高純度水素発生装置「HHOG」の足跡と今後の展望
Past Trend and Future Outlook of High-purity Hydrogen Oxygen Generator（HHOG）

中尾末貴＊
Sueki Nakao

亀澤啓太＊
Keita Kamesawa

当社の固体高分子電解質膜を利用した水電解式の高純度水素発生装置「HHOG」は工業用途において国内トップシェアを誇る。商品化後20年を経過し，工業用水素ガスの供給装置として，130台を超える実績を有する。これは市場ニーズの変化をとらえた装置開発の成果ともいえる。近年では
水素エネルギおよび再生可能エネルギ利活用市場の立上りにより，事業をとりまく環境は新たな局面を迎えているが，当社ではこれらの分野により適合する高効率，低価格な商品を市場に供給するべく，様々な実証試験に取組んでいる。
Water electrolyzer, HHOG（High-purity Hydrogen Oxygen Generator）using polymer electrolyte
membrane has the top domestic market share in industrial applications. Twenty years have passed sincecommercialization of HHOG, and delivery number of HHOG is more than 130. These are the results ofresearch and development of HHOG that captures the changes in the market needs. In recent years, themarkets of hydrogen energy and renewable energy are expanding, and the business environment
surrounding HHOG is entering a new phase. We are working on various veriﬁcation tests, in order todevelop and supply high efﬁciency and low cost products for these markets.

Key Words：
水 素 発 生 装 置Hydrogen generator

水Water electrolysis

電解固体高分子電解質膜（PEM）

Polymer electrolyte membrane

電力貯蔵Electricity storage

水素社

会

Hydrogen society

再生可能エネルギ

Renewable energy【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。
・原料は水と電気だけで，危険な化学物質，薬品などを使用しない。装置内に保有する水素量が少なく安全性が高い。
・国内外における納入実績は130台以上であり，工業用の水電解式水素発生装置として国内トップシェアを誇る。
・水素エネルギ，再生可能エネルギなどの分野にも適用可能。

Vol. 13 No. 1（2016 ／ 9）＊

水素事業推進室

神鋼環境ソリューション技報

35

まえがき

ン酸カチオン交換膜などを使用しており，電解質溶

当社の高純度水素発生装置（HHOG）は2016年で液と隔膜の役割を果たす。この固体高分子電解質膜

商品化後20年が経過し，節目の年を迎えた。HHOGの両面に水電解の電気化学反応を促進させる役割を

は簡易な操作で高純度の水素を供給でき，安全性が持つ白金族触媒などを一体接合したものが膜電極接高いことなどが評価され，国内外に130台を超える合体（Membrane Electrode Assembly, MEA）である。

納入実績を有する（2016年３月時点）。これは，工この MEA の陽極側に純水を供給し，両極間に直流業用途向けの固体高分子電解質膜を用いた水電解装電流を通電すると触媒反応により，陽極触媒層で純置メーカとして国内トップシェアである。

水が酸素ガスと水素イオンに分解される。水素イオ

本稿では，HHOG の開発当初からの取組みや納ンはカチオン交換膜中を電場の働きにより陰極側へ入事例，今後の事業環境を見据えた新しい商品開発移動し，陰極触媒層で電子を得て水素ガスとなる。の取組みなどを紹介する。

1. 2

1.

1. 1

HHOG の概要

システム

HHOG のシステムフローを図２に示す。

原理

電気分解に使用される純水は循環水ポンプで循環

HHOG は，固体高分子電解質膜を利用して，純され，熱交換器，非再生ポリシャで水温，水質を一水を直接電気分解し，純度の高い水素ガスを発生さ定にし，電気分解モジュールに供給される。電気分せる装置である。図１にその原理を模式的に示す。

解で消費された純水は，その分だけ純水タンクから固体高分子電解質膜にはフッ素系樹脂のスルフォ

酸素分離タンクへ補給される。
電極板

O2＋H2O

給電体

H2+H＋膜電極接合体（MEA）
固体高分子電解質膜

H2O

電極触媒層（＋）

【反応式】
・陽極側：2H2O → O2 ＋ 4H+ ＋ 4e・陰極側：4H+＋ 4e- → 2H2
・全体 ：2H2O → 2H2 ＋ O2（−）
e図１

水素ガスの発生原理
除湿器

水素ガス

PIC

整流器

水素分離タンク

H 2O＋H 2H 2O

H 2O＋O2
H 2O

酸素ガス

酸素分離タンク

電気分解モジュール

P

ファイナル
フィルタ

純水タンク

補給水ポンプ
非再生ポリシャ熱交換器

P
循環水ポンプ

図２36

HHOG システムフロー

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Vol. 13 No. 1（2016 ／ 9）

表１

他オンサイト水素発生方式との比較

項目

HHOG（PEM 型水電解法）

アルカリ水電解法

水蒸気改質法

原料

純水

純水，アルカリ

メタノール，都市ガス，プロパン
ガス

毒性なし

劇物

劇物，危険物

適 用 法 規労働安全衛生法

毒・劇物取締法，薬事法
労働安全衛生法

消防法，毒・劇物取締法
大気汚染防止法，労働安全衛生法

水素ガス純度

99.999～99.9999 ％99.9 ％

99.99 ％

主な不純物

O2

O2，アルカリミスト

CO，CO2，炭化水素

操作

・運転開始と同時に水素ガスを・パージのため起動に時間がかかる ・昇温するため起動に時間がかかる
発生可能
・水素ガス発生量が定格より大幅 ・水素ガス発生量の変更に対する性
・水素ガス発生量が定格の０～に少ない領域での運転不可
応答性が悪い100 ％範囲で運転可能メンテナンス

ほとんど不要材料腐食による構成機器の定期交換
アルカリ電解液の更新，廃液処理

触媒の定期交換
原料槽の定期点検

発生廃棄物なし

アルカリ廃液CO，CO2，炭化水素

付 帯 設 備

直流電源装置

直流電源装置，薬品注入装置
メタノール貯槽，ガス精製装置
アルカリミストスクラバ，廃液処
ガスホルダ，コンプレッサ
理設備

電気分解モジュールで発生した酸素ガスは純水とガスなどの炭化水素系の原料を水蒸気改質して得る

ともに酸素分離タンクに送られる。水素ガスは水素方法と，水の電気分解による方法がある。水の電気分離タンクに送られ，同伴した純水をここで分離分解には，HHOG のように固体高分子電解質膜を利し，後段の除湿器で除湿されたのち，供給される。

用した方法と，水酸化カリウムなどのアルカリ水溶水素ガスの発生量は，水素分離タンクの水素ガス液を電解質として用いて電気分解を行う方法がある。

圧力が常に一定になるように，電解電流値を制御す

水蒸気改質法は，一般的には50 Nm3/h を超えるることで調節し，０～100 ％の範囲で自動制御され大量の水素を得る場合に採用されるが，改質に必要供給される。

な温度まで昇温させる必要があり，装置の起動に時他方式との比較

1. 3
1. 3. 1間を要する。また，水素発生量の変動に対する応答

圧縮水素との比較性が悪い。これに対し，水電解方式は，装置の起動

HHOG はボンベなどの圧縮水素と比較すると，停止が容易で，電気を流せばすぐに水素が発生する

安全性に優れている。HHOG は，デマンドに応じことからデマンドに応じ，瞬時に発生量を変化させて水素ガスの発生量を瞬時に０～100 ％の範囲で制ることができる。

御できるため，システム内に水素を貯蔵させる必要

また，水蒸気改質法では製品原料に由来する COがほとんどない。したがって，地震や火災等の不測や CO2 が排出され，アルカリ水電解法ではアルカの災害時には，装置を停止させるだけで良く，本質リ廃液が発生する。HHOG は原料が水と電気のみ的に安全であると言える。また，HHOG で発生すであり，これらの方法に比べて周囲への環境負荷・る水素ガス圧力は１MPa 未満のため，高圧ガス保安全性の面で有利であるだけでなく，燃料電池の性安法に規制されない。さらに，ボンベなどのように能低下を引起こす CO を含有しないなど性能面でも交換作業が不要なため，交換用の予備のボンベを設優位性の高い水素発生方式の１つであると言える。

置するための敷地も不要である。

2.

1. 3. 2

他方式のオンサイト水素発生方式との比較

HHOG とその他のオンサイト水素発生方式との比較を表１に示す。

2. 1

HHOG の歴史
開発の経緯

固体高分子電解質膜を利用した水電解の歴史は
1970年代初期に米国の General Electric 社が燃料電池ユースポイントの近傍で水素を発生させるオンサの技術を水電解に応用したのが始まりである。国内

イト方式の代表的なものとしては，メタノールや都市においては，1975年頃から大阪工業試験所（現 産業Vol. 13 No. 1（2016 ／ 9）神鋼環境ソリューション技報

37

技術総合研究所関西センター，以下産総研）がサン納入実績を増やしてきた。その結果，表２に示すラシャイン計画およびそれを引継いだニューサンシャ

インナップの商品が開発された。

イン計画の WE-NET において MEA の研究を行った。
当社は1992年に水電解式水素発生装置の開発に着手し，産総研から MEA の技術を導入して実用化に向けた開発を開始した。電気分解モジュールの開発に加え，当社が水処理事業で培った超純水製造技術を活用し，工業用の水電解装置の開発が続けられた。
写真１は当時使用した実証試験機の外観である。
当時の国内の市場環境は半導体製造などの電子部品産業が活況であり，製造工程では高純度の水素ガスが使用されていた。高純度の水素ガスをオンサイトで供給可能という特長を活かし，それらの産業用途をターゲットに商用装置が開発され，1996年７月に商用第１号機を電子部品製造メーカに納入するに至った。
2. 2

HHOG の商品開発と事業のあゆみ

当社は1996年の HHOG 商品化後から2016年に至るまで，図３に示すように産業構造の変化など，市場のニーズの変化に合わせた HHOG の開発を行い，

写真１14研究，その他発電機冷却
エネルギ関連金属熱処理
電子産業

12納入台数（台）

実証試験機

1086420969798990001020304050607080910111213141516年度
スキッド型（ʼ96年〜）
水素サーバー（ʼ03年〜）
H2BOX（ʼ13年〜）

製品
ラインナップ
電子産業

主要な納入先金属熱処理

エネルギ関連工業用プロセス用途
エネルギ用途図３

HHOG 主要用途と納入実績の推移
表２3

水素発生量〔Nm /h〕
型式

低圧型
高圧型装置タイプ

1
HB1
H2BOX

HHOG ラインナップ

51020304050

60

CL5D

CL10D

SL20D

SL30D

SL40D

SL50D

SL60D

CH5D

CH10D

SH20D

SH30D

SH40D

SH50D

SH60D

水素サーバー

スキッドマウントタイプ※水素圧力：0.40 MPa 以下（低圧型），水素圧力 0.40 ～ 0.85 MPa（高圧型）※水素ガス純度：99.999 ％，水素ガス露点：－ 70 ℃（大気圧下）

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エネルギ用途

再生可能エネルギ
水素エネルギ・余剰電力貯蔵（Power to Gas）
・水素ステーション
・燃料電池
・非常用エネルギ
供給システム

低炭素化
電子産業

・半導体製造・コンデンサ製造
・LED 製造・次世代パワー半導体

発電所

・発電機冷却・冷却系 SCC 対策

金属工業

研究開発

・還元・表面処理
・蝋付・焼結・基礎研究
・実験，実証試験用

その他

ガス工業

・ガス精製（Ar, N2, 他）
・水素製造

・廃棄物処理・有価物回収・気象観測用気球

工業用プロセス用途
図４

HHOG 適用用途

HHOG の適用分野を図４に示す。水素は高い還元力などの特性を持つため工業的に様々な目的で使用されており，適用用途は多岐にわたる。過去20年の事業をとりまく市場環境の変化と HHOG の開発動向について，納入事例を交えながら次項で解説する。
2. 2. 1

スキッドマウントタイプ

1990年代から2000年代初頭にかけては，電子部品産業分野が HHOG の主要な納入先であった。半導体製造のキャリアガス，セラミックコンデンサの焼成用ガスとして，一般的にはボンベなどの圧縮水素が使用されており，その代替用途としてオンサイトで10～数10 Nm3/h 級の水素発生装置が要求された。
高圧ガス保安法などの法規に該当せず，また，空写真２

スキッドマウントタイプ
HHOG SH-30D（30 Nm3/h）

写真３

スキッドマウントタイプ
HHOG SL-5D（5 Nm3/h）

容器の交換作業の手間がなくその際の不純物混入のリスクがないという点が評価され，同分野での装置導入が進んだ。
電子部品産業向けに納入した装置の外観を写真２に示す。標準的には１スキッドの構成であり，現地設置工事は装置の据付けとユーティリティの接続のみで，顧客への引渡しまでを短期間で行うことができる。
次に，海外の火力発電所向けの装置の外観を写真３に示すが，発電所の要求事項により電気機器は防爆仕様となっており，盤類は別置きの構造である。
火力発電所では風損が少なく冷却効果の高い水素ガスが発電機（回転子）冷却用途として使用されているが，海外の発電所は立地条件やガス供給体制の点で圧縮水素の安定供給が困難なことも多く，オンサイト式水素発生装置のニーズがある。
その後，国内の半導体業界が再編されるなど，産業構造の変化に伴い発生容量のニーズが小容量にシVol. 13 No. 1（2016 ／ 9）神鋼環境ソリューション技報39

フトしたため，これに合わせた小型装置の開発が進められた。
2. 2. 2

サイズダウンを実現した。
近年では，再生可能エネルギを利用した，水素に水素サーバー，H2BOXよるエネルギ貯蔵活用の実証などの用途が増えてい「水素サーバー」および「H2BOX（すいそぼっくる。コンテナ内に HHOG とユーティリティ機器をす）」はともに小容量の，コンパクト化されたパッ内蔵し，太陽光発電や風力発電などの電源を利用ケージタイプの装置である。

し，水素を製造するシステムへの納入実績がある

金属熱処理の現場では多品種少量生産に対応した（写真６）。

バッチ炉を事業所内に多数保有するケースが多く，ボンベなどの高圧容器を置くスペースを確保することが困難な場合があった。また，高圧容器の交換作業の手間を無くしたいという点からも，コンパクトなオンサイト水素発生装置の商品化が求められていた。このようなニーズに対し，システムならびに構成機器を大幅に見直し，従来よりも省スペースな装置の開発を行い，水素サーバーとして2003年より販売を開始した（写真４）。
2000年代に入り，国内で燃料電池の実用化に向けた開発および性能評価が本格化したが，燃料電池やその評価設備などを設置する研究所も同様に，スペースが手狭である場合が多く，高純度の水素ガスが安定して供給でき，省スペースな点が評価され，水素サーバーの納入実績が増えた。
だが，開発および性能評価用途では，水素サーバ
ーよりさらにコンパクトな装置の要望があったた
め，H2BOX の開発を行い，2013年より販売を開始
した（写真５）。水素発生量１Nm3/h，水素供給圧力0.82 MPa（Gauge）であり，当社の従来機に対して設置面積で60 ％減，設置容積で75 ％減の大幅な

写真５40

H2BOX

HB-1（1 Nm3/h）

写真６

写真４

水素サーバー

CL-5D（5 Nm3/h）

再生可能エネルギを電源とする H2BOX の納入事例

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 13 No. 1（2016 ／ 9）

3.

3. 1

開発の取組み，今後の展開

かしながら，再生可能エネルギの中でも太陽光や風HHOG の事業をとりまく市場の動向

力による発電は出力が自然環境に依存する変動電源

2014年の４月に閣議決定された第四次エネルギーであり，電力需要に応じた出力調整を行うことが難

基本計画の中で水素は電気，熱と並ぶ将来の二次エしいため，エネルギ需給がアンバランスになりやすネルギの中核として位置付けられた。また，同年６いという問題があるが，HHOG と組合せることに月に産学官からなる水素・燃料電池戦略協議会が水よりこの問題を解決できる可能性がある。そのため素・燃料電池戦略ロードマップを公表するなど，水には変動電力に適用可能な商品開発が必要であり，素社会の実現に向けた政策的な動きが加速してお次項でその一端を紹介する。

り，市場においては，家庭用燃料電池エネファーム

3. 2

1996年の商品化以降，当社は既述のように市場のの販売台数が2015年に累積15万台に達するなど（エネファーム

今後の市場に向けた HHOG 開発

パートナーズ公表データ），その普及ニーズに合致する装置の商品化を行ってきた。また，HHOG の性能および耐久性の向上を目的としが進んでいる。
ま た， 燃 料 電 池 自 動 車 は ト ヨ タ 自 動 車 か らて電気分解モジュールを含む構成機器類や MEA のMIRAI，本田技研工業から CLARITY FUEL CELL開発も並行して行ってきた。近年では再生可能エネが相次いで販売開始され，水素ステーションの設置

ルギと水電解式の水素発生装置との連携について，件数も91箇所に達している（燃料電池実用化推進協

主に太陽光発電や風力発電を水電解の電源とする条

議会公表データ，2016年６月時点，計画段階も含件で，各地でフィージビリティースタディや実証試む）。これら以外にも水素の利用，貯蔵・輸送，製験が行われている。変動電力をより有効に活用する造に関する様々な開発が行われており，水素社会の対策として余剰電力を貯め，不足時に貯蔵したエネ実現に向けた様々な動きが着実に進んでいる。

ルギを使用するタイムシフトによりエネルギ需給の一方で国内の一次エネルギ構造に関しては，2012バランスを補正することが必要であり，蓄電などと年７月の固定価格買取制度（FIT）の導入以降，太ともに，水素を利用するエネルギ貯蔵の技術が求め陽光や風力などの再生可能エネルギを一次エネルギられている。とする発電施設の設置が進み，水力を除く発電電力

当社は，再生可能エネルギ利用分野に適用可能な量が占める割合は2011年度の1.4 ％から2015年度に装置の開発を目的として，太陽光発電との組合せ電は4.7 ％にまで増加した（電気事業連合会公表デー

解試験などの基礎試験を行っている。また，社外でタ）。FIT 開始以降から2015年３月末までの新規のは2012年１月から，山梨県が山梨大学などと共同で設備認定のうち，設備容量ベースでは太陽光発電が実施している「クリーンエネルギー水電解実証試

90 ％以上と大部分を占めている。

験」に当社は参画している。実証試験のシステム概

エネルギの大部分を輸入に頼る我が国にとって，要を図５に示す。実証試験は米倉山太陽光発電所の国産である再生可能エネルギの導入はエネルギ安全

敷地内にある PR 施設「ゆめソーラー館やまなし」

保障上重要と考えられ，CO2 の排出量を抑制できる内で実施されており，同館屋根に設置された太陽光点からも再生可能エネルギに対する期待が高い。しパネルで発電された電力の余剰分をタイムシフトすMax. 20 kw
太陽光発電

コントロールシステム
DC/DC
コンバータ

バッテリ

Max. 1.5 kw
小水力発電

インバータ

AC/DC
コンバータ

コンデンサ

急速充電器

電力系統
（逆潮流）
館内電力
1 〜 10 kw 程度
燃料電池
Max. 1 Nm3/h
HHOG
水素タンク図５Vol. 13 No. 1（2016 ／ 9）山梨実証試験システムの概要

神鋼環境ソリューション技報

41

発電電力
（太陽光）

消費電力（館内）

充放電（バッテリ）

消費（水電解）

逆潮流電力

受電電力

電解電流値

40015300

10200

5100

00-5-100-10
6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

電流〔A〕

電力〔kW〕

20-200
18:00

16:00

20400

15300

10200

5100

00-5-100-10
6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

電流〔A〕

電力〔kW〕（a）晴天時

-200
18:00

16:00

（b）曇天時図６

太陽光発電出力の変動と電気分解モジュール電流値の変化ることにより，年間を通して同施設で必要な電力を場における水電解式の水素発生装置普及のための課まかなっている。電力の貯蔵手段として，コンデン題として挙げられるが，これら課題の解決に向け

サ，バッテリおよび水素の組合せ方式を採用していて，実証機による検証などの取組みを進めている。

る。水素貯蔵は自然放電による損失が無いため，こまた，当社は（株）神戸製鋼所や（株）神鋼エンの特性を活かし，二次エネルギの長期保存に利用さジニアリング＆メンテナンスなど，コベルコグルーれており，余剰電力を利用して水電解を行い，発生プ内で連携し，環境負荷の低い再生可能エネルギ由した水素を貯蔵し，必要時に燃料電池で発電を行い来の水素を混合した水素ステーションの開発および館内に電力を供給している。

実証を2017年度より行う予定である。

図６に太陽光発電の出力と電気分解モジュールへ供給される電流値の１日の変化を示す。太陽光発電

むすび

今後の水素社会の実現に向けた取組み，とりわけの余剰電力を水電解に使用しており，とくに曇天時再生可能エネルギの利活用においては，水電解式水には発電量の変動が大きく，それに伴って電気分解素発生装置は重要な役割を担うキーテクノロジの１モジュールに通電される電流値も変動する。再生可つと考えられる。当社では，これまでに培った技術

能エネルギとの組合せ運転の課題点として，このよと経験を活かして開発を行い，消費電力の低減やコうな電源の変動に対する応答性および耐久性が挙げストダウンなどの課題を解決し，再生可能エネルギられる。2016年５月時点で装置の運転時間は4 000の利活用を含む水素エネルギ利用システムの普及に時間を経過し，晴天や曇天など様々な太陽光の発電向けて努力していきたいと考えている。

条件のもとで安定稼働しており，変動に対する応答

水素社会の実現は個人や単体企業でなし得るもの

性およびシステムの適用性は良好である。2016年７ではなく，組織の連携が必要であり，世の中の流れ

月現在も実証試験を引続き行い，耐久性の評価を継を作り出すために，社外との枠を超えた連携もより続している。

重視して取組んで行きたいと考えている。

ま た， 再 生 可 能 エ ネ ル ギ 利 活 用 分 野 に お け る
HHOG の適用においてはエネルギ効率の観点から，最後に実証試験において多大なご協力をいただいた山梨県の関係各位に深く感謝の意を表します。

消費電力の低減が要求されている。現在上市している機種の消費電力原単位は5.5 kWh/Nm3-H2 程度であるが，さらに10 ％以上の低減を目指し開発を進めている。また，装置仕様に関しては，変動電源との連携に必要なシステムの構築と，経済性を成立させるための装置のコストダウンがエネルギ利活用市

42［参考文献］
１）須田龍生ほか：水素エネルギーシステム，水素エネ
ルギー協会，VOL.38（2013）
２）NEDO，水素エネルギー白書（2015）３）環境エネルギー政策研究所，自然エネルギー白書
2015（2016）

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