技 術 戦 略 研 究 セ ン タ ー レ ポ ート

Vol.

水素分野の
技 術 戦 略 策 定に向けて1

章 水素に関する技術の概要 ………………………………………… 2

2

章 水素に関する技術の置かれた状況 ……………………………… 5

3
4

1-1 水素の製造技術 …………………………………………………………………… 3
1-2 水素の輸送・貯蔵技術 …………………………………………………………… 3
1-3 水素の利用技術 …………………………………………………………………… 4

2-1
2-2
2-3
2-4
2-5

技術開発の動向 …………………………………………………………………… 5
市場規模（国内、海外）…………………………………………………………… 7
産業競争力（諸外国との比較）…………………………………………………… 8
水素エネルギー利用の意義 …………………………………………………… 12
水素エネルギーの政策的位置づけ …………………………………………… 12

章 水素分野の技術課題 ……………………………………………… 13

3-1
3-2
3-3
3-4

水素の製造技術 ………………………………………………………………… 13
水素の輸送・貯蔵技術（国内輸送、海外からの水素輸入含む）……………… 14
水素の利用技術 ………………………………………………………………… 15
水素発電における各輸送・貯蔵方法のコスト比較 …………………………… 16

章 おわりに …………………………………………………………… 18

T SC とは Technology S trategy Center（ 技 術 戦 略 研 究センター）の 略 称です。

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術戦略研究センター（ TSC）

3

2015 年 10月

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて距離輸送も技術的に可能であり、さらに、余剰電力を水素に変換し1 水素に関する技術の概要
章て長期間・多量に貯蔵することもできる。
現在まで、水素の用途には、家庭用・業務用の燃料電池や燃料

水素は様々なエネルギー源から製造可能な二次エネルギー媒体

電池自動車が実現しているが、これらに必要な水素の需要総量は、であり、図 1に示すような特徴がある。利用方法は水素のままの燃

図 2に示すように、石油精製、製鉄等の製造プロセスから生じる副生

料電池への使用の他、電気や他のエネルギー媒体と同様、発電・水素（及び化石燃料改質によって得られる水素等）で賄える程度※１

熱利用など多様であるとともに、再生可能エネルギーを利用して製と見込まれる。

造 する、又は二 酸 化 炭 素 回 収・貯 留（CCS : Carbon Dioxide※ 1 2030 年の水素の自家消費を除く国内需要ポテンシャルは年間 30 億Ｎｍ3、Capture and Storage）と組み合わせて化石燃料から製造する場

国内供給ポテンシャル 120 〜 180 億Ｎｍ 3（NEDO 委託調査（委託先：

みずほ情報総研）「水素需給の現状と将来見通しに関する検討」（2012 年））合に､ CO 2を排出しない製造、利用が可能である。また、貯蔵・長電力からの変換が可能（水素のままの使用も可能）
貯蔵が可能多様な一次エネルギーから生
成可能エネルギー源
源

製造
造

輸送・貯蔵
輸送・

改質/
ガス化
水素

水力
太陽光
風力
地熱
海洋
バイオマス

高圧水素

家庭用燃料電池（ 家庭用、業務・産業用）

パイプライン

ＦＣ Ｖ（ 水素ステーション）

発電

液化
水素

水素

有機
ハイドライド

ＩＳ、
人工光合成、
バイオマス他

ア ンモ ニア、
メタノール他Power To Gas（ 余剰電力貯蔵）

水素エネルギーシステムの概要と水素の特徴

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成 (2015)（億Nm 3 ）

2012年

2015年

2030年

水素供給の将来見通し

出所：水素需給の現状と将来見通しに関する検討（NEDO, 2012）3

水素

ＦＣ バス、
トラッ ク他

水電解

供給地

図2

利用

副生
水素

化石燃料

図1

利用時にＣＯ ２ の発生なし
多様なアプリケーションの対応可能

2

水素発電

新たな
利用形態

消費地

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて

将来の水素需要の拡大には、燃料電池自動車の普及拡大（乗用

また、将来技術として、⑤Ｉ
Ｓプロセス（ヨウ素と酸化硫黄を介在さ車の普及、バスやタクシー等の商用車の実用化）、業務・産業用等せる多段階プロセスで水を水素と酸素に分離）等の熱分解、⑥バイへの定置用燃料電池の用途の拡大とともに、水素発電の実用化がオマス利用（乾留、熱分解、微生物利用）等が考えられており、現不可欠である。発電用に水素需要が拡大すると、国内の水素需要

在は基礎的な研究開発段階にある。⑤は高い反応温度（900℃）が量も飛躍的に増大する。その場合、より安価な水素を大量に安定し必要であるが、機能性材料などの技術進歩により、反応温度は近いて製造することが課題となる。水素エネルギー源を太陽光発電や風将来に600℃台まで低下する可能性も示されており、米国ではヨウ素力発電などの再生可能エネルギー由来の電力に求める場合、水素（I）、硫黄（S）以外の物質についてスクリーニングを始めている。⑥

製造プラントの高い建設コストや水素製造時のエネルギー損失は、経は国内での実用化においてはバイオマスの安定供給の確立などの済性の低下に繋がることに留意する必要がある。また、受け入れ・課題を抱えている。

貯蔵地点からのインフラ整備を含む輸送コストや、水素発電において

1 -2 水素の輸送・貯蔵技術

は発電効率の低さも経済性を低下させる要因となる。
このように将来の水素社会の構成要素には、技術面、コスト面、インフラ面等において、いまだ多くの課題が存在しており、社会に広く

水素輸送技術は、国内輸送等の短距離輸送としては、①高圧受容されるか否かは、まさにこれからの取組にかかっている。ＬＮＧ導水素、②パイプライン、③液化水素による輸送が既に実用化され入時もそうであったように、これらを一体的に解決するためには、社ている。一方、海外からの輸入等のための海上長距離輸送として

会構造の変化を伴うような大規模な体制整備と長期の継続的な取組

は、③液化水素、④メチルシクロヘキサン（MCH）などの有機ハイが求められる。以下の章では、水素社会を構成する各要素（水素製

ドライド、⑤アンモニア等による輸送が検討されている。③、④につ造、輸送・貯蔵及び利用）に関する技術について、現状と特徴、及いては現在のところ技術的に実証される段階まで到達しており、今び技術開発の動向を説明する。

後は、断熱材・断熱機構、大規模貯蔵システム等の開発によってコストが徐々に下がる可能性が見いだされている。⑤については

1 -1 水素の製造技術

体積水素密度が大きいという特長がある一方、伝統的なアンモニ
ア製造法であるハーバー・ボッシュ法は高温高圧を利用するため

当面のコスト制約や生産能力を考えると、①化石燃料からの製造にコストが下がりにくいという欠点を有する。このため、高効率貯蔵（水蒸気改質法、部分酸化改質法など）が実際の導入技術としてシステムの開発やハーバー・ボッシュ法に代わる省エネルギープロ

優位と考えられる。ただし、化石燃料からの水素製造では CO 2を排セス等に関する研究が実施されている。加えて、燃焼制御技術と出することから、水素をCO 2フリーのエネルギー媒体として利用する

排ガス処理技術の進歩により、アンモニアを水素に戻さず直接燃ためには CCSとの組み合わせが必要である。

焼させることも可能と考えられている。なお、運搬には不向きである

その他の水素製造技術としては、水電解によるものがあり、②アル

が、定置用の貯蔵技術として⑥水素吸蔵合金がある。研究の歴

カリ水電解、③固体高分子形水電解がすでに実用化されており、技史は長いものの、近年の急激な技術進歩は見られない。

術開発段階のものとして、④高温水蒸気電解も存在する。これらは、また、近年ドイツを中心として、再生可能エネルギー由来の余剰再生可能エネルギーの余剰電力等を利用した CO 2フリー水素の製

電力を水素に変換して貯蔵する Power to Gas の取組が積極造に適用可能な技術としての期待が大きい。②、③は、古典的技術的に行われている※ 2。これは、短長期的な出力変動を伴い、かつで産業用までの規模では実用化されているが、汎用エネルギーイン

供給地が分散している再生可能エネルギーの時間的、地理的なフラ設備として利用するためには、耐久性向上や白金電極等のコス偏在性を吸収する手段として、電力の水素エネルギーへの変換貯ト低減や高効率化等が課題である。近年の燃料電池や蓄電池の技蔵を目指すものであり、今後の有効な手段となり得ると期待されて術進歩も考慮すればコストは下がる可能性があるため、技術開発の※ 2 ドイツ国内においては、14 ヵ所（稼働中 10 ヵ所、検討中 4 ヵ所）、11.5 ＭＷ

意義は大きいといえる。④は、要素技術開発段階であり、セル材料の規模の Power to Gas（風力、太陽光等）プロジェクトが実施されている。

耐久性向上や低コスト化、高効率化、大型化が課題である。

（出所：Strategieplattform Power to Gas）

3

3

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けている。ただし、本手法を商業的に利用するためには、再生可能エ
ネルギーからの水素製造、輸送・貯蔵、利用までを含めた技術開発・実証が必要となる。

1 -3 水素の利用技術
水素の利用技術として実用化されているものとして、家庭用燃料
電池や燃料電池自動車がある。家庭用燃料電池は2009 年にすでに実用化され、2014 年 12月現在で11 万台超が販売されている※ 3。
また、燃料電池自動車についても2014年 12月に販売が開始された。
その他の利用技術としては、発電用燃料として水素を使う方法が検討されている。水素をガスタービンやエンジン等を用いた発電用途に利用することは、利用地におけるCO 2 排出量削減やエネルギーセ
キュリティの観点から意義がある。水素発電が本格化すると、水素需要の中でも最大規模の需要を生み出す利用形態となる。水素を燃料とすることにより、燃焼温度が高温となるため、理論的には天然ガスによる発電よりも高効率で発電することが可能である。また、水素専
焼の場合、排気にCO 2 が含まれず、水蒸気が主要成分になるため、背圧を下げることができることから更なる効率向上も期待できる。現在、既に90vol％の水素リッチガス焚きガスタービン（水蒸気噴射型）の20 年以上の運転実績がある※ 4。ただし、NOx 発生等の問題により、現状では高温域での燃焼が十分に活用できないため、水素ガス
タービン発電で天然ガスタービン発電並みの発電効率の実現を目指した技術開発が進められている状況にある。

※3※4

出所 ：コジェネ財団

エネファームメーカー販売台数（http://www.ace.or.jp/web/works/works̲0090.html）
出所 ：三菱重工技報 VOL.44 NO.1: 2007「ガスタービンの燃料多様化による

CO 2 削減対策」図 2 水素リッチガス（20 vol％以上）焚きガスタービンの運転
実績

3

4

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて水素に関する技術の章
置かれた状況

できた。現在は水素の利用拡大に向けて、家庭用の定置用燃料電

2池や燃料電池自動車の他に、業務・産業用の定置用燃料電池、燃料電池バス・タクシー、水素発電等の実用化を目指して技術開発を進めているところである。また、CO 2フリー水素を海外から輸入する

2 -1 技術開発の動向

将来を想定した、水素の製造、輸送・貯蔵に関する技術開発等を進めている。

（1）技術開発の動向（国内、海外）

燃料電池自動車に関する取組としては、経済産業省とNEDOは①国内動向

水素インフラと燃料電池自動車等の実証研究として、2002年度から

ⅰ）国の取組水素・燃料電池実証プロジェクト（Japan Hydrogen & Fuel Cell

国内においては、1993 年にニューサンシャイン計画の一環として水Demonstration Project、略称「JHFC プロジェクト」）を実施し、実素利用国際クリーンエネルギーシステム技術（WE-NET）計画が開測データの取得と実用化のための課題（技術、コスト、安全性など）を始され、社会における大規模な水素利用について、再生可能エネル

抽出するとともに、他の関連プロジェクトに反映させた。2011年度からはギーを利用した水素製造や液化水素輸送タンカーの開発、その利用「JHFC プロジェクト」の第 3期として「地域水素供給・インフラ技術社

技術の検討が進められた。WE-NET では、水素を大規模かつ経済会実証事業」を開始し、燃料電池自動車の一般ユーザへの普及開始

的に製造する方法として、再生可能エネルギー由来の電力を利用しに向けて、実使用に近い条件での燃料電池自動車及び水素供給イン

た固体高分子形水電解法を選択し、香川県高松市に日本発の水素フラに関する技術実証及び商用ステーションの総合実証の位置付けとステーションを稼働させた。製造された多量の水素を高効率に輸送・して、ユーザに対する利便性、耐久性及び実用性を含めた燃料電池

貯蔵する手段としては液化水素を選択した。また、メタノールやアンモ

自動車及び水素供給インフラの事業成立性、社会一般の水素エネル

ニア等の化学媒体を用いた輸送ケースについても、全体システムのギーに関する受容性向上に向けた検討を行った。その成果として、市概念設計を行い、液化水素との比較・評価を実施した。

街地に70MPa 商用モデルステーションを3ヶ所建設し、用地選定、設2003 年以降には、水素の安全利用に関するデータの取得や安全計、建設から運用までの一連の総合実証を実施したほか、3分間で満基準の確立、水素関連機器の開発、基準化・標準化等に取り組ん

図3

充填（5kg）という実用化時に求められる性能を確立した。

NEDO の水素・燃料電池に関する技術開発の取組

出所：NEDO 作成 (2015)

53

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて

ⅱ）民間企業の取組

大量輸送等によってコストの低減が期待される。千代田化工建設で民間企業では、川崎重工業や千代田化工建設が水素サプライ

は、有機ハイドライドによる水素の大量貯蔵・輸送システムが検討さチェーンを検討している。川崎重工業では、豪州の褐炭を原料としてれている。海外の副生水素（CO 2 は CO 2 -EORによって処理）をトル

水素を製造し、豪州連邦政府及びビクトリア州政府が推進している

エンと反応させたメチルシクロヘキサンとして海上輸送し、日本国内で

CO 2 分離・回収・貯留ハブプロジェクト（カーボンネット）を利用して、脱水素することによって水素に戻すというシステムである。どちらのCO 2フリーの水素を国内に輸入することが検討されている。今後、設検討も実用化に近づきつつあり、必要な技術開発が進められている。

備機器の大型化や液化効率の向上、効率の良い水素輸送船による資源国（豪州）

図4

川崎重工業

図5

千代田化工建設

利用国（日本）水素サプライチェーン構想

出所：NEDO フォーラム講演資料（川崎重工業 , 2015）

水素サプライチェーン構想

出所：水素社会の実現に向けた東京戦略会議講演資料（千代田化工建設 , 2014）

3

6

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて②海外動向る。ドイツでは2004 年より燃料電池自動車と水素ステーションの実証

海 外 で は、1986 年 に 発 足 し た The Euro-Quebec hydro-

プロジェクト「Clean Energy Partnership（CEP）」が実施されてきhydrogen pilot project（EQHHPP）にて、カナダにおいて水力発

た。CEP はベルリンで始まり、Daimler や BMW、VW､ Lindeといっ電（100MW）による水素を年間で16000ｔ（約 1.8 億 Nm ）製造し、たドイツ企業に加え、我が国の自動車メーカー（トヨタ自動車、本田

欧州へ液化水素、メチルシクロヘキサン、アンモニアによって輸送す

技研工業、日産自動車）、GM（Opel）や Fordも参加している。現在

ることを目的とした計画が存在した。結果的には大量輸送は資金問

CEP はメンバー的にも地域的にも拡大し、2015 年までの燃料電池自題などにより実現しなかったが、1994 年〜 1998 年まで水素自動車の動車市場立ち上げ段階までの水素ステーション整備はすべて CEP

デモンストレーションとして、
ドイツの Erlangenにおいて水素バスが稼内で実施されることになっている。

3

働されるなどの成果を上げている。EQHHPP では、メチルシクロヘ※ 5：「有機ハイドライドを用いた水素の大量輸送の可能性シナリオに関わる
調査報告書」（財団法人 石油産業活性化センター , 2010）

キサンからの脱水素反応も効率の高い水素キャリアとして輸送手段の有力な選択肢の一つであったが、有効な脱水素触媒が開発されなかったことなどから液化水素が輸送形態として選択された※5。また、ドイツとサウジアラビア政府は1986 年にHydrogen from SOLAR

製造、水素エネルギー輸送システムの研究開発を行い、1995 年にプ

2 -2 市場規模（国内、海外）

ロジェクトを終了した。

図 6に示すように、燃料電池関連を含めた機器・インフラ市場は、

energy（HYSOLAR）プロジェクトを発足させて、太陽光による水素

現在の水素に関するプロジェクトとしては、ドイツにおいて Power

国内で2030 年に1 兆円程度、2050 年に8 兆円程度に拡大すると試to Gasプロジェクトが実 施されている他、石 炭ガス化 複 合 発 電

算されている。また、世界市場では、2030 年に約 40 兆円、2050 年（ IGCC : Integrated Coal Gasification Combined Cycle）に約 160兆円との予測もある。

とCCS の組み合わせによる高効率で低炭素な石炭火力発電に関する取組が進められており、その一環として水素燃焼のガスタービンの開発が進められている。具体的には、Enel（イタリア）にて将来的にIGCCとCCSを組み合わせた発電を行うことを念頭に2009 年に水素発電のデモプラント実証事業を開始した。これは、周辺の石油化学工場で発生する副生水素を燃料とする水素発電によって約12MWを発電し、その際に発生した蒸気を石炭火力プラントに送って4MWを発電する合計 16MW のガスタービンコンバインドサイクル
発電（GTCC）の実証事業であったが、現在は政府支援の終了に伴い運転が停止されている。また、米国では、石炭火力発電所を新設
図6する場合には、CCSを行わなければ達成困難な水準の二酸化炭素

我が国における水素・燃料電池関連の市場規模予測

出所：水素・燃料電池戦略ロードマップ（経済産業省 , 2014）

排出基準が義務づけられる等、厳しい環境規制が検討されている。
そのため、IGCCとCCSを組み合わせた発電システムが将来的に有望視されている。その一環として、GE 社は、DOE の Advanced
Energy Systems/Hydrogen Turbineプログラムに参画し、水素
ガスタービンの研究開発を行っている。当該プロジェクトでは、2020年頃までに1450℃級、2035 年頃までに1700℃級の水素タービンの開発・実証を予定している。
燃料電池自動車に関する取組は、米国や欧州等で進められてい73

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて既に商品化された家庭用燃料電池の技術や、熱のカスケード利用の

2 -3 産業競争力（諸外国との比較）ために開発が行われている燃料電池コンバインドサイクルの技術を転用することができれば、日本企業が世界に先駆けて実用化できる可（1）主な推進企業・機関等（国内、海外）能性がある。

①製造技術

電解式水素製造技術について、特許庁が 2013（平成 25）年度に水素製造技術の区分、及びそれらの主な推進企業・機関等を表実施した特許出願技術動向調査によると、水電解技術については、1に示す。アルカリ水電解については、日本企業では、旭化成、日立

固体高分子形水電解の分野では日本国籍出願人の出願が最も多く、造船等が技術開発に取り組んでいる。固体高分子形水電解は日本

アルカリ水電解、及び水蒸気電解では欧州国籍出願人の出願が最企業にとって実績のある技術であり、固体高分子形燃料電池の技術も多くなっている（図７〜９）。

を取り入れることで、更なる高性能化と低コスト化を実現できると期待されている。研究開発中の技術である高温水蒸気電解については、

表1

水素製造技術の主な推進企業・機関等

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成 (2015)

38

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて

図7
日米欧中韓への出願におけるアルカリ水電解に関する出願人国籍別の出願件数・比率（出願年（優先権主張年）：2001 〜 2011 年）
出所：平成 25 年度特許出願技術動向調査報告書

電解式水素製造及びその周辺技術 ( 特許庁 , 2014)

図8
日米欧中韓への出願における固体高分子形水電解に関する出願人国籍別の出願件数・比率（出願年（優先権主張年）：2001 〜 2011 年）
出所：平成 25 年度特許出願技術動向調査報告書

電解式水素製造及びその周辺技術（特許庁 , 2014）

図9
日米欧中韓への出願における水蒸気電解に関する出願人国籍別の出願件数・比率（出願年（優先権主張年）：2001 〜 2011 年）
出所：平成 25 年度特許出願技術動向調査報告書

電解式水素製造及びその周辺技術（特許庁 , 2014）93

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて②海上長距離輸送・貯蔵技術ているといえる。

ここでは将来の水素発電需要への供給を想定し、海外から我が特許庁が 2013（平成 25）年度に実施した特許出願技術動向調

国への水素輸入の手段となり得る海上長距離輸送・貯蔵技術につ査によると、水素貯蔵システムのうち、吸蔵水素、圧縮水素、有機ハ

いて記す。表 2は、各技術の区分、及びそれらの主な推進企業・機イドライドに関する特許では、日本国籍出願人の出願件数が最も多関等を示したものである。液化水素、有機ハイドライドによる海外からい。中でも、常温・常圧で水素を輸送できることから注目を集めていの水素の長距離輸送・貯蔵技術については、海外でも商用化の例

る有機ハイドライドの特許においては、日本国籍出願人の比率は特にが無い中で、川崎重工業、千代田化工建設といった日本企業が世高い（図 10）。

界に先行して技術開発を進めており、我が国が技術的優位性をもっ表2

長距離水素輸送・貯蔵技術の主な推進企業・機関等

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成 (2015)

図 10
日米欧中韓への出願における水素貯蔵システムに関する構成別出願人
国籍別の技術区分付与件数（出願年（優先権主張年）：2001 〜 2011 年）
出所：平成 25 年度特許出願技術動向調査報告書

電解式水素製造及びその周辺技術（特許庁 , 2014）310

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水素分野の技術戦略策定に向けて③利用技術
表 3は水素利用技術の区分、及びそれらの主な推進企業・機関等を示したものである。将来の実用化が期待される水素発電については、Enel（イタリア）がＧＥ製ガスタービン（水・蒸気噴射あり）を用いた水素専焼発電の実証実験を行った実績はあるが、国内、海外ともに商用発電を実施している国はない。日本企業においては、川崎重工業、三菱日立パワーシステムズ等が水素リッチガスに対応したガ
スタービンの技術開発を進めている。

表3

水素利用技術の主な推進企業・機関等

出所：NEDO 技術戦略研究センター作成 (2015)113

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けてでは、炭化水素系の燃料を水素に転換するプロセスにおいて、産業

2 -4 水素エネルギー利用の意義

排熱等のもつ熱エネルギーを水素の燃焼熱（化学エネルギー）に変換して利用できることを意味している。このように、産業排熱等の未利（1）エネルギー供給源の多様化に貢献する用エネルギーの有効利用を促進できる点は水素エネルギー利用の大水素は、副生水素、原油随伴ガス、褐炭といった未利用エネル

きな利点となる。

ギーや、再生可能エネルギーを含む多様な一次エネルギー源から製造することができるエネルギー媒体である。しかも、こうした原料となる

2 -5 水素エネルギーの政策的位置づけ

一次エネルギー源を地政学的リスクの低い地域から安価に調達することも検討されていることから、供給安定性（エネルギーセキュリティ）（1）エネルギー基本計画

向上のための手段としての期待が大きい。
また、ガソリンの代替として水素を活用することで、運輸部門におけ2014 年 4月に閣議決定されたエネルギー基本計画には、「 水素る燃料多様化も見込める。

社会 の実現に向けた取組の加速」として、水素は、将来の二次エネルギーの中心的役割を担うことが期待されると記載され、「 水素社（2）環境負荷の低減に貢献する

会 を実現していくためには、水素の製造から貯蔵・輸送、そして利燃料電池、水素燃焼といった利用技術の種類によらず、利用段階で用にいたるサプライチェーン全体を俯瞰した戦略の下、様々な技術的CO 2を排出しないことは水素エネルギー利用の大きな利点である。
このた可能性の中から、安全性、利便性、経済性及び環境性能の高い技

め、CCSを組み合わせた化石燃料改質、又は再生可能エネルギーを術が選び抜かれていくような厚みのある多様な技術開発や低コスト化利用した製造を行った水素を利用する場合には、水素はCO 2 排出量をを推進することが重要である。水素の本格的な利活用に向けては、大幅に削減できる（更には CO 2フリーの）エネルギー媒体となる。

現在の電力供給体制や石油製品供給体制に相当する、社会構造の変化を伴うような大規模な体制整備が必要であり、そのための取（3）エネルギー効率の向上に貢献する

組を戦略的に進める。
」と明記されている。

固体高分子形燃料電池（PEFC）の発電効率は35 〜 60％である（2）水素・燃料電池戦略ロードマップ

が、電気と熱を合わせた総合エネルギー効率は80％を超える。発電と熱回収を組み合わせたシステムによって高効率でのエネルギー利2014 年 6月には、経済産業省資源エネルギー庁が事務局を務め用が可能となる点は、水素エネルギー利用の利点である。

た水素・燃料電池協議会より「水素・燃料電池戦略ロードマップ」
が発表され、水素社会の実現に向けた方向性が示された。その中で（4）エネルギーの有効利用を促進する

は、3つのステップが示されており、最初のステップが燃料電池車の炭化水素系燃料から転換した水素を燃焼させる場合には、原料と普及、次のステップが水素発電の普及、第 3のステップが再生可能なった炭化水素を直接燃焼する場合と比較して最終的に利用可能

エネルギーを活用する水素製造の普及である。

な熱量が大きくなる。これは、炭化水素を直接燃焼させる場合には、（3）
長期エネルギー需給見通し

燃焼過程においてC -H 結合（結合エネルギー：約 100 kcal/mol）を解離させる反応（吸熱反応）が必要になり、燃焼熱の一部が C- H の2015 年 7月に決定された「長期エネルギー需給見通し」では、エ解離エネルギーとして消費されることによるものである。

ネルギー基本計画に示された基本的な方針に従って各分野の取組

炭化水素系燃料の一種であるメタノールは、200℃程度の比較的を進めることが記載されており、省エネルギー技術の一環として、「家

低温の産業排熱を用いた水蒸気改質によって、水素と一酸化炭素、

庭用燃料電池（エネファーム）や燃料電池自動車といった水素関連

又は水素と二酸化炭素への転換が可能であり、転換後の水素を含技術の活用も推進する。
」と明記されている。また、2030 年度以降をむ燃料において利用可能な熱量は原料となったメタノールよりも2 割

見据えて進める取組の一つとして、水素社会の実現に向けた技術開程度高くなる。これは、種々の燃料を水素に転換して利用する社会発・利用を推進することが明記されている。

312

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて

3 水素分野の技術課題

は、PSA（圧力スイング吸着法）等による精製も必要となる。

章②アルカリ水電解
電解液による腐食や隔膜の耐久性向上、従来のアスベスト隔膜の優れた耐久性に代替可能な非アスベスト隔膜（現状の寿命は5年程

3 -1 水素の製造技術

度）の開発、作動温度に起因するエネルギー変換効率の向上、大型化による隔膜製造技術の確立等が必要である。

（1）技術の体系③固体高分子形水電解①化石燃料改質

白金等の貴金属使用量低減や貴金属レス化等が課題である。

④高温水蒸気電解炭化水素系の燃料を高温（800℃）で水蒸気と反応させることでCO 2と水素を製造する水蒸気改質や、燃料に空気を混合して燃焼さ

セル材料の耐久性向上や低コスト化、高効率化、大型化等が課題

せ、水素と一酸化炭素を生成する部分酸化改質等がある。

である。

②アルカリ水電解【以下将来技術】⑤Ｉ
Ｓプロセス

水酸化カリウム水溶液を電気分解して水素と酸素を製造する。簡単な装置構成で、古くから実用化されており、大規模な商用プラント

900℃程度の熱源での水素製造が可能と期待されているが、機能の実績がある。加圧システムの開発も進んでいる。

性材料等の技術進歩により、近い将来に600℃台まで低下する可能③固体高分子形水電解性も示されており、米国では、ヨウ素（I）、硫黄（S）以外の物質につ固体高分子膜を利用した電解セルで水を電気分解することによっいてのスクリーニングが始められているが、要素技術開発の段階にあて水素を製造する。小型化が可能であり、腐食の問題がない。触媒り、実用化には多くの技術開発課題がある。

に白金などの貴金属を用いる必要があることから、コストが高くなる。

⑥バイオマス利用④高温水蒸気電解原料の収集コストの低コスト化が必要である。また、バイオマスの物

セラミックスなどを用いた高温電解セルを利用し、約 700℃の高温

量そのものの制約があるため、原料の安定供給の確立も課題である。

水蒸気を電気分解して水素を製造する。研究開発段階であるが、熱（3）利用形態と技術の将来見通しから見る水素製造方法を併せて利用可能な唯一の水電解方式である。

の選択【以下将来技術】⑤ ISプロセス

上記のように水素製造方法は複数存在し、それぞれに特徴がある

水を熱により直接水素と酸素に分解しようとすると4000℃以上の超ことから、最終的な水素の用途等によって、異なった製造方法が選択

高温が必要となるが、ヨウ素（I）と硫黄（S）の化合物を用いたＩ
Ｓプロ

されると想定される。

セスでは、複数の化学反応を組み合わせることにより、1000℃以下で①化石燃料改質の熱分解による水素製造が可能である。

水電解による水素製造と比較して大型化が可能な既存技術であり、⑥バイオマス利用

安価な水素を大量に安定的に必要とする水素発電には、化石燃料改下水処理場で発生する下水汚泥や生ゴミ、木質ペレット等から水質によって製造された水素が利用されると思われる。将来的にＣＯ2 制素を製造する。生成方法としては、メタンを介して水素を製造する方約が大きくなった場合には、CCS 等との組み合わせが必要となる。

法や、発酵により直接水素を得る方法がある。

②アルカリ水電解実用化の実績もあるとともに、固体高分子形水電解に比べて大型（2）技術課題化が望める。

①化石燃料改質③固体高分子形水電解

実用段階（国内で多数導入済み）である。ただし、発生する水素

アルカリ水電解と比較して発電効率が高いが、大型化に向かない

は、95 〜 97％の純度のため、燃料電池や産業用途に用いるためにため、オンサイト水素ステーション等に設置し、燃料電池自動車への13

3

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて水素供給に適用することが考えられる。

ることに加え、常温・常圧での輸送・貯蔵が可能であることから、既④高温水蒸気電解存の輸送・貯蔵手段にそのまま応用可能であるという利点を有する。

実用化すれば、アルカリ水電解、固体高分子形水電解と比較して水【以下将来技術】

素製造原単位が最も低くなる。高温水蒸気電解では高温（約 700℃）⑤アンモニアの熱を必要とするため、これにSOFCの排熱を利用し、かつ製造した

水素と空気中の窒素を高温・高圧下で反応させるハーバー・ボッ

水素をSOFCの燃料として利用する方法等が検討されている。

シュ法にて合成したアンモニアを輸送・貯蔵し、需要地での脱水素反応により水素を利用する。なお、脱水素反応を介さない、アンモニ（4）各製造方法のコスト比較

アの直接燃焼に関する技術開発も行われている。

⑥水素吸蔵合金

水素の製造コストに一番影響を与えるのは、それぞれの原料価格であり、化石燃料改質であれば、原料となる化石燃料価格によって、体積あたりでは最も多くの水素を貯蔵することが可能な技術の一

水素のコストが決まる。さらに、CCS 等を組み合わせる場合には、それつである。ただし、合金自体の重量があるため、現段階での輸送用らのコストも加味する必要がある。

途への適用は限定的である。

また、水電解方式で比較した場合、水素製造原単位が一番小さくなる可能性のある高温水蒸気電解が実用化すれば、水素製造コスト（2）技術課題が最も安価となるが、原料となる電力コスト（CO 2フリー電力を原料と①高圧水素する場合には、CCS 等のコストを含む）及び高温熱源のコストが全体

水素圧縮機や高圧で貯蔵するタンク等の低コスト化、圧縮動力削のコストを左右する。それゆえ、例えば、系統に戻入できない安価な減による所要電力の省エネルギー化が必要である。

余剰再生可能エネルギー電力等を使用すれば、低コストに水素を製②パイプライン造することが可能となる。

水素パイプラインの設計、施工、維持管理に係る安全確保に向けた諸対応が必要である。

水素の輸送・貯蔵技術
3 -2 （国内輸送、海外からの水素輸入含む）③液化水素（1）技術の体系の技術開発などにより、これを減少させることが課題である。また、水①高圧水素

素液化機の損失は現状で約 30％とされており、液化効率の向上が一定の割合で気化（ボイルオフ）するため、輸送・貯蔵用の容器

既に実用化されており、国内での水素流通に最も活用されている。

期待される。

②パイプライン④有機ハイドライド

コンビナート等における産業用水素の輸送手段として用いられてお脱水素時に高温（400℃程度）の熱を要することから、需要地でのり、海外でも大規模かつ長距離の産業用水素輸送が行われている。

熱源の確保が必要である。また、反応器の大型化に向けた技術開③液化水素

発や、水素キャリアとしての利用を想定した各種規制についての対応

水素を−253℃まで冷却することにより液化させ、輸送・貯蔵を行う。

が必要である。

気体の状態と比較して体積が約 800 分の1となるため、液化水素の【以下将来技術】

形で輸送・貯蔵すると、気体水素に比べて輸送効率が高くなる。国⑤アンモニア内では既に産業用途向けのタンクローリー輸送として実用化されていアンモニアは既に肥料として流通しており、取扱方法は既に法令にる。

より定められているが、強アルカリ性で刺激臭の強い物質であること④有機ハイドライド

から、住民の安全性確保や理解の浸透が課題である。また、アンモ

水素をトルエンと反応させ、メチルシクロヘキサン（MCH）として輸ニア製造に当たっては、外部からの熱源、圧力が必要となりコストが送・貯蔵し、需要地での脱水素反応により水素を取り出して利用する。

増加するため、低コストのアンモニア合成方法の開発、水素を取り出常圧の水素気体に比べて約 500 分の1の体積にて輸送が可能となすためのアンモニア分解を容易とする手法の開発が必要である。

314

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて⑥水素吸蔵合金③燃料電池自動車

重量あたりの水素貯蔵量をより多くすることが課題である。

燃料電池で発電した電力を利用したモータ駆動の自動車であり、走行中は水しか排出しない。既存のガソリン車と同程度の機能を持（3）利用形態と技術の将来見通しから見る水素輸送・

ち、実用化水準を達成した。2014年 12月より販売が開始されている。

貯蔵方法の選択④水素ステーション【国内輸送】

圧縮機、高圧蓄圧機、プレクーラー、ディスペンサ等の機器から構①高圧水素・液化水素

成され、70MPaシステムにおいては、燃料電池自動車への水素充填

当面、国内の水素製造プラントからオフサイト水素ステーションへの（5kg）を約 3 分間で完了する。

⑤水素発電

水素供給については、高圧水素又は液化水素によって行われると考えられる。

水素を燃料として燃焼させ、タービンにより動力を得て発電機により②パイプライン発電する。コンバインドサイクルであれば、水素純度は燃料電池自動近傍の製鉄所等で生じる副生水素をオフサイト水素ステーションや

車用（一般に、99.99 vol % 以上）ほど高い必要は無い。水素に加え定置用燃料電池に供給するなど、水素源からの距離と需要の関係て天然ガス等の他燃料を使用する混焼発電と、水素のみを燃焼するに応じて、パイプラインで水素を輸送するケースも考えられる。

水素専焼発電の両方が考えられる。

【長距離輸送】（2）技術課題③液化水素、④有機ハイドライド①定置用燃料電池（家庭用）

現在、水素の輸送に使われている高圧水素よりも高密度に効率よく輸送可能なため、（2）に記した技術課題等が克服されれば、選択

燃料電池本体及び周辺機器の低コスト化、耐久性の向上を図る

される方法と考えられる。特にエネルギー損失の大きい水素液化（液必要がある。

化水素の場合）や脱水素（有機ハイドライドの場合）の部分でどれだ②定置用燃料電池（業務・産業用）

け高効率化、低コスト化できるかが鍵となる。

早期実用化に向けた実証が必要である。

③燃料電池自動車

3 -3 水素の利用技術初期段階では電解質膜のコストが、普及段階では触媒やセパレー
タのコストが、それぞれ大きな割合を占めると想定されており、量産化（1）技術の体系後を見通しつつ、これらの部材を中心に低コスト化を進めることが必

水素の利用方法には、燃料電池のように水素の有する化学エネル

要である。

④水素ステーション

ギーを直接利用する方法と、タービン、エンジン等の水素の燃焼による方法がある。

圧縮機、高圧蓄圧機、プレクーラー、ディスペンサ等それぞれの低①定置用燃料電池（家庭用）

コスト化に向けた開発や低コスト材料を使用できるようにするための都市ガス、ＬＰガスから取り出した水素と、空気中の酸素を化学

データ取得等、コスト低減に資する技術開発が必要である。

⑤水素発電

反応させて電気と熱を発生させるコジェネレーションシステムである。
2009 年に実用化されており、固体高分子形（PEFC）と固体酸化物

水素は天然ガス等の既存の燃料に比べると、体積あたりの発熱量

形（SOFC）の2 種類が現在発売されている。1 機あたりの定格電力が低く燃焼速度が速い、断熱火炎温度が高い等の特性を持つため、出力は、0.7 〜 1kW 程度である。

燃焼制御、材料の高温耐性等の課題を解決する必要がある。また、②定置用燃料電池（業務・産業用）

断熱火炎温度が高いことから一般にNOx 発生量が多いため、これ

数 kW 〜数百 kW 規模の燃料電池であり、我が国では1998年にリを低減させるための燃焼技術開発、及びガスタービンの高効率化を

ン酸形燃料電池（PAFC）が業務・産業用として初めて商用化された。

図るための技術開発が必要である。

より発電効率が高い SOFCについて、技術開発が進められている。

153

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて水素発電における各輸送・貯蔵方法の3 -4 コスト比較

評価の結果、水素の製造及び輸送・貯蔵過程で液化水素 29.6％、メタノール38.4％、アンモニア31.3％のエネルギー損失（表 4）が見込

1993 年にNEDO で開始された水素利用国際クリーンエネルギー

まれ、CIFコストは液化水素32.2円 /Ｎｍ3、メタノール（CO 2 回収なし）

システム技術（WE-NET）計画のサブタスク3「全体システム概念設

21.9円 /Ｎｍ3、アンモニア27.3円 /Ｎｍ3となった。また、水素燃焼ター計」において、水素燃焼タービンへの燃料輸送手段として液化水素、ビンでの発電コストは、液化水素 32.6円 /kWh、メタノール（CO 2 回

メタノール、アンモニアを用いる各ケースについてシステム設計を行収あり）30.8円 /kWh、メタノール（CO 2 回収なし）24.7円 /kWh、アい、エネルギーバランス及び水素燃焼タービン発電コストを指標とする

ンモニア32.9円 /kWhとなった（表 5）。

経済性評価を行った。また、計画においては、海外で水力発電を行

現在、NEDOにおいて、液化水素、有機ハイドライド、メタン、アンい、その電力を固体高分子形水電解によって水素に変換した後に、モニア等を対象として、水素の製造、輸送・貯蔵利活用に渡る一連

需要地に輸送・貯蔵し、最終的に水素燃焼タービンにより電力を再のバリューチェーンを想定した導入シナリオを検討しており、コスト分

生・利用するシステム（図 11）が想定された。前提条件は、輸送距析等を実施している。WE-NETプロジェクト実施当時よりも技術が進離 5000km、水素燃焼タービン容量 100MW、水力発電電力価格 2

展していることから、WE-NET の検討結果については再度精査する

円 /kWhとした。

必要があると考えられる。

水素ガス⇨
エネルギー
輸送媒体

水素製造

貯蔵
（製造地）

海上輸送

貯蔵
（利用地）

エネルギー
輸送媒体⇨
水素ガス

水素利用

液体水素
貯蔵タンク

液体水素
輸送タンカー

液体水素
貯蔵タンク

液体水素
気化

水素燃焼
タービン

液体水素輸送・貯蔵システム
水力
発電

固体高分子
水電解

水素液化

空気

酸素製造

メタノール輸送・貯蔵システム
水力
発電

固体高分子
水電解

メタノール
合成

石炭

石炭ガス化

メタノール
貯蔵タンク

メタノール
輸送タンカー

メタノール
貯蔵タンク

メタノール
改質

空気

水素燃焼
タービン
酸素製造

アンモニア輸送・貯蔵システム
水力
発電

固体高分子
水電解

アンモニア
合成

空気

窒素製造

図 11

アンモニア
貯蔵タンク

アンモニア
輸送タンカー

アンモニア
貯蔵タンク

空気

液化水素、メタノール、アンモニアシステムの構成

出所：WE-NET 水素エネルギーシンポジウム講演予稿集（NEDO,1999）

3

アンモニア
分解

16

水素燃焼
タービン
酸素製造

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けて

表4

エネルギー収支の比較

出所：WE-NET 水素エネルギーシンポジウム講演予稿集（NEDO, 1999）

表5

WE-NET システム発電コスト比較

出所：WE-NET 水素エネルギーシンポジウム講演予稿集（NEDO, 1999）

173

技術戦略研究センターレポート

水素分野の技術戦略策定に向けてる。また、拡大した水素需要に対応するため、液化水素や有機ハイド

4 おわりに章

ライド等による長距離大量輸送を可能とすることが望まれる。更に、水素の製造に関しては、上述のように、将来的には化石燃料由来ではない CO 2フリー水素を製造する必要がある。CO 2フリー水素の製造

水素は様々なエネルギー源から製造可能な二次エネルギー媒体

方法としては、水電解による製造が中心になると見通され、その大型であり、利用方法は水素のままの燃料電池への使用の他、発電・熱化に向けた技術開発や、効率向上に向けた技術開発が期待される。

利用など多様であるとともに、再生可能エネルギー由来の電力、又はまた、個々の技術開発だけでなく、サプライチェーンの構築と実証が

CCSと組み合わせた化石燃料から製造する場合に､ CO 2を排出しな重要であり、全体システムの効率化、経済性の向上等によって水素い製造、利用が可能である。また、長距離輸送・貯蔵も技術的には社会の実現を目指すことが望まれる。

可能であり、さらに、余剰電力を水素に変換して長期間・多量に貯※ 6：「コスト等検証委員会報告書」( 2011) に記載されている LNG 火力の計算方式( 発電効率 57％など ) を用いた場合、発電コストは 17 円 /kWh 程度となる。

蔵することもできる。
水素利用技術の面では、現在まで、水素の用途には主に家庭用の燃料電池や燃料電池自動車が実現しているが、これらに必要な水素の需要総量は、化石燃料改質によって得られる水素や、石油精製、製鉄等の製造プロセスから生じる副生水素で賄える程度と見込まれる。将来の水素需要の拡大には、水素発電の実用化が不可欠である。発電用に水素需要が拡大すると、国内の水素需要量も飛躍的に増大する。その場合、国内だけでなく、海外の低質石炭や海外の再生可能エネルギーや副生水素活用による水素供給が重要になる。さらに、CO 2フリー水素を経済性がある状態で多量に安定して製造することも重要となる。また、水素を利用することは、エネルギーセ
キュリティの向上、環境負荷低減、エネルギーの有効利用に貢献するという点で重要であり、水素社会の構築は大きな目標となる。
ただし、燃料電池自動車や水素発電等の水素利用技術が普及するためには、競合する技術に対して優位性を持つ必要がある。経済産業省の「水素・燃料電池戦略ロードマップ」では、燃料電池自動車用の水素価格について、2020 年頃にハイブリッド車の燃料代と同等以下となること、水素発電用の水素コストについて、2020 年代後半にCIFコスト30円 /Nm3 程度※ 6 を下回ることを目指すとしている。
これらを達成するためには、社会構造の変化を伴うような大規模な体制整備と長期の継続的な技術開発の取組が求められる。水素分野
における我が国の技術開発は、これまで家庭用及び車載用の燃料電池を重点的に進められ、実用化段階に達するとともに世界における競争優位の確立といった一定の成果を挙げており、水素社会の実現に対する期待が増大している。
水素社会の実現においては、現在利用されている家庭用燃料電
池や燃料電池自動車の他にバス、トラック、フォークリフト、水素発電

本資料は技術戦略研究センターの解釈によるものです。掲載されているコンテンツの無等に水素利用範囲を拡げ、水素需要を拡大していくことが重要であ

明記願います。

3

断複製、転送、改変、修正、追加などの行為を禁止します。引用を行う際は、必ず出典を18