再生可能エネルギーの不規則性を克服したK-水電解技術、グリーン水素の大量生産への道を拓く

カーボンニュートラルとエネルギー転換が時代の課題として浮上する中、炭素を含まないクリーンなエネルギーキャリアである「水素」に世界中の注目が集まっています。水素は燃焼時に汚染物質の代わりに水を生成する特性があるため、「究極のクリーンエネルギー」と呼ばれています。YTN Scienceの映像によると、水素エネルギーは、水素と酸素の化学反応を通じて電気を作る燃料電池技術を中心に、生産から貯蔵、輸送に至る巨大な水素経済エコシステムを形成しています。

水素自動車の心臓「燃料電池」、軽量化と効率が鍵

水素自動車（水素燃料電池自動車）は、ガソリン内燃機関の代わりに水素と空気中の酸素を反応させて発生する電力で駆動します。燃料電池の内部では、供給された水素がイオン化して電子を放出し、この水素イオンが電解質に沿って移動しながら酸素と結合して水を生成します。この過程で発生する電位差を利用して電流を作り出す原理です。燃料電池の核心部品は、薄い膜の両面に触媒がコーティングされた「MEA」であり、これを数百個直列に接続したものが自動車に搭載される「燃料電池スタック」です。

韓国はすでに2013年に世界初の完成車メーカーによる水素車量産に成功しており、次世代自動車市場において世界的な技術力を認められています。国内企業は2030年までに年間50万台の水素車生産を目標としています。研究陣は特にモビリティへの活用のため、「軽量化」と「高出力」を主要な課題として挙げています。水素自動車のようなモビリティ用燃料電池は、高純度の水素が供給されなければならず、単位重量あたりに出せる力である出力が非常に重要であるため、部品の軽量化が不可欠です。

映像では、キム・ヒョンジュン博士チームが開発した「二重交換膜燃料電池」技術を紹介しています。従来の燃料電池は、水素と酸素を供給するために別途加湿器が必要でしたが、この技術は二つの伝達膜を配列し、酸素電極で生成された水を再び吸収して自ら加湿する「自己加湿」原理を利用しています。これによりシステムを単純化し、重量を減らすことができるため、将来的に水素ドローンなどの無人航空機分野でも活用度が高いと期待されています。

再生可能エネルギーの不規則性を超える「グリーン水素」生産技術

水素の生産方式は大きく三つに分けられます。石油化学工場や製鉄工程の副産物として得る「副生水素」、天然ガスを高温・高圧の水蒸気で分解して得る「改質水素」、そして水を電気分解する「水電解」方式です。改質水素は世界の水素生産量の半分以上を占めるほど普遍的ですが、生産過程で二酸化炭素が排出されます。一方、再生可能エネルギーを活用して炭素排出なしで生産する「グリーン水素」は、最も環境に優しい最終目標として挙げられていますが、再生可能エネルギーは電力供給が不規則であるという致命的な欠点があります。電力が突然途切れたり変動が激しかったりすると、水電解装置の耐久性と安全性に脅威となります。

1987年に設立され、水素経済の礎を築いてきた韓国エネルギー技術研究院水素燃料電池研究団の努力は、このような限界を克服することに集中しています。キム・チャンヒ博士チームは、再生可能エネルギーの不規則な電力供給にも耐えうる「負荷変動対応型水電解スタック」を開発しました。再生可能エネルギーを直接活用する場合、電力が一定ではないため水電解装置に致命的な影響を与える可能性があるため、既存の素材ではなく特化した素材を独自に作り出し、安全性を確保することが核心です。

研究陣は水電解電極の寿命を高めるために、既存の触媒よりも反応性が大きい素材を添加し、水素と酸素が混ざって爆発する危険を防ぐために分離膜の性能を大幅に強化しました。特に、規則的な再生可能エネルギーを供給する際に水素と酸素が混ざる現象を防ぐため、分離膜の密度を精密に制御する技術を適用しました。

ガス混合を3倍抑制した国産分離膜、経済性確保の鍵

水電解技術の核心は、分離膜の密度を調節することです。分離膜の穴が密であればガスの混合を防いで安全性は高まりますが、イオン伝導性が低下して効率が低くなり、逆に穴が大きければ効率は良くなりますが、ガスが混ざる危険性が大きくなります。研究陣は、これら相反する二つの問題を同時に解決する新しい分離膜合成技術を確保しました。映像によると、今回開発された分離膜は、既存製品よりもガス混合現象を3倍以上抑制しながらも、イオンが通りやすいように密度を高めて抵抗を低減させたのが特徴です。つまり、ガスの混ざり合いを画期的に抑えつつ、イオン伝導性を維持するという二つの相反する効果を同時に克服しました。

これまで水電解に使用される分離膜や電極などの核心素材は、相当部分を海外輸入に依存しており、これが高い生産コストにつながっていました。今回の分離膜と電極の国産化成功は、核心素材の価格競争力を確保することで、グリーン水素の大量生産の可能性を一段と前進させたという点で大きな意味を持ちます。研究陣は現在、性能が検証された水電解セルを複数結合した商用サイズのスタックを通じて、再生可能エネルギーの電力供給をシミュレーションしながら実証研究を進めています。今後、メガワット（MW）級のスタック設計技術まで確保されれば、グリーン水素の本格的な競争力が実現する見通しです。