水素社会について
国の計画とと実現性
大築康生

目次
１．水素社会プロジェクト
２．水素の基本性質
３．水素の製造法
４．水素の保管・輸送法
５．水素の利用法
６．経済性・実現性
７．結言１．水素社会プロジェクト
政府のプロジェクトの経緯
・2014年4月：第4次エネルギー基本計画で「水素社会実現に向けたロードマップの策定と産学官協議会の推進」を記載。
・2014年6月：水素・燃料電池戦略協議会で「水素・燃料電池戦略ロードマップ」取りまとめ。
・2017年12月：「再生可能エネルギー・水素等関係閣僚会議」で「水素基本戦略」を策定。水素をカーボンフリーなエネルギーの新たな選択として提示。
・2018年7月：第5次エネルギー基本計画で「水素を再生可能エネルギーと並ぶ新たなエネルギーの選択肢」と規定。水素の調達・供給コストを従来エネルギー水準まで低減を目標。
目標：現在100円/Nm3を‘30に30円/Nm3 、将来20円/Nm3 ！
＊参考：2017年天然ガス輸入価格 16円/Nm3（水素熱量等価換算）

水素基本戦略のシナリオ

出典：経済産業省 資源エネルギー庁

プロジェクトの現状

出典：②水素社会実現に向けた経済産業省の取り組み（2020年2月）

国際水素サプライチェーン構築

出典②

出典②

出典②

出典②

出典②

２．水素の基本特性• 原子番号：1 通常H2として存在• 重量：89ｇ/Nm3 （0℃、0.1MPa）• 融点：-259.2℃
液化して体積は1/800• 沸点：-252.9℃• 蒸発熱：0.9ｋJ/mol• 熱容量：28.8J/mol.K• 高発熱量：141.8MJ/kg ＊メタン：55.5、プロパン：50.35
ガソリン：47.3• 燃焼濃度：10～75vol％ ＊メタン：5.3～10、プロパン：2.1～10
他のガスより引火しやすい• その他：微小分子による漏れやすさ、金属脆化性

３．水素の製造法（１）電気分解法：電気エネルギーで水を水素と酸素に分解する。
・再生エネルギーによる製造ならCO2フリー。
・ 1Nm3製造に理論値で3.6ｋWh必要（現実は5～6ｋWh）。
・水素製造の効率向上、大規模化への対応、再エネの負荷変動への対応などが今後の課題。アルカリ水分解法などが研究中（２）水蒸気改質法：LNG等の化石燃料（主成分メタン）と水蒸気を高温環境下（900～1000℃）で触媒のもとで反応させる。既存技術で比較的経済性あり。
① CH4+H2O→３H2+CO② CO+ H2O→H2+CO2①と②を合わせて CH4+2 H2O→4 H2+CO2生成される二酸化炭素（約1kg/Nm3）の処理（CCS：通常地中貯留）が必要となる。

（３）熱分解法：直接熱分解、熱化学分解法①高温ガス炉型原子炉の冷却液（ヘリウム）を使用して水を直接分解し、水素を得る。高温ガス炉
は冷却材がヘリウムで不活性、かつ減速材はグラファイト（黒鉛）で安全性が高いと言われる。一方、大型化が困難（現状の発電規模は30万ｋW程度）での経済性、および（原発共通としての）使用済み燃料処理の課題あり。

結局は地球に食わす核のゴミ（毎日新聞川柳欄）

出典①

②ISシステム：高温環境下で水をヨウ素サイクルと硫黄サイクルで回し、水素と酸素を生成する。
高温ガス炉での生成が現状の計画だが、太陽熱を利用する研究が進行中。

出典：水素社会の実現に向けた方向性／様々な水素製造方法の比較検討（東京農工大2014）

（４）副生水素：苛性ソーダ（NaOH)やコークス製造の過程で副産物としての水素生成
右は製鉄所のコークス炉から発生する水素を抽出する例。
広く実用されており、その大部分を所内で消化している。本格的水素需要には対応できない。
生成される二酸化炭素は約1kg/Nm3

H2

出典⑦

４．水素の保管・輸送法（１）保管法• 気体方式：体積効率を上げるため、20～70MPaに圧縮して保管
圧力容器の軽量化、ガス漏れ対策、脆性対策等の課題• 液化方式：融点以下に冷却して800分の1に体積圧縮容器の小型化・軽量化、低温脆性、断熱技術、気化ガスの処理等の課題• 水素吸着方式：水素吸着性物質に吸着して保管
常温・常圧的保存性。吸着効率、吸着材の重量等の課題• 化合物方式：水素を含む化合物に生成して使用時に水素を分離常温・常圧的保存性。水素化号と分離の処理が必要

（２）輸送法

出典：水素の製造、輸送・貯蔵について （資源・エネ庁 2014年）

出典④

出典④

出典④

＊水素貯蔵合金：金属組織の空間に水素を貯蔵するタイプと、水素との化合物として貯蔵するタイプがある。
・利用例：Ti、Mn、Ni等の遷移元素。希土類、Ai,ジルコニウム等。
バナジウム、Mg、Ca等の合金。
・利点：高い充填率。放出が温和で事故の可能性低い。
・欠点：バナジウム、Mg系以外は大重量。吸蔵と放出の過程での熱反応、水素脆化、合金材料の高価格など。
・作動温度：Mg系の250～350℃を除き、0～100℃
・有効水素吸蔵量（合金に対する重量パーセント）：Mg系約3、V系1.8～3.0、その他1.0～1.7
試算：ガソリン19L相当の水素5kgを吸着する合金の容器重量は200～600kg

（３）水素ステーション（HS)
気体または液体水素を貯蔵、調圧してディスペンサーを通してFCVやFCBusに供給する。

出典⑪

５．水素の最終利用形態（１）燃料電池：各種電池の比較 出典：日本電機工業会
種類

アルカリ型
（AFC)

固体高分子型（PEFC)

リン酸型（PAFC)

溶融炭酸塩型（MCFC)

個体酸化物型（SOFC)

電解質

水酸化カリウム水溶液

陽イオン交換膜

リン酸

リチウム・カリウム炭酸塩

セラミック

作動温度

50～150℃

80～120℃

190～200℃

600～700℃

600～1000℃

使用可能燃料純水素

都市ガス、LPガス、石油、メタノール、石炭ガス、純水素等

主な用途

宇宙開発等特殊用途

小型家庭用、 産業・業務用、 産業・業務用、 小型家庭用、携帯・可搬用、 大規模事業用、 大規模事業用、 産業・業務用、車載用
非常電源用
非常電源用
可搬用、大規
模事業用

発電効率

70％

33～44％

39～46％

44～66％

44～72％

（２）民生分野：エネファーム• 都市ガスなどを改質して水素を製造し、燃料電池として作用させ、発生した電気と熱を使用する。
• 現在は家庭用として実用化。
• 電気は自家消化と売電、熱は温水製造と両方利用するメリット。
• 太陽光発電などより高能率。
• 価格は200万円以上だが補助金（数万円、燃料電池の形式によって異なる）がある。
・短寿命（約10年）や保守費用のディメリットあり。
出典⑽（３）発電分野：ガスタービン• 水素のみでの燃焼（専焼）型と従来燃料に混ぜる混焼型がある。
• 神戸で混焼および1MW級の専焼タービンの実績あり。
• 利点：水素燃焼でタービンの高温・高圧化⇒熱効率の向上• 課題：燃焼器やタービンの耐熱性。NO2対策。水素燃焼時の逆火対策等。
• 石炭をガス化して燃焼させタービンを回して発電するとともに、単に燃焼で終了するのではなく、排熱でボイラーを回して発電する高効率のコンバ
インドサイクルも開発されている（IGCC：石炭ガス化複合発電）。

①水素専焼型（混焼型は他の燃料と混ぜて投入か別個に投入）

出典⑫

②IGCC（Integrated coal Gasification combined Cycle 石炭ガス化混合発電 ）

出典⑨

６．経済性・実用性• 水素は2次（3次）エネルギーという本質的な弱点がある。
• その上、利用法による変換効率のロスが発生。
右図は交流電源から水素を発生させて燃料電池に変換し燃料電池車を駆動した場合と、交流電源で電気自動車を駆動した場合の効率の比較。

出典：Ulf Bossel 2005

FCV（燃料電池自動車）の効率と経済性• 電力からEV（電気自動車）への変換はEVステーションでの交流－直流変換のみで、その効率は約70％• 電力からFCVへの変換は電気-水素変換から輸送、燃料電池の発電と多段に渡り、その効率は20％程度となる。
• FCVの価格は現在約700万円で国産の高級車並み（補助は最大225万円）。
• HS（水素ステーション）の設置費は約5億円で現在のガソリンスタンドの約6～8倍。EV向けの給電ステーションは急速充電で約1千万円。
• EVの短所である充電時間と航続距離以外はFCVのメリットは少ない。
• 路線バスやフォークリフトのような移動経路や領域が確定しているものは電池交換方式で充電時間の短所を解決可能

＊FCV：例えばタンク容量• エンジン車と同等の航続距離を持つ条件• 同じ熱量を発生するタンク容量（熱発生から動力伝達までの効率を等しいと仮定）①発熱量からの比較：ガソリン47.3MJ/kg、水素141.8MJ/kg⇒47.3/141.8≒1/3の重量で良い。
②容量換算：ガソリン比重0.75から1.33L/kg。水素比重0.089kg/Nm3⇒11236L/kg（気体）⇒14L/kg（液体）③必要容量：14/3≒4.7倍の容量が必要

実際には断熱材等の材料が追加要素としてある。

水素製造コスト• 大量の自家製造・消費の場合は約10円/Nm3、容器で外販の場合は100～200円/Nm3とされている。
• 一般に、副生水素は安いと言われるが、自己消費が大半であり、大量消費の時代には対応できない。
• 種々のコスト計算例があるが、相当のばらつきがある。
• 計算の前提条件など明確でなく、開発中の技術による希望的な数値の表記もあるようで、参考程度に考えた方がよさそう。
• 因みに国の目標値30円/Nm3は、同じ走行距離を得るガソリン1L分の容積相当では、0.75/３＝0.25kg⇒250ｇ/（89g/Nm3）＝2.81Nm3⇒84円 となり、ガソリン1Lの値段と競争できる。

コストの比較表その１

コストの比較表その２• 出典：NEDO WE-NET第Ⅱ期研究開発タスク1「システム評価に対する調査・研究」平成12年度成果報告書

結言• 全体的に、盛んに研究開発が行われているが、水素社会が低コストで大規模に稼働するレベルには到達していない。
• 水素自体はクリーンでも、製造時や各反応時に炭素を排出する方式ではトータルシステムとして問題。その処理コストが足される。
• 高圧気体や超低温液体での保管や運搬および漏れによる爆発対策等でもコストがかかる。
• 水素の利用は高コストを覚悟し、必要性の高い分野に限るべき。
• 純水素でなくともCO2の発生を軽減できるシステムは採用可能。
• 再生エネルギーによる水素製造が望ましいが、生産性・経済性に課題。
• 再生エネルギー発電の平準化に利用するのは選択肢として可能。
• 高温ガス炉の水分解方式は、原発事故のリスクから採用を避けるべき。
• 移動手段としてはFCVよりEVを優先すべし。

参考資料①「水素社会」はなぜ問題か 小澤祥司 岩波ブックレット931②水素社会実現に向けた経済産業省の取組
2020年2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31年3月12日④水素の製造、輸送・貯蔵について
資源エネルギー庁燃料電池推進室 平成26年４月14日⑤平成30年度 水素輸送・貯蔵研究会 報告書（財）エンジニアリング協会 2019年8月⑥ 水素社会の実現に向けた方向性/ 様々な水素製造方法の比較検討 東京農工大学 亀山秀雄 2014年⑦NIPPON STEEL MONTHLY 2004。1-2⑧NEDO WE-NET第Ⅱ期「システム評価に関する調査研究平成12年度成果報告書」 2001.3⑨TECH MAP 第183回 進化する石炭火力発電 ～環境にやさしいIGCC、IGFC～｜テクの雑学｜TDK Techno Magazine⑽（社）日本ガス協会HP⑪ 充電スポット／水素ステーション ｜ クリーンエネルギー自動車AtoZ (cev-pc.or.jp)⑫

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