10MW水電解装置を6年動かして、福島が日本に教えたこと

2022年3月16日午後11時36分、福島県沖でマグニチュード7.4の地震が起きた。最大震度は6強。浪江の棚塩地区では、170枚の大型電解セルを一列に締め上げた装置の内部に、水酸化カリウム系の電解液、水素、酸素が存在していた。FH2Rの制御システムは地震を検知し、設計どおり自動停止した。旭化成の技術論文によれば、大きな損傷も漏洩もなかった。

前年2月のマグニチュード7.3でも同じだった。二度の大地震で「壊れなかった」という事実は、華やかな水素生産記録ではない。しかし工業設備の信頼性とは、まさに異常な夜に何が起きるかで決まる。電解槽が水素をつくる時間より、つくらない瞬間の制御のほうが安全と寿命を左右することさえある。

2026年3月、電気化学会は旭化成の技術者6人に技術賞（棚橋賞）を授与した。受賞テーマは「10MW級 大型アルカリ水電解装置の技術開発および長期実証」。1952年から続く賞が評価したのは、一度の世界最大級記録ではなく、設計、建設、試運転、変動運転、保守を一つの技術として成立させた仕事だった。

「長く動いた」と「ずっと動いた」は違う

FH2Rは2020年3月7日に開所した。当時のNEDO発表は10MW級、定格毎時1,200Nm³と説明した。2025年に旭化成の技術者が発表した査読論文は、装置をより詳しく記す。交流入力は最大12MW、水素生産は毎時300～2,000Nm³で可変、槽内圧力は約70kPaG、出口水素は0.8MPaG超、純度99.97vol％超。ISO 14687:2019の燃料電池車向けType I Grade Dに適合する。

論文執筆時点の累積運転は1万3,000時間超だった。約1.48年分の連続時間に相当するが、これは「六年間の可用率が約25％」という意味ではない。運転時間の集計境界、待機時間、意図的な実証停止、水素需要、太陽光の制約、部分負荷の時間が開示されていないからだ。設備利用率と故障率を混同してはならない。

一方で、1万3,000時間は商用寿命の終点でもない。米エネルギー省が液体アルカリ水電解に置く2026年の寿命目標は8万時間で、終寿命を同一電流密度での10％の電圧損失としている。FH2Rの公開情報は、電圧劣化率や8万時間への外挿を示さない。六年の実証は重要な中間証拠であり、20年級の資産寿命を丸ごと再現したものではない。

200年前の反応、100年前の日本、50年前の工業技術

水を電気で水素と酸素へ分ける現象は、1800年にウィリアム・ニコルソンとアンソニー・カーライルがボルタ電池を使って示した。19世紀末にはアルカリ水電解が工業化へ進み、20世紀初頭には多数の装置が稼働していた。原理が古いことは強みである。ニッケル系材料とアルカリ電解液を使い、希少な白金族金属への依存を抑え、大面積化しやすい。

旭化成の系譜では1923年が起点になる。宮崎県延岡で水力発電を使って水を電気分解し、日本初の合成アンモニアの原料水素をつくった。1975年にはイオン交換膜法の食塩電解システムを事業化し、塩水から塩素、苛性ソーダ、水素をつくる大型電解設備を世界へ供給した。膜、電極、セル、腐食、漏洩、保守を数十年扱った経験が、Aqualyzerの土台になった。

しかし食塩電解と再エネ水電解には決定的な違いがある。化学工場の食塩電解は、できるだけ一定に連続運転する。太陽光や風力につながる水電解は、出力を上下し、頻繁に起動停止する。旭化成が2010年に専用開発を始めた時、課題は単に水を分けることではなく、古い工業技術に新しい勤務表を教えることだった。

2013年には中型実証装置、2014年以降は横浜の130kW級・大型4セル設備で累積1万2,000時間の長期試験を実施した。2018年に福島県相馬市へ移設し、太陽光と連携する試験を2023年まで続けた。その装置からFH2Rへの飛躍は、約100kWから10MW級、ほぼ二桁の拡大だった。

第一の教訓：停止は休息ではなく、腐食イベントである

電解中、電流は意図した方向へ流れ、水素と酸素を発生させる。電源を切ると、積層セルや共通配管の電位差によって「逆電流」が流れる。電極が腐食電位にさらされ、起動停止を繰り返すほど触媒と部材が劣化し、同じ水素量を得るための電圧が上がる。太陽光に合わせて毎晩止める装置では、停止が寿命試験になる。

旭化成は停止中に外部負荷を接続し、放電を意図的に速める方法を開発した。腐食電位にある時間を短縮し、セル間の逆電流を均等化して、局所的なフレームやヘッダー配管の劣化も抑える。2025年論文は、対策なしとの比較試験で電解効率の劣化を抑え、寿命を約2倍に延ばせるとしている。

ここは表現に注意が要る。「FH2Rの電極寿命が実際に2倍だった」と公表されたわけではない。約2倍は劣化制御技術の比較結果であり、FH2R全体の交換実績ではない。それでも、再エネ水素の耐久性が触媒の初期性能だけでなく、停止シーケンスの電気回路で決まることを具体的に示す。

第二の教訓：雲を追うには、圧力を予測する

入力電力が増えれば、発生する水素と酸素の量もすぐ増える。しかし巨大な槽、気液分離器、配管、温度には慣性がある。従来のPID制御は圧力が変わってから弁を動かすため、急な電力変化には遅れやすい。圧力ピークは膜やシールへ負担をかけ、差圧が崩れればガス混合の危険も増す。

Aqualyzerは入力電流から発生ガス量を先に計算するフィードフォワード制御と、状態に応じて調整する可変PIDを組み合わせた。旭化成の試験では、従来のフィードバック制御に比べ圧力上昇のピークを約40％抑えた。FH2Rは最小から最大出力へ20秒以内、最大500kW/秒で変化する設計で、毎時300～2,000Nm³、約6.7対1の水素生産範囲を持つ。

低負荷には別の問題がある。水素と酸素は膜をわずかに透過し、電解液にも溶ける。生産ガスが少ない時は、不純物の割合が相対的に上がりやすい。電解液の循環を減らせば混入を抑えられるが、高負荷ではジュール熱を逃がすため十分な流量が要る。旭化成は電流密度に合わせて循環量を自動調整し、高負荷の温度と低負荷の純度を両立させた。

第三の教訓：巨大なセルは「呼吸」する構造物である

FH2Rの一つのセルは電極面積2.7平方メートル。それを170枚直列に積み、油圧プレスで締める。膜の両側には気体と液体が流れ、温度と圧力が変わる。ゼロギャップ構造は電気抵抗を下げるが、膜を均一に押さえ、摩擦損傷を防がなければならない。旭化成は弾性金属マットで全面に適切な圧力をかける。

気密性を保つガスケットにも「ちょうどよい」締付圧がある。強すぎれば変形し、弱すぎれば水素、酸素、電解液が漏れる。一定運転の食塩電解なら作業員が手動で調整できるが、再エネ水電解は起動停止のたび槽内圧が変わる。Aqualyzerは油圧締付力を内部圧力に合わせて自動変更する。装置は発電量とともに膨らみ、縮み、それを機械的に追いかける。

運転員の操作も標準化した。分散制御システム（DCS）で「通常運転」「コールドスタンバイ」「ホットスタンバイ」などを選ぶと、弁と補機が所定の手順を自動実行する。水素漏洩、電解液漏洩、停電、地震、火災では人の判断を待たず安全停止する。二度の福島県沖地震は、この設計思想を実地で試した。

第四の教訓：保守のために止められない時、データが目になる

初号の10MW級装置なら、技術者は頻繁に開け、見て、測りたくなる。旭化成の内野陽介氏は、規模が従来実証のほぼ100倍で、安定運転まで多くの「デバッグ」が必要だと予想したと振り返る。しかしFH2Rには多くの関係者と水素需要があり、好きな時に止められなかった。点検時間も短かった。

そこでチームはデジタルツインとビッグデータ解析を予知保全へ使った。温度、圧力、流量、電圧などの挙動をモデルと比較し、異常に至る前の兆候を探す。旭化成は潜在的な問題を事前予測し、安定運転につなげたと説明する。詳細な予測精度、誤警報率、回避故障数は公表されていないが、装置販売を遠隔監視、データ管理、長期保守サービスへ広げる発想はここから生まれた。

これは水素装置メーカーの事業モデルも変える。顧客が必要なのはセルの納入だけではない。二十年近い資産を、変動電力と需要の中でどう運転し、いつ部品を替え、停止をどれだけ短くするか。FH2Rで蓄積したデータは、旭化成が安価なハードウェアだけの競争を避けるためのサービス資産になる。

第五の教訓：一つの巨大槽と、100MWの工場は別問題

FH2Rは170セルを直列に積んだ一つの大規模スタックである。100MW級を一つのさらに巨大な槽でつくるのではなく、旭化成は10MWモジュールを最大10基束ねる構想を選んだ。だが並列化すれば新しい問題が現れる。夜間の低負荷で何基を止めるか、一基が故障した時に残りをどう動かすか、補機をどこまで共用するか、各モジュールの劣化をどう揃えるかである。

そのため2024年3月、川崎製造所で0.8MWモジュール4基の試験設備が動き始めた。商用と同じ2.7平方メートル級のセルと膜を使い、太陽光・風力を模擬した変動、頻繁な起動停止、夜間低出力、保守中の残基運転を試す。FH2Rが「一基を大きくできる」と示した後、川崎は「多数を賢く動かせるか」を検証している。

2025年の論文では川崎設備を0.75MW×4、2024年の会社発表は0.8MW×4と記す。これは丸め方や運転定義の差とみられるが、公開資料だけでは説明されていない。本稿は会社発表の呼称を用い、技術値の差を注記する。小さな不一致を無視しないことも、信頼性記事の仕事である。

六年間で、何がまだ分からないのか

旭化成の論文は業界では珍しい具体性を持つ。運転範囲、応答速度、圧力、純度、セル数、地震時の挙動を示した。しかし投資家や顧客が最終判断に必要な数字の多くは公開されていない。

この空白は、失敗を意味しない。企業秘密、NEDO事業の集計方法、進行中の運転が理由になり得る。ただし「長期安定運転」という広い言葉を、可用率99％や劣化ゼロへ読み替えることもできない。商用顧客が保証契約を結ぶ段階では、平均故障間隔、計画停止、性能保証、交換費用を明らかにする必要がある。

またFH2Rの最大の価値は、電解槽だけでは決まらない。20MW太陽光、系統電力、水素圧縮・出荷、需要を一体制御する施設である。装置が信頼できても、安い電力と継続需要がなければ水素は高い。国際エネルギー機関（IEA）の2026年レビューでも、低排出水素計画は延期・中止で縮小し、需要と規制が大きな障壁として残る。

「つくれる」の次は、「使い続ける」

FH2Rの水素は、燃料電池車・バス、定置型燃料電池、ボイラー、研究施設へ供給されてきた。2026年1月には隣接するグリーンアンモニア実証が製造を開始し、電解槽に新しい継続需要が生まれた。水素製造装置の信頼性は、下流工場の原料供給責任へ変わりつつある。

同年、NEDOはFH2Rを核とする中長期水素ビジョンの策定調査を三菱総合研究所へ委託した。目的は、将来の研究開発方向と、福島の水素サプライチェーンを需要・供給の両面から検討すること。六年動かしても、FH2Rの次の役割は自動的に決まらなかった。これは技術の敗北ではなく、実証設備から地域インフラへ移る時に必要な問いである。

旭化成にとって、浪江のデータは川崎、フィンランドの1MW級コンテナ、将来の100MW級システムへ流れている。しかし世界の電解装置市場は価格競争が激しく、中国メーカーが規模で先行する。日本企業が売れるのは、初期効率が数ポイント高いからだけではない。二十年の間に何度止めても安全に戻り、部品とサービスが届き、保証した水素量を出せると証明できる時だ。

福島が教えた、信頼性の定義

FH2Rの六年間を、一つの数字へ縮めることはできない。1万3,000時間は経験の深さを示すが、商用寿命の完走ではない。20秒の負荷応答は俊敏さを示すが、経済性を保証しない。二度の地震で安全停止したことは強い証拠だが、あらゆる災害を証明したわけではない。

それでも、浪江が残した教訓は明確である。再エネ時代の電解槽は、電気化学反応器であると同時に、毎日伸縮する圧力容器、停止時に自らを腐食させ得る電気回路、純度を守る流体機械、地震を判断する安全システム、データから故障を読む保守サービスである。信頼性はその全部が同時に働くことだ。

研究室では水素の泡が出れば成功に見える。商用世界では、十年後の雨の日に、保守担当者が少ない夜に、地震の直後に、同じ品質で再び泡が出ることが成功である。FH2Rはその長い試験の途中にいる。六年で日本が学んだのは、水素をつくる反応より、水素をつくり続ける仕組みのほうが難しく、そして価値があるということだった。