高純度水素酸素発生装置(HHOG)の新展開
New

Aspects

High‑purityof theOxygenHydrogenand(HHOG)

Generator

技術開発本部
研究開発部
三
宅
明
Akiko
Miyake平井Kiyoshi

Variousapplications

of

HHOG

the

(High‑purity

Hydrogen

water

uslng
electrolyzers
solid polymer
electrolyte,
asanintroduced.
Electrolysis
hydrogenenergymedium21 stlncentury

theis alsoimportantthe only
varge‑scale

and

ま

え

its

が

wide

for

fields of energy
catalytlC

commercialized

applications

arestorage

COnVerSion

of

water

in theexpectedきis discussed

and

solar

energyCO2tOmethanolelectrolysIS

Systemfuture.

near

Oxygen

and

(SPE)

a

Generator),

as竺n
on

Its

on‑site

a

solid

司

Hirai

wbicb

is

a

syste甲are

ln
role
the
expected
Electrolysis
hydrogenutilization.
for
its fixation.
uSlng

清

polymer

The

HHOG

is

electrolyte,ある｡ HHOGは,国内では唯一大容量の固体高分子電解質膜による水電解装置を商業化しており,このような将来

水電解法による高純度水素酸素発生装置(HHOG)として,これまでに小容量用途向けのユニット型(0.5‑2
Nm3/h),ガス集中供給設備としてのシステム型(10‑50
Nm3/h),昇圧設備不要の高圧型(10Nm3/h,
1.OMPa未宿)の装置が開発されてきた｡
水電解法(またはアルカリ水電解法)による水素製造は,の水素を中心とする新しいエネルギーシステムにも適用出来ると考えられる｡
本稿では,オンサイト装置として期待される適用分野をはじめ,

21世紀に向けた将来の水素利用に関連して期待されるHHOGの適用分野について述べる｡

水力資源が豊富で水力発電により安価な電気が供給出来る

1.オンサイト装置としての展開

地域を除き,経済的に成り立ち難い｡日本は,発電コスト

1.

が高く電気代が高い｡そのため,原子力･火力発電所内の

1オンサイト化が進む産業分野
石油化学工業を中心とするコンビナート地域では,垂ように比較的安価な電気が得られる特殊な用途を中JL､にこ質油,ナフサ(石油軽質油留分),天然ガスや石炭,コー

れまでHHOGの適用を検討してきた1)｡
最近,高圧水素容器の輸送費の高騰や,水素供給源が減

クス等を水蒸気改質,部分酸化あるいは熱分解して得られる合成ガス(H2とCOが主成分)を分離精製することに少する一方で水素需要が増加しているため,電子産業をはより高純度水素を得て,これを自家消費したり近隣工場へじめとして自社工場内で水素を製造するオンサイト化が進

パイプラインで供給している｡
電子産業等コンビナ‑卜地域から離れた遠隔地に立地すんでいる｡これに対して,最近開発された高圧型HHOG
は高圧でガスが発生出来るため水素発生量当たりの設備費を大幅に削減し,価格面でも手軽なオンサイト装置としてる工場へは,ソーダ工業の食塩電解における副生水素ガス期待される｡

や,石曲精製オフガス,鉄鋼オフガスを回収精製した高純
度水素が高圧容器詰めされ,圧縮水素ガスとして輸送され一方,現在世界で消費されているエネルギーの約90%が石油,天然ガス,石炭等の化石エネルギーである｡しかている｡このような外販水素は国内で発生,消費される全水素量の1.3%程度にすぎないが,日本全国の広い地域にし,近年の経済発展,人口の爆発的増加に伴うエネルギー
消費量の増大は,これら化石エネルギー資源の枯渇問題を輸送され,遠隔地の水素需要がまかなわれている｡

ますます深刻化している｡また,化石エネルギー資源の消費によって排出される二硬化炭素濃度の増加は,地球温暖

要の不振から稼働率が低下する等,水素の供給に不安が生化の主原因になっている｡
これらの諸問題に対処するには,化石エネルギー資源の有効利用と同時に,太陽エネルギー,水力,風力等の自然エネルギーの利用技術の開発が必須である｡そのためには電力貯蔵技術と,現在のガソリン燃料に相当する貯蔵･輸送が可能な二次エネルギー燃料‑の変換技術が重要である｡
前述の観点から,水素がクリーンな二次エネルギーとして注目されている｡水電解による水素製造法は,太陽光発電や燃料電池発電と組み合わせることが出来る点で重要でVol.

40 No.

1(1996/9)子

しかし,最近,主な外販水素源である食塩電解が塩素需じている｡また,雪,事故等の交通事情により水素の定期的な搬入が一時的にストップする等,供給体制に不安を抱えている｡さらに,輸送費の高騰が深刻になっている｡
このような事情を背景に,近年,圧縮水素ガスの購入か
ら水素製造装置に切り替え(オンサイト化)を望む水素ユー
ザーが増加している｡また,ガス製造業者がオンサイト装置をユーザー敷地内に置き,ガスのみをパイプラインで販売供給するケースも増えている｡
1.

2

オンサイト水素発生装置の比較

オンサイト水素発生装置としては,メタノール及び都市

神鋼パンテツク技報

35

ガスの水蒸気改質装置が主流である｡その他にアンモニア

で水素とCO2に転化される｡メタノール改質の場合と同様

分解やアルカリ水電解もあるが,現在でははとんど新設さにPSAで精製され高純度水素が得られる｡

れていない｡
2.

1.

CH4＋H20

1メタノール水蒸気改質

メタノールの水蒸気改質法は,原料メタノールと水蒸気との混合蒸気を改質炉でCu系触媒を用いて接触改質する方法である｡反応温度は240‑290oC程度で,以下のメタ75%の水素と炭酸
ノール分解反応とシフト反応により,

CO＋H20

2.

1.

CH30H

(m/2＋n)H2

nCO＋

‑→

CO2＋H2‑固体高分子型水電解‑HHOG

固体高分子型水電解であるHHOGは,フッ素樹脂系イ

CO＋2H2‑3

CO＋3日2‑一c｡Hm＋nH20

オン交換膜をプロトン伝導体として用いることにより,電CO＋H20

CH30H＋H20

解質を添加せずに超純水を電気分解することが出来る｡

CO2＋H2‑固体高分子型水電解は一般に設備費が高価である｡また,
電気代の高い日本国内ではランニングコストの点でも劣る｡

CO2＋3H2‑

しかし,最近開発された高圧型では,種々の改良により設
備費及びランニングコストの低価格化が図られている2)｡

CH｡及び未反応メタノール

ガスを主成分とし若干のCO,第1表に,メタノール及び都市ガスの水蒸気改質法と比と水蒸気から成る改質ガスが生成する｡この改質ガスを気液分離し､ PSA
(Pressure Swing
Adsorption)で分離精較してHHOGの特長を示した｡(1)ガス純度
超純水を直接電気分解するので,発生ガス中への不純物

製し99. 999 %以上の高純度水素を得る｡
1.

2.

都市ガス水蒸気改質

2

都市ガスの改質法には,高温水蒸気改質と部分酸化反応の混入が極めて少なく,更なる精製を行わなくても高純度の二通りの方法があるが,水素濃度の高いガスを得るには
高温水蒸気改質が熱力学的に有利である｡の水素と酸素を製造することが出来る｡とくに,水蒸気改質法に比べ炭素含有不純物ガス濃度が低い｡
水電解であるため,発生ガス中には飽和水分が含まれる｡

都市ガスは,天然ガスにカロリー調整のためのプロパン

低露点のガスが必要な場合は,除湿が必要である｡と,付臭剤(硫黄成分)が添加されている｡付臭剤は改質(2)最適水素発生量

反応の触媒活性を披毒するため,最初にNi‑Mo系触媒にメタノ‑ル及び都市ガスの水蒸気改質装置では100以下の水素使用量に対しては,スケールメリットが得られない｡一方,HHOGの水素発生量は電流に比例し,規模

ょり水添脱硫除去される｡その後,改質炉でNi系触媒にCO2を含む改質ガス
ょり700oCで60‑75%の水素とCO,
COはさらにCO変成器でCu系触媒により350oC

になる｡

第1表
Table.

m3/h

オンサイト水素発生装置の比較
1

Variouson‑sitehydrogengenerators

steam

reforming
methanolPurity

for

(vol

H2

(Nm3/h)Capacity
Sorag?

%)

tank

of

raw

of

Steam

reforming
town≧ 99,999
100

RequiredelectrolysIS(HHOG)≧ 99.9999≧ 99.999
50

10000

‑

Water

or

gass

Not

1

500

‑

‑

50

(100)

Required

requiredmaterlal(MPa)

Pressure
Flowdaiagyam

O.5

0.4

o.4

1.0(15)‑5.0

O.5‑3.0

CIもOH

CIL

H20

H20

02

J

J

J

J

†

Reformer

Desulfurizer‑

Electrol)7SIS

O
Reformerpurifier(PSA)

Dehumidifier̲+

Cell

⑦

J

て

02

CO

converter

ElectrolysIS

Cell

∈)

㊨
J

J

J
H2

J

‑

≡
Dehumidifier̲i

H2

J
H2

purlfler(PSA)(High‑pressure type)

J
B2

36

神鋼パンテツク技報

vol.

40 No.

1(1996/9)

の大小に依存せず高効率であるため,
100 m3/h以下の使用量では水蒸気改質装置よりも有利である｡しかし,
1m3/h
以下の使用量ではボンベ購入の方が安価になるという試算結果が得られている｡したがって,オンサイト装置としてOptoelectronics･･

HHOGの最適な水素容量は1(3)ガス圧力‑100Nm3/hである｡･

I

Electronics

高圧型は,高圧ガス取締法の規制を受けない1.OMPa未満の装置が開発されている｡固体高分子電解質膜は,I

Semiconductor
Luminous

la∑er

diode

Solar

cell

Liquidcrystal

Opticalfiber

displayetc

4気Transistor･

圧までの差圧に耐える膜であり,陽極側と陰極側の差圧制

ICILSI･御が容易なため,

150‑200気圧程度にまで高圧にすることも可能である｡従って,圧縮設備が不要であり,ガスの汚

etc.

Meta

1lurgy染の心配がない｡高圧ボンベを使用する場合に比べ,頻繁にボンベ交換する必要がない等の利点がある｡(4)操作性Fine

HHOGは常温反応であるため起動が速くON/OFFの応答性が良好であり,
0‑100%の範囲で発生量を容易に調整出来る｡高圧ボンベと同じ手軽さで使用出来るよう設計

E2

ceramics

02↑↑

されている｡これに対して水蒸気改質は高温接触反応であEHOGるため発生量の変更が容易でない｡また,急激な反応条件の変化は触媒性能の低下を招く｡(5)酸素の同時利用
水を電気分解するので水素だけでなく同時に酸素を発生

く>
第1園
Fig.

HHOGの適用
1

Applications

させることが出来る｡水素と酸素の両方を使用する場合はメリットが大きい｡
3
適 用

1.

E20

of HIIOG.

バルク型太陽電池の製造では,安価なSi基板上にガリウ

第1図にHHOGのオンサイト装置として期待される適

ムヒ素等の化合物半導体層を形成するのに水素が使用され用用途を示した｡

る｡

トランジスタやIC･LSI製造分野では,シリコン酸化膜

石英ガラス系光ファイバー製造では,光ファイバーと同の形成に高純度酸素が使用される｡また,多結晶シリコン

一の母材(プリフォーム)をあらかじめ製造しておき,これを線引きして長尺の光ファイバーを得る｡酸水素炎で約の製造工程をはじめアニール工程,エピタキシャル成長工程,パイロジェニック酸化,ドライエッチング工程等で高1500℃の加熱を行うのに高純度の水素と酸素が使用され純度水素が使用される｡

る｡

シリコン酸化膜の形成法で汎用的に用いられる熱酸化法
は,大別してH20を含む酸素あるいは水素と酸素から水蒸気を生成して約1000℃で酸化するウェット酸化と,乾燥

2.電気エネルギー有効利用への展開

酸素により約1000oCで酸化するドライ酸化がある｡ゲーを化学エネルギーへ変換し,電力を貯蔵する方法として注目されている｡

ト酸化膜や,フィールド酸化膜,素子分離用絶縁膜など用途に応じて使い分けられている｡近年,
LSI集積度の向上に伴い,素子寸法の微細化,軟化膜の薄膜化が進むにつれてガス純度はますます重要性を増している｡また,酸化温度の低温化が図られており,低温でもスループットを下げ

水素は,従来,化学工業原料ガスとして主に利用されてきた｡しかし,水電解による水素製造法は,電気エネルギー

2.

1電力貯蔵による負荷平準化
電力会社では,ルームエアコン等の普及により,夏季を中心とした昼夜間あるいは季節間の電力需要格差の増大が問題になっている｡発電設備は,最大電力需要を若干上ない酸化方法として高圧酸化等も検討されている｡
エピタキシャル成長は,基板結晶と同一軸方向に単結晶薄膜を成長させるものである｡
LSI製造プロセスの中で,最も多量にかつ高純度の水素を使用する｡シラン系原料ガ

回る供給容量を確保しなければならないため,ピーク時以外のほとんどの期間は供給容量を下回り,設備の稼働率は低下する｡
このため,深夜割引価格を設定し時間帯別に料金メニューを多様化する等の対策の他に,オフピーク時の余剰電力をスと不純物ドーバントガスのキャリアガスとして水素が使用される｡

種々のエネルギーに変換して貯蔵し,ピーク時にそれを取ガリウムヒ素に代表される化合物半導体は,超高速ICやり出して利用する負荷平準化技術(ロードコンデショニン

半導体レーザー,発光ダイオード等の発光デバイスとして実用化されている｡化合物半導体のエビタキシャル層形成グ)が検討されている｡
負荷平準化のための電力貯蔵技術としては,揚水発電が法として,原料ガスに有機金属化合物を用いる有機金属気相成長法(MOCVD:Metal

Organic

Chemical

Deposition)が行われる｡この場合もキャリアガスとして高純度水素が使用される｡
Vol. 40No.

1(1996/9)

実用化されている｡揚水発電は,夜間電力によって水を山Vapor

上に揚げ,位置エネルギーとして貯蔵し,電力の必要なときに水を落下させて発電させる方法である｡今後は,立地条件の問題から増設は難しいと考えられる｡そのため,揚神鋼パンテツク技報∂7水発電に代わる新しい変換効率の高い電力貯蔵技術として,合はその充電電力を不足分だけ放電する地上･車上ハイブ

圧縮空気エネルギー貯蔵,超電導磁気エネルギー貯蔵,新リッド電源が検討されている3)｡型電池等の開発が行われている｡

2.

2.

水電解‑燃料電池発電システム

2

3

原子力発電と水電解

原子力発電は,需要がなくても休止させることが出来な

余剰電力を利用して水電解により水素を製造し,再び必

い定出力運転である｡原子力発電と水力発電はベースロー

要時に電気エネルギーに変換する方法として,水電解と燃ド用電力の供給と考えられているが,料電池発電との組み合わせが提案されている｡のベースロード電源のみで電力供給量は最小需要量を上回

燃料電池発電は,水素と酸素を原料として水素の酸化反2010年頃にはこれらると予想されている4)｡このため,発電以外の原子力の商業利用が進められている｡

応により水を合成する際,水素から酸素へ電子の移動を外部回路を通して行うことにより電気を発生する｡水電解と原子力発電で,需要の少ない時間帯に,水素を製造する

逆の反応である｡発電効率が40‑60%と高く,熱･電気ための水電解用電力を供給することが提案されている5)0

併給が可能であり省エネルギー効果が大きい｡

水電解装置としては,固体高分子型水電解が検討されてお燃料電池の水素源は,天然ガス,エタノール,石炭ガス等が,酸素源は空気が利用される｡水電解一燃料電池発電

る方法として注目される｡

り,化石エネルギー資源に依存せず,国内で水素を製造すシステムでは,第2園に示すように,水電解で生成した純
水素と純酸素をそれぞれ貯蔵し(あるいは酸素は空気を用

3.自然エネルギー有効利用への展開
3.

いる),可逆的に電気エネルギーと化学エネルギーの直接変換を行うことが出来る｡このシステムは再生型燃料電池

1エネルギー技術の転換期
二度の石油ショックを契機に,石油火力中心から電源の多様化が進められてきたが,地球温暖化や酸性雨等地球環境問題がクローズアップされる中,日本はエネルギー技
術の転換期を迎えている｡

システムとも呼ばれる｡
燃料電池は,電解質の種類によってアルカリ型,リン酸
壁,溶融炭酸塩型,固体電解質型及び固体高分子型に分類

エネルギーは,石油,石炭,天然ガスの化石燃料,ウラン燃料等エネルギー資源そのものを一次系とすると,電力,
都市ガス,ガソリン等に変換されて利用しやすくなった二される｡この中で,再生型燃料電池システムには固体高分
子電解質膜を利用した固体高分子型がよく検討されている｡
再生型燃料電池システムのエネルギー変換効率は,他の次系とに分類される｡日本では,一次系の8割以上を輸入

電力貯蔵技術に比べて劣る｡しかし,電力の負荷平準化だに依存し,また約6割を石油に依存している｡

けでなく,後述するように,太陽電池など時間的な変動を作う自然エネルギーを利用する場合の平準化技術としてもエネルギーの安定供給確保,地球環境問題への対応を図
りつつ,持続的な経済発展を行うため,第2表に示すエネ

重要であり,固体高分子型の同一セルで水電解と燃料電池

ルギー政策目標が策定されている6)｡これによると,省エ
ネルギ‑努力によりエネルギー需要の伸びを0.9%に抑え発電を行うシステムの研究も行われている｡
再生型燃料電池システムの車載用途として,鉄道分野で
は,線区に設定されている最低電圧に対して余剰の電力や,ること,石炭,天然ガス等の石油代替エネルギーの利用を積極的に推進し石油依存度を低減すること,原子力や太陽,

回生制動から発生する余剰電力を車上充電し,不足する場

地熱,風力をはじめとする非化石エネルギーへの依存度を

02

第2表

Storage

Fig.

長期エネルギー需給見通し6)
2

Prospective

of

long

terms)

inaener･gy口2

supplyandconsumtion

1992

2000

2010

360

388

423

Storage

∈)

∈)

①

∈)

B＋

Consumption(×1091)

Increase

H＋

%

1.0

0.9

￣→

Supply( X 1091)

541

582

635

%
日20
StorageWaterelectrolysis

Fロel cell

†

1

AC‑DC
c

()nverter

Electric†
Excesspower

Petroleum

8.2

2.9

47.7

Coal

6.1

6.4

15.4

2.9

12.8

Naturalgass

0.6

Nuclearenergy

0.0

2.3

16.9

3.8

3.4

3.7

0.1

0.2

0.6

1.2

2.0

3.0

1

(1996/9)

Hydraulic()felectric power

Geothermal

第2図
Fig･

∂β

再生型燃料電池システム
2

Regenerative

fuel

cell

Other

new

power

energyenergyenerg)7

system

神鋼パンテツク技報

Vol.

40 No.

向上させることが目標とされている｡
3.

2

エネルギー媒体として日本をはじめ世界の需要地に輸送し利用する計画である｡これは,2020‑2030年頃の実現を目指した長期的プロジェクトである｡第3園にその概念図を

太陽光発電と水電解

自然エネルギーの中で,太陽エネルギーはクリーンであり,無尽蔵である点で最も有望である｡太陽の膨大なエネ示した｡

ルギーの利用は,太陽光と太陽熱に分けられる｡
太陽電池はp‑n接合半導体を利用したもので,太陽光のWE‑NETで必要とされる水素は,32000NⅡf/h規模の水電解プラントが25基にもおよぶ膨大な量であり,固体高一部を吸収し,形成された電子とホールの流れにより直流電流を発生させるものである｡太陽光が照射している間は,分子型水電解が現在のところ有力候補である｡

電力が発生し続けるが,光の照射が止まると分離していた液体水素としてタンカー輸送され,水素燃焼タービン発電

電子とホールが再結合し電力は発生しなくなる｡この時間

や,水素自動車,水素燃料航空機等の輸送用燃料,民生用燃料として利用される｡

海外の自然エネルギーを利用して製造した大量の水素は,的変動による電力需給のアンバランスを改善するために,
太陽光発電で得られた電力の貯蔵が必要になる｡

水素燃焼タービン発電では,水素を純酸素燃焼させるこ太陽電池1セルで発生する電圧(1V程度)は,水の電とにより超高温の蒸気が発生するため,高効率発電が期待

気分解電圧(1‑2V)に近く,直流である｡このため水電解と太陽電池を直結することができ,太陽光発電で得らされる｡また,水素と酸素の完全燃焼で主作動媒体を直接加熱して水のみが生成するため,クローズドサイクルが可れた電力を水電解により水素として貯蔵するシステムが組能である｡水素の燃焼制御技術の開発等が重点的に行われみ易い｡水電解装置としては,効率,負荷追随性,メンテている｡

ナンスの容易性において固体高分子型が適している｡

4.二硬化炭素固定化への展開

ドイツやデンマークでは,太陽や風力を利用した地域や家庭の自家発電で水素を作り,エネルギーを貯蔵し再び水4.

素を燃料や電力に変換して使う家庭用水素生産の試みも始

大気の放射バランスが変化し,気温が変化する現象である｡

められている｡

赤外線吸収量の多いガスが温室効果ガスと呼ばれ,

3.

ンは二酸化炭素の十倍,亜酸化窒素は百倍,フロンは一万倍以上も赤外線吸収力が強く,微量でも温室効果に寄与

3水素エネルギーシステム
水素は,はとんど無限に存在する水から電気分解等によっ

1地球温暖化とその対策
地球温暖化は,大気中の赤外線吸収量の増加により地球
メタて得ることができ,燃焼すれば水に戻るクリーンな二次エネルギーである｡また,これまで述べたように貯蔵が容易する影響は大きい｡しかし,エネルギー消費量の増大によ

で,エネルギー変換がたやすい等の利点がある｡

んでいる｡

り二酸化炭素濃度が急増するのと対応して地球温暖化が進

この水素の特長を利用して,エネルギー消費地と自然エ
ネルギー供給地を結ぶ地球規模のクリーンエネルギーシス

地球温暖化の主原因である二酸化炭素濃度を減少させるには,発生した二酸化炭素を効率よく回収し,放出量を低減しなければならない｡二酸化炭素の発生源は,主に自動(第3表)｡
テムの研究開発が各国で進められている｡
日本では,水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術(WE‑NET:World

車等の移動発生源と火力発電所等の固定発生源であり,分EnergyNetwork)が提案されている7)｡ WE‑NETは,発展途上国等海外に未利用の形で豊富離回収が可能なのは後者である｡前者は,電気自動車や水素自動車等クT)‑ンエネルギー自動車の開発が進められて
おり,二酸化炭素の排出自体を抑制する方向にある｡に存在する水力,太陽光等の自然エネルギーを,水素等を

第3裏
Fig･

世界の主な水素エネルギープロジェクト
3

Main

projects

ofhydrogenenergyinsystemworld

Country

Project
Japan

WE‑NET(WorldtheEnergyEQHHPP(Euro‑Quebec

Period1993

Network)

Hydro‑Hydrogen

Pilot

EU
CanadaContent

2020

‑

1987

‑

(Quebec)

Project)(Shownin

fig. 3)

Hydraulicpower

generation

J
Water

(Canada)electrolysis

J
Transportationofliq. H2JEU
HYSOLAR

Germany
Saudi

1986
Arabia

‑

1996

Solar

photovoltaic

generation

J
Water

electrol)7Sis(SA)

J
Transportation

byaplpelineJ
GermanyVol.

40 No.

1(1996/9)

神鋼パンテツク技報

39

Countryrich inrenewableenergyEnergyconsumer

Hydrogensite

utilization

Power
plant
Transportation
Solar

&

and storage

batteries

暫

w#
power

plant

o

lndustry｡

Electric power
･

･

/

cell
welfareKitchen･Air･conditioning

Transportation

｡

Ⅲ2

.

.

･

.

B2

turbille

Fuel

Public

o

･

∈⊇

Gas

Automobile
Aircraft
Ship
RocketStorageoOthersSeawaterDesalination

Hydrog9n
Hydrogen第3図Fig.

product10n
plant

production

水素利用国際クT)‑ンエネルギーシステム7)
3Internationalenergyclean

networkusinghydrogenconversion

system･7)

Site of m?ss
consumptlOnMethanoCB30H

Hydroelectric
power

Solar

1

plallt

墜ぎ､batteries

energyMethanolC)

Combustion

CO2

recovery

CO2

Methanolliquefaction

CO2

StorageNo.

1storage

Methanol
synthesi

s

⊆⊇

CO2

StorageCO2

Cleanerlergア

productlOn

Seawater

Slte

Desalination

Hydrog9n
productlOn

CO2グローバルリサイクルシステム8)

第4囲
Fig.

40

@

4

CO2

globalrecyclingsystem･8)

神鋼パンテツク技報

vol.

40

(1996/9)

第4表

大規模水電解プラント(アルカリ水電解)
4

Fig･

Large

scale

water

electrolizers

Country(alkaline

water

Location

electrolysis)?;pma3C/iht
yElectEiw5
ower

Company

Egypt

Aswan

Brown

lndia

NangalDenoraNorwayRyukin

Norsk

Hydro

NorwayGhomrjord

Norsk

Hydro

Canada

Trail

Trail

Boveri

吸着,吸収,膜分離等の方法で回収した二酸化炭素は,化学的あるいは生物的に固定する種々の方法が活発に研究

000

182 000000

165 000900

153 000100

149 000

200

84 0002A

されている｡それらの中で,二酸化炭素の接触水素化によAlkaline
2.2

実用化の可能性の高い方法として注目されている｡
4.

2

接触水素化によるメタノール合成

waterelectrolysIS

冒
A
i

70

二酸化炭素の接触水素化により,メタノール以外にメタ

:>

2

]

ン,低級炭化水素,ガソリン留分,ギ酸等の化成品が得られる｡メタノール合成反応では,熱力学的平衡から高圧･低温が有利である｡
200‑250oCで40‑120気圧の条件で
Cu‑Zn系触媒が検討されており,現在20得られている｡

5.5

65

りメタノールを合成する方法が,現在のところ最も迅速で%程度の転化率が紘
alkaline〔
electrolysis

water

bA
く勺

80

(⊃
>

1･8

=q)

U

≡
コ
の

‑≡
=

CO2＋3H2‑

CH30Il＋H20

Water

メタノール合成用水素は,二酸化炭素を発生しない水素製造法でなければならず,先に述べた水力発電あるいは太

a

U

Q)

ゝ+
q)

A
bh

a

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陽光発電と水電解との組み合わせシステムが有力である｡

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このようなシステムは,化学的CO2固定化プロジェクト8)や,電力会社等民間レベル9)でも検討されている｡二酸化炭素を削減するだけでなく,固定化した二酸化炭素を第5医lアルカリ水電解および固体高分子型水電解の電解性能12)Fig.

5炭素源として,有用な化学物質に変換しリサイクル利用すElectrolysIS

performance
SPE
water

trolysISandpolymer

electrolyte.

of alkaline
eletrolysIS12)

water

using

a

elec‑
solid

ることにより,化石エネルギー資源の消費量削減にも寄与する｡第4図に化学的CO2固定化プロジェクトの概要を示した8)｡港湾まで,電力送電するかあるいは水素輸送するかが,技火力発電所あるいは工場の排ガスから二酸化炭素を回収術的･経済的な面から検討され,水電解設備を太陽光発電

し,液化して自然エネルギー資源の豊富な海外へタンカーと直結し,水素をパイプライン移送する方式が最適であ輸送する｡太陽光発電一水電解システムで製造した水素とることが報告されている10)｡この場合,前述したようにメ

液化二酸化炭素の反応により合成されたメタノールは,再タノール合成反応の圧力と,水素をパイプライン移送する

びタンカー輸送で戻される｡

ために高圧水素が必要と考えられ,高圧型日HOGが有効

1000MWのこのシステムで必要な水素は,例として,
石炭火力発電所から排出される二酸化酸素の60%を分離であると思われる｡

回収してメタノールとして固定化する場合,

672000m3/hである｡

合成メタノールは,メタノール発電等燃料としてリサイ

一方,太陽電池の出力変動に対して,固体高分子水電解の電解性能が検討されている｡初期性能で,水電解効率が約80%,太陽電池効率が12%であり,日射エネルギーから水素エネルギーヘの変換効率は9クルされる｡メタノール発電では,メタノール改質水素を
ガスタービンで燃焼する｡メタノール改質にガスタービン‑10%が得られている｡また,太陽電池との直結連続運転により水電解効率が低下するという問題があり,電解温度を80oC以上にするの排熱を利用出来るので熱効率が高い｡メタノールは,石油より単位熱量当たりの二硬化炭素排出量は多いが,発電

5.大規模高効率水電解の将来効率が高いため,結果として排出量は少ない｡

固体高分子型水電解は,これまで,ガスクロ分析用等小太陽エネルギー基地は,内陸の砂漠地域に立地する｡そのため,太陽光発電基地からタンカー受け入れ基地となる
Vol.

40

No.

1

(1996/9)と改善されるてとも報告されている11).

型の装置開発がはとんどであった｡

HHOGは,国内では最大規模の装置であるが,第4表に示すアルカリ水電解の

神鋼パンテツク技報

41

実績に比べるとその規模ほ小さい｡さらに大規模化と高効紹介した｡オンサイト装置としては,99.9999%以上の高率化のための技術開発が必要である｡

純度水素が手軽に得られることが最大の利点である｡
水電解水素は,電力貯蔵や太陽エネルギー等の自然エネ

第5図に,アルカリ水電解とその改良型及び固体高分子

21世紀に果た
ルギー利用におけるエネルギー媒体として,す役割は大きい｡また,二酸化炭素の固定化･リサイクル型水電解の電解性能を,今後の開発状況も含めて図示した12)｡

一般的に,アルカリ水電解ではセル電圧が高く,エネル
ギー変換効率が60‑80%と低い｡また,アルカリ水電解

利用においても水電解水素は重要である｡現状では,固体では,電流密度を上げると電極間のガス抵抗が増加するため高電流密度の運転が難しい等の問題点がある｡改良型がない｡しかし,固体高分子型水電解は,アルカリ水電解(高温高圧型)ではある程度改善されるが,固体高分子型

HHOGの大規模化いる｡今後,高圧型の利点を生かし,と高効率化のための技術開発を行うことにより,このよう水電解のエネルギー変換効率を越えない｡
水電解では,電流密度の増加とともにセル電圧が増加す

高分子型水電解はアルカリ水電解に比べ大規模装置の実績と比較して性能面で優れた点が多く,多方面で注目されてな将来の水素ニーズへの展開が期待される｡

るため,電流密度を低くすればエネルギー効率を上げることが出来る｡しかしそれでは電解槽が大きくなり経済性が成り立たない｡したがって,セル電圧を低下させて,エネルギー変換効率の向上と電力原単位の低減を図ること,それと同時に電流密度を上げて小型大容量化し,設備費を低減することが重要である｡この点で,固体高分子型水電解〔参考文献〕
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調査(Ⅲ),
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Vol.36,
No.4,
清水三郎,日本原子力学会誌,

さらに,固体高分子型水電解は,アルカリ水電解に比べ高濃度のアルカリ電解液を使用しないため,装置材料の選

6

資源エネルギー庁編,新エネルギー便覧･平成7年度版

7｢ニューサンシャイン計画+カタログ

択や保守が容易である｡また,高濃度アルカリ溶液は人体

8｢接触水素化反応利用二酸化炭素固定化･有効利用技術研究

は,これまでに述べたような将来の水素ニーズに対応出来るものと考えられる｡に接触すると危険であるが,固体高分子型水電解では純水のみを使用するので,作業中の危険性が少なく,本質的に安全である点も大きなメリットと思われる｡
む
すび
固体高分子型水電解法による高純度水素酸素発生装置(HHOG)のオンサイト装置として期待される適用分野を

42

開発+カタログ9)平野正樹,火力原子力発電,

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