水素社会到来に向けた HHOGⓇ開発の取組み
Approach to Technical Development of High-purity Hydrogen and Oxygen
Generator（HHOGⓇ）towards Arrival of Hydrogen-based Society

石井 豊＊
Yutaka Ishii

中尾末貴＊
Sueki Nakao

当社は，水素社会の到来を見据え，高純度水素（酸素）発生装置「HHOG」の技術開発に取組んでいる。水素を利活用する際，水素製造コスト低減が求められるため，水素発生装置のイニシャルコスト低減や装置ダウンサイジングによる設置スペースの低減，水素製造効率の向上などの技術開発が重要である。当社はこれらを重点項目として位置づけ，国の研究開発プロジェクトへ参画するなどして技術開発を進めている。その成果の１つとして，システム構成や機器の仕様見直しなどにより，従来の商用機に比べ約30 ％のイニシャルコスト低減，また設置スペースに関しては設置面積比で従来の約20 ％の低減の可能性を見出した（いずれも水素発生量60 Nm3/h 装置ベース）。また，消費電力を従来に比べ約10 ％低く抑えた電気分解モジュールの採用により，水素製造効率を向上できる目途を得た。
We have advanced the technical development of“HHOG”（High-purity Hydrogen and Oxygen Generator）
while staying focused on the arrival of a hydrogen-based society. As the reduction of hydrogen production
cost is required in its utilization, it is important to develop technologies to reduce its initial cost andinstallation area through downsizing as well as technologies to increase its production efﬁciency. We havepositioned these development items as priority issues, and we are promoting them by participating in nationalprojects. As one of the achievements, through reviewing system conﬁgurations and equipment speciﬁcations,
we have found the potential to reduce initial cost by about 30 ％ and installation area by about 20 ％compared with conventional HHOG（all with base output capacity: 60 Nm3/h）. Also, we have recognized thepotential to increase hydrogen production efﬁciency by adopting an improved electrolysis module that has
about 10 ％ lower power consumption than conventional ones.

Key Words：
水 素 発 生 装 置

Hydrogen generator

水Water electrolysis

解固体高分子電解質膜（PEM）

Polymer electrolyte membrane

水Hydrogen-based society

素社

会

再生可能エネルギ

Renewable energy

水素ステーション

Hydrogen refueling station

低Low-carbon

2＊

電

新規事業推進部 水素事業推進室

炭素化

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 15 No. 1（2018 ／ 9）

【セールスポイント】
・99.999 ％以上の高純度水素ガスを簡単な操作で供給可能。
・原料は純水であり，危険な化学物質，薬品などを使用しないこと，装置内の水素保有量が少ないことから安全性が高い。
・国内外における HHOG の納入実績は約170台（2018年３月末時点）であり，固体高分子電解質膜による水電解式水素発生装置として国内トップシェアを有する。
・従来の工業用に加え，水素エネルギ，再生可能エネルギなどの利用分野にも適用されている。

まえがき

はインフラとして水素ステーションの整備が必要で当社の高純度水素発生装置（以下，HHOG）は，あり，同ロードマップの中では2020年度までに160カ簡易な操作で高純度の水素を供給できる。HHOG所程度，2025年度までに320カ所程度という目標が掲は安全性が高いことなどが評価され，国内外に約げられている。現在，国内で流通している水素の大170台の納入実績があり（2018年３月現在），当社は部分は化石燃料由来のものであり，その一部が水素固体高分子電解質膜（以下，PEM）を用いた水電ステーションにおいても利用されている。化石燃料

解式水素発生装置メーカとして国内でトップシェア由来の水素は製造時に CO2 の排出を伴うが，同ローを有している。HHOG は，工業用途の水素発生装ドマップでは2040年頃にトータルでの CO2 フリー水置として一定の評価をいただいているが，水素社会素供給システムを確立することが目標として掲げら実現に向け拡大しつつあるエネルギ利活用分野におれるなど，CO2 の排出量を抑制した水素の製造に段いては，さらなるイニシャルコストの低減，ダウン階的に変えていくことが求められている。

サイジングなどが求められている。また，これらは水素ステーションにおける低炭素化を促進する一工業用途の水素発生装置にも共通して求められる事

つの方法として，化石燃料由来の水素に再エネ由来項でもあることから，これらのニーズに応えるための水素を一部混合することが考えられる。このため，の HHOG の技術開発に取組むこととした。本稿で再エネを利用し水電解により製造する水素（以下，はその取組みの成果を紹介する。

再エネ水素）を活用する水素ステーション用のシス

1.

HHOG の概要

１）

テムの製作，運用等に関する課題を抽出し，解決す

当社の HHOG は PEM を用いた純水による水電解るために，当社は（株）神戸製鋼所，（株）神鋼エン方式を採用している。このため，発生水素の純度はジニアリング＆メンテナンスと共同で，環境省実証99.999 ％以上であり，高純度の水素ガスを製造，供事業の制度を活用した再エネ由来の水素を利用する給可能である。

水素ステーション関連技術の開発・実証に取組んだ

また，高圧ガス保安法などの法規に該当しないこ（事業名称：CO2 排出削減対策強化誘導型技術開発・と，ボンベのように空容器の交換作業の手間が不要

実証事業「中規模（1.5 kg/h 程度）の高圧水素を製で，その際の不純物混入のリスクがないことなどの造する再エネ由来水素ステーション関連技術の開発・特長も有する。HHOG はオンサイトで水素製造が実証」）。当社は HHOG 部分を担当し，イニシャルコ可能であることから，工業用途で利用されるほか，スト低減，ダウンサイジングの実現をふまえた実証再生可能エネルギ（以下，再エネ）などのような変用 HHOG の設計，製作および実証運転における技術

動電源を用いた水素製造などの実証試験にも採用さ的な検証を行った。

れている。以下にその実証の一例について概説しつ

2. 2

つ，その成果を紹介する。

2.

実証用 HHOG の仕様を表１に，外観を写真１に環境省実証事業

２）

2. 1

実証用 HHOG の設計，製作示す。イニシャルコスト低減とダウンサイジングを目的図るために，装置フローの簡略化を検討し，設計に水素社会構築のための政策的な指標である「水素・３）反映した。また，水素ステーションの建設では建屋

燃料電池戦略ロードマップ」 では，第一段階の目標

面積の最小化による費用抑制が求められることかとして水素利用を飛躍的に拡大することを掲げておら，設備は可能な限り屋外に設置することが望ましり，燃料電池自動車（以下，FCV）がその役割の一いため，屋外設置が可能な筐体構造とした。

翼を担うことが期待されている。FCV 普及のためにVol. 15 No. 1（2018 ／ 9）

可燃性ガスである水素を装置内に保有するという

神鋼環境ソリューション技報

3

表１項

実証用 HHOG の仕様

目

仕系統電源

様

交流電力

水素発生量

約20 Nm3/h

水素ガス純度

99.999 ％以上

水素供給圧力約0.82 MPa

水素ガス露点－70 ℃以下（大気圧露点）

筐 体 寸 法（概 寸）

長さ：約4 600 mm
幅 ：約2 000 mm
高さ：約2 200 mm

その他

AC/DC
パワー
コンディショナ

屋外使用（風雨，塩害対策など）

太陽光発電（模擬電源）

直流電力
HHOG 用
DC/DC コンバータ

直流電力
直流電力

太陽光発電用
DC/DC コンバータ

直流電力HHOG
電気分解モジュール

図１

実証用 HHOG への電力供給回路の実証用水素ステーション設備に連結設置された後に，同設備と連携した実証運転を開始した。
実証内容および結果

2. 3
2. 3. 1

HHOG の適用性の検証

再エネ水素ステーション（以下，再エネ ST）実証設備全体の概略フローを図２に示す。
写真１

実証用 HHOG の外観

再エネ ST 実証設備は，既設の水素ステーション部分と，今回新たに設置した再エネ水素設備部分とリスクに対しては，その保有量の最小化，水素の漏で構成され，後者は HHOG と，その発生水素を水洩対策を反映した装置設計や出荷前の製品検査によ素ステーション部分に供給する役割を担う中間ユニる漏洩リスクの低減，および漏洩時のインターロッットにより構成される。既設の水素ステーションのク対策を講じている。また，筐体構造の場合は内部FCV への水素充填能力は最大で300 Nm3/h であり，で万一水素が漏洩した場合，水素が滞留し高濃度雰

ここに HHOG より得られる20 Nm3/h の再エネ水素囲気が形成されるリスクが高まる。そのため，筐体を混合した場合，再エネ水素の比率は 6 ％程度とな内を換気しながら筐体内部の水素濃度を常時監視する。ただし，FCV 黎明期における FCV への水素充ることで，設備の安全性を確保できる仕様としてい填頻度は少なく，３時間に１台程度と仮定した場合る。

は全量を再エネ水素で賄えるため，実用性が高いシ太陽光発電や風力発電などの再エネ由来の電力をステム構成であると考えられる。

水電解用の電源として利用する場合は，電力の変動HHOG から供給された水素は一時的に水素バッに対応するための装置構成が必要となる。今回の実

ファータンクに貯留された後に中間水素圧縮機で昇証設備では太陽光発電を模擬した電力と系統電力の圧され，中間蓄圧器に充填貯蔵される。蓄圧器内のいずれか一方，あるいはそれらを混合した電力を利圧力が規定範囲内となるように間欠的に中間水素圧用して，再エネ由来の変動電力を再現した運転条件

縮機が稼働する。

での水素製造の実証を行うために，図１に示す電源供給回路を採用した。

HHOG と中間水素圧縮機および周辺機器（以下，中間ユニット）との連携性の良否に関しては，中間それらの要素を反映した実証用 HHOG を（株）

水 素 圧 縮 機 の 起 動・ 停 止 な ど の 影 響 を 受 け ず に

神戸製鋼所高砂製作所に納入した。同製作所に既設HHOG の運転状態が安定し，定格性能を発揮でき

4

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Vol. 15 No. 1（2018 ／ 9）

水電解水素製造装置（HHOG）

太陽光，風力などの再エネ電力

減圧弁

減圧弁

深夜電力

中間蓄圧器
中間水素圧縮機

水素バッファータンク

再エネ水素設備

水素カードル

ディスペンサ
高圧蓄圧器
水素圧縮機

水素カードル

燃料電池自動車

既設水素ステーション

冷凍機

水素発生圧力1.5圧力（MPa）

30

再エネ電力（模擬）モジュール電流

8060

1 000
80060040400

20200001.01001000.501020304050600.030

水素発生圧力
水素発生量1.0200.50.0

経過時間（min）

図３1.5100246810流量（Nm3/h）

20圧力（MPa）

流量（Nm3/h）

2.0

水素発生量

電流（A）

40

実証設備全体の概略フロー

電力（kW）

図２0経過時間（h）

系統電源を用いた場合の HHOG の運転状態

図４

太陽光模擬電源を用いた場合の HHOG の運転状態（夏季・曇天時を想定した運転）ることを判断基準と定め，実証においてその確認を行った。
中間ユニットとの連携運転時における HHOG の2. 3. 2設備の耐久性の検証

水素発生量と水素発生圧力の経時変化を，それぞれ

再 エ ネ ST に お け る HHOG の 耐 久 性 に 関 し て，

図３，４に示す。図３は系統電源の利用時の運転デ本実証では HHOG の電気分解モジュールの状態変3ータであり，水素供給量は定格値である20 Nm /h化に着目して評価を行った。電解電圧の上昇についを常時上回り，圧力の安定性も確認できた。また，ては1 000時間あたりの変化率が初期値の 1 ％以下

再エネ利用を想定した運転では，夏季，中間季，おであることを許容値と規定し，検証を行った。本実

よび冬季のそれぞれについて，晴天，曇天，雨天時

証期間中に積算で約780時間の HHOG の運転を行っの各条件により実証設備の運転を行った。各条件のており，その間に約400回の設備の起動・停止が含中で電力の変動が比較的大きい夏季曇天時におけるまれている。この運転における電解電圧の上昇は許運転データを図４に示す。水素発生量が電力の変動容値以下であった。また，発生ガスの純度の点でもに追従して変化する一方で圧力は安定していること特に異常は認められなかった。HHOG の各構成機などから，HHOG と中間ユニットとの連携性，再器に関しても本実証において異常な消耗等は発生しエネとの連携性はそれぞれ良好と判断できる結果がておらず，従来型 HHOG と同等の耐久性を見通せ得られた。

る結果が得られた。

Vol. 15 No. 1（2018 ／ 9）神鋼環境ソリューション技報5

2. 3. 3

イニシャルコスト低減およびダウンサイジングの検討

ストダウンについても検討を進めた。従来は，電気分解モジュール保護のために水素圧力と酸素圧力の本実証における検証により，イニシャルコスト低差圧を基準の範囲内に保つ必要があり，これを維持減に適用可能なコストダウン項目をいくつか抽出しするために酸素の圧力制御機器を備えていたため，た。電気分解モジュールに関しては，電流密度を当装置フローが複雑となりコストアップの要因になっ社従来比の1.4倍程度に高めることが可能であるこていた。今回の実証では差圧の維持が不要な構造をとを当社内での試験で確認しており，その電流密度有する電気分解モジュールを採用し，差圧制御なし向上の効果により電気分解モジュールを構成する部で装置が運転可能であることの検証を行った。実証品の数量を約30 ％低減することが可能となる。さの結果，水素側の圧力を0.85 MPa，酸素側の圧力をらに，構成部材の仕様見直しにより部材コストを低大気圧として差圧0.85 MPa の状態で運転が可能で減可能であることも確認しており，部品数量低減とあることを確認した。差圧制御が不要となることか部品の仕様最適化の両面でコスト低減が可能とな

ら，従来備えていた酸素分離タンク，補給水ポンプ

る。

およびその他の付属機器を削減し，装置フローを簡

また，並行して装置フローの簡素化による装置コ整流器（直流電源）

PIC素化することが可能となった（図５，６）。また，

水素ガス

除湿装置
水素分離タンク

H 2+H 2O
純水タンクへ戻る
電気分解
ファイナル モジュール

O2+H 2O

PIC

フィルタ

酸素ガス

酸素分離タンク

純水タンク

非再生
ポリシャ

純水P
熱交換器

P

補給水ポンプ

循環水ポンプ

図５

HHOG の概略フロー（従来機）

整流器（直流電源）

PIC

除湿装置

水素ガス

水素分離タンク
H 2+H 2O
純水タンクへ戻る
電気分解
ファイナル モジュール

O2+H 2O

酸素ガスフィルタ

純水タンク

非再生ポリシャ
熱交換器

純水P
循環水ポンプ

図６6

HHOG の概略フロー（簡素化後）

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 15 No. 1（2018 ／ 9）

非再生ポリシャ，水素分離タンク，純水タンクなどの電力と水素を組合せた「電力・水素複合エネルギ

容器類の減容化も図り，いずれもイニシャルコストー貯蔵システム」（以下，本システム）の有効性を低減に寄与することを確認した。

検証することとなった４）。

これらのコストダウン項目を，水素発生量が603Nm /h 級の装置に適用した場合，装置コストについ

3. 2

目的

今回の実証試験では，太陽光由来の変動電源をて当社従来機比で30 ％程度の低減が可能という試

HHOG の電気分解モジュールに供給して水素製造算結果が得られた。

を行った。工業用途の装置の運転に利用する安定なまた，ダウンサイジングに関しては，上記の各項

商用電源とは異なり，天候に応じて入力電力が変動目の適用に加え，配管サイズの見直しと機器配置のし，それに呼応して水素発生量も変動する。今回は3最適化を図ることにより，水素発生量60 Nm /h 級変動する入力電力に対する HHOG の動作性，制御の装置の場合で，従来機に比べ設置面積比で約20 ％性，耐久性を確認し，本システムへの HHOG の適低減できる目途が本実証を通じて得られた。

用性について検証することを目的とした。また，不一方，消費電力の低減を図った当社開発の電気分安定な再エネ由来の電源を用いた水素製造を行うた解モジュールを今回の実証用 HHOG へ搭載し，電め，従来の工業用途（安定電源）の場合と異なる運解性能の確認を行った。その結果，従来機に比べ約転方法を検証する。たとえば，HHOG 内の除湿装10 ％消費電力が低減することを確認し，水素製造置の運用方法の工夫による所要ユーティリティ量の効率の向上へ寄与できることが判った。

削減，消費電力量を従来に比べ低く抑えた電気分解

2. 4

今後の展開モジュールの採用など，水素製造システムの高効率本事業を通じ，水素ステーション用途の HHOG を設計・製作し，実証試験を行うことで，既設水素ス化に寄与する運転方法の確立を目指した。
3. 3

実証内容

テーションと HHOG の連携などを確認し，その適用

本システム構成機器の仕様は，茂庭浄水場の消費性を見出し，技術的な知見を蓄積できた。今後はこ電力と太陽光発電データを用いた東北大学によるシの成果を活かした水素ステーション向けシステムのミュレーションに基づき決定されており，実用シス提案などを行っていきたい。

テムの１／50の規模としている。本システムは，太また，イニシャルコスト低減とダウンサイジング

陽光発電設備，電力制御装置，模擬負荷装置，水素などに関して得られた成果は，HHOG 標準機の設ガスタンク関連設備，電気二重層キャパシタ（以計に順次反映していく。

下，EDLC），水電解装置（HHOG），燃料電池（以NEDO 実証事業下，FC），水素吸蔵合金で構成されている。本シス

3.

3. 1

背景

テムの概略フローを図７に，本システムの全景写真

当社は2014年度より，新エネルギー・産業技術総を写真２に示す。太陽光発電設備は直流母線を介し合開発機構（以下，NEDO）の「水素社会構築技術て EDLC，HHOG，FC，模擬負荷装置に接続されて開発事業／水素エネルギーシステム技術開発／非常いる。HHOG で製造した水素ガスは，水素ガスタ用電源機能を有する再生可能エネルギー出力変動補ンクと水素吸蔵合金を併用して貯蔵する。

償用電力・水素複合エネルギー貯蔵システムの研究

今回は電力と水素を複合エネルギとして利用し，開発」に参画している。当社は，NEDO からの委再エネ由来の変動出力を補償する（変動出力を安定託先である東北大学より再委託を受け，水素製造技化させる）実証を行った。
水素発生量が５ Nm3/h の HHOG を導入し，太陽術に関する研究開発を担当している。
2011年３月に発生した東北地方太平洋沖地震に伴光発電設備からの変動電力を HHOG 用 DC/DC コン

う停電発生の際，仙台市茂庭浄水場では24時間の停バータを介して電気分解モジュールへ供給し，装置電に対応可能な非常用発電機に切り替わったが，停単体での性能確認試験を実施した。その結果，変動電時間が想定の24時間を大きく上回り，物流遮断な電力に対する追従性や制御性などに関し，設計どおどの影響で発電機の燃料確保が困難となり，浄水場りの性能が得られることが確認された。また，運転の機能維持に大変苦慮した状況となった。このよう方法を再エネ由来の入力電力に対応させた除湿装置

な状況を受け，東北大学は災害発生などの非常時での動作，性能が設計どおりであることや，水素製造も浄水場の機能を維持可能なシステムを提案し，仙効率の高効率化を目的とした電気分解モジュールの台市水道局の協力のもと茂庭浄水場にて再エネ由来採用による消費電力の低減効果を確認した。

Vol. 15 No. 1（2018 ／ 9）神鋼環境ソリューション技報

7模擬負荷（20 kW）

電力制御装置

電力・水素複合エネルギ
貯蔵システムカードル
カードル
水素ガスタンク（30 m3）

10 kW
太陽光パネル
10 kW

水電解装置（24 kW）
燃料電池（15 kW）

電力ライン
水素ライン
通信ライン

電気二重層キャパシタ（15 kW･200 kJ）

DC 380 V

水素吸蔵合金（240 Nm3）

水素ステーション
FCV，FCトラック

将来的な活用の方向性

図７

本システムの概略フロー

水素ガスタンク

模擬負荷装置
電力制御装置既設太陽光パネル（10 kW×2）

機器ユニット・水電解装置（HHOG）
水素吸蔵合金・燃料電池（FC）
・電気二重層キャパシタ（EDLC） （設置前）
・電力変換装置，計測装置
撮影日2017年8月23日

写真２ 本システムの全景写真（仙台市茂庭浄水場内）

図８

本システムの連携試運転データの一例

お，実証試験期間は2018年度末までの予定である。
発電量が変動する再エネを利用する場合，HHOG

本システムを構成する各機器の連携試運転データの構成機器である電気分解モジュールや補機類などの一例を図８に示す。EDLC の充放電や水電解装置の消費動力の低減，所要ユーティリティ使用量の削（HHOG）の消費電力が，太陽光発電出力の変動に減などによるシステム効率の向上が求められる。今応じて追従していること，FC 出力や直流母線電圧，回の実証で，除湿装置の運転方法の工夫や，水素製負荷消費電力を安定して維持できることを確認し造効率の高効率化を目指した電気分解モジュールのた。

採用など，システム効率向上のための内容を反映し

3. 4

今後の展開た HHOG の安定作動を確認できた。今後も実証試

現在，システム構成機器の連携運転により，様々な天候パターンのもとで実証を継続している。な8験を通じ，HHOG のさらなる高効率化の可能性について検証していく。

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 15 No. 1（2018 ／ 9）むすび2017年12月には世界に先駆けて水素社会を実現するための「水素基本戦略」５）が決定され，具体的な数値目標が示されている。このため，今後さらなる水素製造に関する技術開発の重要性が増してくると考えられ，当社は社会や顧客のニーズに応えながら，水素製造技術の開発，ブラッシュアップに引続き取組んで行く所存である。
最後に，環境省の実証事業において多大なご協力をいただいた（株）神戸製鋼所，（株）神鋼エンジ
ニアリング＆メンテナンスの関係各位に深謝する。
また，NEDO の実証事業においては，仙台市水道局より実証場所を提供いただいており，また東北大学，（株）前川製作所，日本ケミコン（株）の関係各位には実証試験の実施にあたり多大なご協力をいただいている。ここに深く感謝の意を表す。

Vol. 15 No. 1（2018 ／ 9）

［参考文献］
１）中尾末貴，亀澤啓太：神鋼環境ソリューション技報（高純度水素発生装置「HHOG」の足跡と今後の展望），
Vol.13 No.1（2016），pp.35-42
２）株式会社神戸製鋼所，株式会社神鋼環境ソリューシ
ョンほか「平成29年度環境省委託・補助事業 CO2 排出削減対策強化誘導型技術開発・実証事業 中規模（1.5kg/h 程度）の高圧水素を製造する再エネ由来水素ステーション関連技術の開発・実証 成果報告書」（平成30年３月）
３）「水素・燃料電池戦略ロードマップ」，水素・燃料電池戦略協議会，平成28年３月22日改訂
４）津田理，宮城大輔：電気設備学会誌（非常用電源機能を有する再生可能エネルギー出力変動補償用電力・
水 素 複 合 エ ネ ル ギ ー 貯 蔵 シ ス テ ム ），vol.37 No.11（2017），pp.781-784
５）「水素基本戦略」，再生可能エネルギー・水素等関係
閣僚会議，平成29年12月26日

神鋼環境ソリューション技報9