. Chem. Int. Ed., 46, 52-

26. M. Kudo, A. Takeuchi, Y. Nozaki, H. Endo and J. Sumita;

66(2006)

Electr. Eng. Jpn., 167, 16-23(2009)

8. S. R. Foit, I. C. Vinke, L. G. J. de Haart and R. A. Eichel;

27. K. Cheng, L. M. Guo, Y. K. Wang and M. T. Zafar; IOP

Angew. Chem. Int. Ed., 56, 5402-5411(2017)

Conf. Ser. Earth. Environ. Sci., 93, 012024(2017)

9. F. Dawood, M. Anda and G. M. Shafiullah; Int. J. Hydrogen

28. F. Wang, Z. Zhen, Z. Mi, H. Sun, S. Su and G.Yang;

Energy, 45, 3847-3869(2020)

Energy Build., 86, 427-438(2015)

10. T. Smolinka, E. T. Ojong and J. Garche; “Electrochemical

29. T. Tomson and G. Tamm; Solar Energy, 80, 600-606(2006)

Energy Storage for Renewable Sources and Grid Balancing“, P.

30. A. A. Munshi and Y. A.-R. I. Mohammed; Solar Energy,

T. Moseley and J. Garche eds., Elsevier, 2014, p103–128,

124, 39-56(2016)“Chapter 8”

31. T. Watanabe, T. Takamatsu and T. Nakajima; J. Appl.

11. S. Anwar, F. Khan, Y. Zhang and A. Djire; Int. J.

Meteorol. Climatol., 55, 2165-2180(2016)

Hydrogen Energy, 46, 32284-322317(2021)

32. S. Harrouni, A. Guessoum and A. Maafi; Theor. Appl.

12. O. Schmidt, A. Gambhir, I. Staffell, A. Hawkes, J. Nelson

Climatol., 80, 27-36(2005)

and S. Few; Int. J. Hydrogen Energy, 42, 30470-30492(2017)

33. N. Kawasaki, T. Oozeki, K. Otani and K. Kurokawa; Sol.

13. K. Zeng and D. Zhang; Prog. Energy Combust. Sci., 36,

Energy Mater. Sol. Cells, 90, 3356-3363(2006)

307-326(2010)

34. A. Murata, O. Yamaguchi and K. Otani; Electr. Eng. Jpn.,

14. R. L. LeRoy; Int. J. Hydrogen Energy, 8, 401-417(1983)

166, 9-19(2009)15. S. S. Kumar and V. Himabindu; Mater. Sci. Energy
Technol., 2, 442-454(2019)
16. I. Vincent and D. Bessarabov; Renewable Sustainable
Energy Rev., 81, 1690-1704(2018)
17. U. Babic, M. Suermann, F. N. Büchi, L. Gubler and T. J.
Schmidt; J. Electrochem. Soc., 164, F387-F399(2017)18. M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel and D. A. Stolten; Int. J.

35. J. Marcos, L. Marroyo, E. Lorenzo and M. García; Prog.
Photovolt. Res. Appl., 20, 226-237(2012)
36. J. Marcos, L. Marroyo, E. Lorenzo, D. Alvira and E. Izco;
Prog. Photovolt. Res. Appl., 19, 218-227(2011)
37. A. Rosen and Y. Sheinman; J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 59,
51-68(1996)

Hydrogen Energy, 38, 4901-4934(2013)

210 （35）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

38. S. Santoso and H. T. Le; Renewable Energy, 32, 2436-

58. J. M. Stansberry and J. Brouwer; Int. J. Hydrogen Energy,2452(2007)

45, 9305-9316(2020)

39. A. Charakopoulos, T. Karakasidis and I. Sarris; Energy

59. A. A. Haleem, K. Nagasawa, Y. Kuroda, Y. Nishiki, A.

Policy, 133, 110934(2019)

Zaenal and S. Mitsushima; Electrochemistry, 89, 186-

40. G. Sinden; Energy Policy, 35, 112-127(2007)

191(2021)

41. P. Sørensen, A. D. Hansen and P. A. C. Rosas; J. Wind

60. Y. Uchino, T. Kobayashi, S. Hasegawa, I. Nagashima, Y.

Eng. Ind. Aerodyn., 90, 1381-1402(2002)

Sunada, A. Manabe, Y. Nishiki and S. Mitsushima;

42. P. A. Adedeji, S. Akinlabi, N. Madushele and O. O.

Electrochemistry, 86, 138-144(2018)

Olatunjia; J. Cleaner. Prod., 254, 120135(2020)

61. M. B. I. Janjua and R. L. LeRoy; Int. J. Hydrogen Energy,

43. N. H. Lipman, E. A. Bossanyi, P. D. Dunn, P. J. Musgrove,

10, 11-19(1985)

G. E. Whittle and C. Maclean; Wind. Eng., 4, 1-7(1980)

62. J. Divisek, J. Mergel and H. Schmitz; Int. J. Hydrogen

44. T. Nanahara, M. Asari, T. Sato, K. Yamaguchi, M. Shibata

Energy, 15, 105-114(1990)

and T. Maejima; Wind Energy, 7, 61-74(2004)

63. G. Schiller, R. Henne, P. Mohr and V. Peinecke; Int. J.

45. T. Nanahara, M. Asari, T. Maejima, T. Sato, K. Yamaguchi

Hydrogen Energy, 23, 761-765(1998)

and M. Shibata; Wind Energy, 7, 76-85(2004)

64. Y. Uchino, T. Kobayashi, S. Hasegawa, I. Nagashima, Y.

46. H. G. Beyer, J. Luther and R. S.-Willms; Solar Energy, 50,

Sunada, A. Manabe, Y. Nishiki and S. Mitsushima;297-305(1993)

Electrocatalysis, 9, 67-74(2018)

47. P. Sørensen, N. A. Cutululis, A. V.-Rodríguez and H.

65. X. Yuan, H. Li, S. Zhang, J. Martin and H. Wang; J. Power

Madsen; Wind Energy, 11, 29-43(2008)

Sources, 196, 91074-9116(2011)

48. J. Koponen, A. Kosonen, V. Ruuskanen, K. Huoman, M.

66. A. Ohma, K. Shinohara, A. Iiyama, T. Yoshida and A.

Niemela and J. Ahola; Int. J. Hydrogen Energy, 42, 29648-

Daimaru; ECS Trans., 41, 775-784(2011)

29660(2017)

67. Y. Hashimasa, Y. Matsuda and T. Shimizu; Electrochim.

49. F. Barbir; Solar Energy, 78, 661-669(2005)

Acta, 179, 119-125(2015)

50. P. Millet, N. Mbemba, S. A. Grigorie, V. N. Fateev, A.

68. R. Mukundan, A. M. Baker, A. Kusoglu, P. Beattie, S.

Aukauloo and C. Etievant; Int. J. Hydrogen Energy, 36, 4134-

Knights, A. Z. Weber and R. L. Borup; J. Electrochem. Soc.,

4141(2011)

165, F3085-F3093(2018)51. P. Millet, R. Ngameni, S. A. Grigoriev and V. N. Fateev;

69. S. M. Alia, S. Stariha and R. L. Borup; J. Electrochem.

Int. J. Hydrogen Energy, 36, 4156-4163(2011)

Soc., 166, F1164-F1172(2019)

52. L. M. Gandia, R. Oroz, A. Ursúa, P. Sanchis and P. M.

70. M. Muto, M. Nagayama, K. Sasaki and A. Hayashi; ECS

Dieguez; Energy Fuels, 21, 1699-706(2007)

Trans., 86, 719-726(2018)53. P. Dieguez, A. Ursúa, P. Sanchis, C. Sopena, E. Guelbenzu
and L. Gandia; Int. J. Hydrogen Energy, 33, 7338-7354(2008)
54. L. M.Gandia, R. Oroz, A. Ursúa, P. Sanchis and P. M.
55. A. Ursúa, I. S. Martín, E. L. Barrios and P. Sanchis; Int. J.
Hydrogen Energy, 38, 14952-14967(2013)

Höber, D. Juričić, M. Kusnezoff, N. Trofimenko, H.
Schröttnere, C. Hochenauera and V. Subotića; J. Power
Sources, 497, 229875(2021)

56. Energinet.dk. Towards Solid Oxide Electrolysis Plants in
2020,https://energiforskning.dk/sites/energiforskning.dk/files/sl
57. A. Ursúa, E. L. Barrios, J. Pascual, I. S. Martín and P.

A. Gasteiger; J. Electrochem. Soc., 166, F487-F497(2019)72. B. Königshofer, G. Pongratz, G. Nusev, P. Boškoski, M.

Dieguez; Energy Fuels, 21, 1699-1706(2007)

utrapporter/forskel_12276_final_report.pdf, (2017)71. A. Weiß, A. Siebel, M. Bernt, T.-H. Shen, V. Tileli and H.

73. V. Subotić, S. Futamura, G. F. Harrington, J. Matsuda, K.
Natsukoshi and K. Sasaki; J. Power Sources, 492,
229600(2021)

Sanchis; Int. J. Hydrogen Energy, 41, 12852-12861(2016)

211 （36）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

74. A. Nechache, B. A. Boukamp, M. Cassir and A. Ringuedé;

92. M. Chandesris, V. Médeau, N. Guillet, S. Chelghoum, D.

J. Solid. State Electrochem., 23, 871-881(2019)

Thoby and F. F.-Onana; Int. J. Hydrogen Energy, 40, 1353-

75. B. Königshofer, M. Höber, G. Nusev, P. Boškoski, C.

1366(2015)

Hochenaue and V. Subotić; J. Power Sources, 523,

93. F. F.-Onana, M. Chandesris, V. Médeau, S. Chelghoum, D.

230982(2022)

Thoby and N. Guillet; Int. J. Hydrogen Energy, 41, 16627-

76. W. Hug, J. Divisek, J. Mergel, W. Seeger and H. Steeb; Int.

16636(2016)

J. Hydrogen Energy, 17, 699-705(1992)

94. International Energy Agency. Global Hydrogen Review

77. Y. Nakajima, N. Fujimoto, S. Hasegawa and T. Usui; ECS

2021, p. 121,

Trans., 80, 835-841(2017)https://iea.blob.core.windows.net/assets/5bd46d7b-906a-4429-

78. L. M. Gandia, R. Oroz, A. Ursúa, P. Sanchis, P. M.

abda-e9c507a62341/GlobalHydrogenReview2021.pdf; 2021

Dieguez; Energy Fuels, 21, 699-706(2007)

95. F. Hegge, F. Lombeck, E. C. Ortiz, L. Bohn, M. von Holst

79. Y. Luo, L. Tang, U. Khan, W. Yu, H.-M. Cheng, X. Zou

and M. Kroschel, J. Hübner, M. Breitwieser, P. Strasser and S.

and B. Liu; Nat. Commun., 10, 269(2019)

Vierrath; ACS Appl. Energy Mater., 3, 8276-8284(2020)

80. A. Y. Faid, A. O. Barnett, F. Seland and S. Sunde; J.

96. B. Verdin, F. F.-Onana, S. Germe, G. Serre, P. A. JacquesElectrochem. Soc., 166, F519-F533(2019)and P. Millet; Int. J. Hydrogen Energy, 42, 25848-24859(2017)81. Y. Wang, Z. Meng, X. Gong, C. Jiang, C. Zhang, J. Xu, Y.

97. L. G. Lage, P. G. Delgado and Y. Kawano; J. Therm. Anal.

Lia, J. Bao, Y. Cui, H. Wang, Y. Zeng, X. Hu, S. Yu and H.

Calorim., 75, 521-530(2004)

Tian; Chem. Eng. J., 431, 133980(2022)

98. S. Stucki, G. G. Scherer, S. Schlagowski and E. Fischer; J.

82. Y. Luo, Y. Wu, D. Wu, C. Huang, C. Xiao, H. Chen, S.

Appl. Electrochem., 28, 1041-1049(1998)

Zheng and P. K. Chu; ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 42850-

99. P. Millet, A. Ranjbari, F. de Guglielmo, S. A. Grigoriev and

42858(2020)

F. Aupretre; Int. J. Hydrogen Energy, 37, 17478-17487(2012)

83. I.-S. Kim, H.-S. Cho, M. Kim, H-J. Oh, S.-Y. Lee, Y.-K.

100. J. Schefold, A. Brisse and F. Tietz; J. Electrochem. Soc.,

Lee, C. Lee, J .H. Lee, W. C. Cho, S.-K. Kim, J. H. Joo and C.-

159, A137-A144(2012)

H. Kim, J. Mater. Chem. A, 9, 16713-16724(2021)

101. J. Schefold, A. Brisse and H. Poepke; Int. J. Hydrogen

84. Y. Kuroda, T. Nishimoto and S. Mitsushima; Electrochim.

Energy, 42, 13415-13426(2017)

Acta, 323, 134812(2019)102. A. Brisse and J. Schefold; Proceedings of the 13th

85. J. Lee, N. Son, J. Shin, S. Pandey, S. W. Joo and M. Kang;

European SOFC & SOE Forum, 91-100(2018)

J. Alloy Compd., 869, 159265(2021)

103 . Q. Fang, C. E. Frey, N. H. Menzler and L. Blum; J.

86. D. Chade, L. Berlouis, D. Infield, P. T. Nielsen and T.

Electrochem. Soc., 165, F38-F45(2018)

Mathiesen; J. Electrochem Soc., 163, F308-F317(2016)

104. P. Hjalmarsson, X. Sun, Y. L. Liu and M. Chen; J. Power87. N. Todoroki and T. Wadayama; Electrochem. Commun.,

Sources, 262, 316-322(2014)

122, 106902(2021)

105. X. Sun, M. Chen, Y.-L. Liu, P. Hjalmarsson, S. D. Ebbesen,

88. D. Chanda, J. Hnát, M. Paidar and K. Bouzek; Int. J.

S. H. Jensen, M. B. Mogensen and P. V. Hendriksen; J.

Hydrogen Energy, 39, 5713-5722(2014)

Electrochem. Soc., 160, F1074-F1080(2013)

89. C. Rakousky, U. Reimer, K. Wippermann, S. Kuhri, M.

106. S. D. Ebbesen, J. Høgh, K. A. Nielsen, J. U. Nielsen and M.

Carmo, W. Lueke and D. Stolten; J. Power Sources, 342, 38-

Mogensen; Int. J. Hydrogen Energy, 36, 7363-7373(2011)

47(2017)107. R. Knibbe, M. L. Traulsen, A. Hauch and S. D. Ebbesen; J.

90. C. Rakousky, U. Reimer, K. Wippermann, M. Carmo, W.

Electrochem. Soc., 157, B1209-B1217(2010)

Lueke and D. Stolten; J. Power Sources, 326, 120-128(2016)91. S. Siracusano, S. Trocino, N. Briguglio, F. Pantò and A. S.
Aricò; J. Power Sources, 468, 228390(2020)

212 （37）

水素エネルギーシステム Vol.48, No.3 (2023)

                            研究論文

108. A. Hauch, K. Brodersen, M. Chen and M. B. Mogensen;

120. M. Rao, X. Sun and A. Hagen; J. Power Sources, 451,

Solid State Ionics, 293, 27-36(2016)

227781(2020)109. M. B. Mogensen, A. Hauch, X. Sun, M. Chen, Y. Tao, D.

121. NEDO：「水素利用等先導研究開発事業基本計画」、

D. Ebbesen, K. V. Hansen and P. V. Hendriksen; Fuel Cells, 17,https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100068.html

434-441(2017)122. NEDOグリーンイノベーション基金事業：｢再エネ等110. M. Chen, Y.-L. Liu, J. J. Bentzen, W. Zhang, X. Sun, A.

由来の電力を活用した水電解による水素製造｣、Hauch, Y. Tao, J. R. Bowen and P. V. Hendriksen; J.

https://green-innovation.nedo.go.jp/project/hydrogen-

Electrochem. Soc., 160, F883-891(2013)

production-water-electrolysis-utilizing-electric-power-derived/

111. P. Moçoteguy and A. Brisse; Int. J. Hydrogen Energy, 38,

123. NEDOニュースリリース：「再エネを利用した世界最15887-15902(2013)

大級の水素製造施設「FH2R」が完成」、

112. S. B. Adler; Chem. Rev., 104, 4791-4884(2004)

https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101293.html（2020年

113. P. Hjalmarsson, X. Sun, Y. L. Liu and M. Chen; J. Power

3月)

Sources, 223, 349-357(2013)124. 環境省ホームページ：「脱炭素化にむけた水素利活用

114. S. D. Ebbesen, C. Graves, A. Hauch and S. H. Jensen; J.

に係る国内外の動向 ②国内外の注目動向」

Electrochem. Soc., 157, B1419(2010)https://www.env.go.jp/seisaku/list/ondanka_saisei/lowcarbon-

115 . S. H. Jensen, P. H. Larsen and M. Mogensen; Int. J.

h2-sc/PDF/2021-featured_domestic_trends.pdf

Hydrogen Energy, 32, 3253-3257(2007)125. IRENA：「Geopolitics of the Energy Transformation/ The

116 . F. Petipas, W. Fu, A. Brisse and C. Bouallou; Int. J.

world’s 20 largest announced giga-scale green hydrogen projects」

Hydrogen Energy, 38, 2957-2964(2013)https://www.irena.org/-

117 . M. C. Tucker; Int. J. Hydrogen Energy, 45, 24203-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2022/Jan/IRENA_Ge

24218(2020)

opolitics_Hydrogen_2022.pdf, p87（2022年1月)

118. W. Fu, J. Schefold, A. Brisse and J. U. Nielsen; Fuel Cells,

126. 資源エネルギー庁：「水素を取り巻く国内外情勢と水14, 395-402(2014)

素政策の現状について」、

119. J. Schefold, A. Brisse, A. Surrey and C. Walter; Int. J.

https://www.meti.go.jp/shingikai/sankoshin/green_innovation/eHydrogen Energy, 45, 5143-5154(2020)

nergy_structure/pdf/009_04_00.pdf（2022年6月)

213 （38）