第52回研究会（２）

水素利用
有利な手段なのか？
縮小社会研究会 理事 尾﨑雄三
2021年４月１１日
1水素社会

経産省研究開発課

水素利用の意義（１） 燃焼しても炭酸ガスを排出しない「脱炭素社会」に適合，地球温暖化防止（２） エネルギーキャリア（エネルギーの貯蔵・輸送材）
・電力変換して貯蔵，搬送可能・・・電力輸送⇒送電線のみ
燃料電池（FC）で電力変換

・燃料利用（燃焼発熱量が大）
水素発電，コージェネ（３） 化学工業の原料
水素製鉄（還元剤），炭酸ガスと反応させてメタノール，メタンなど製造（４） 水素元素は地球上に大量に存在

水素資源の循環
エネルギー

酸素水
（H2O）

エネルギー

水素廃棄物

（H2）

石炭・天然ガス→CO2

化学反応の留意事項
１． 副反応が起こる。
２． 活性化エネルギーが必要である。
活性化エネルギー： Ea
３．反応工程ごとに加熱または冷却が必要である。
４．反応原料，生成物の精製が必要であり，廃棄物が発生する。

◆2，3，4 → エネルギーを消費日本のエネルギー消費の実状
2018年（NEDO）
一次エネルギー消費量
最終エネルギー消費量

19,700 PJ （自給率 8.4％）
12,100 PJ

水素の将来目標
1,000万トン＋α
水素の熱量 141.8 MJ/kg 1,000万トン→1,418 PJ・・・11.7%
政府の「グリーン成長戦略」（朝日新聞2021年2月9日）
2050年の電源構成
水素とアンモニア発電 10％
参考： PJ＝1015 J ＝109 MJ

1 MJ＝0.28 kWh

水の電気分解による水素の製造方法（１）① アルカリ水電解法
70～80℃で水素製造
アルカリ：水酸化ナトリウム
水酸化カリウム隔膜使用（改良法） フッ素樹脂など② 固体高分子形電解法
高分子→イオン交換膜
スルホン酸基保有フッ素系樹脂
高温ほど高効率・・・80－150℃①より格段に効率が良い

NEDO， 水素エネルギー白書より

水の電気分解による水素の製造方法（２）③ 高温水蒸気電解法
水蒸気温度：700～1000℃（高温ガス炉想定？）
セル： O2-導電性の固体酸化物形電解セル
セル構成材料

外筒
内筒

YSZ

固体酸化物
電解質（イットリア安定型ジルコニア）など
電解セル

松本（九州大）「水素製造システム」より

電気分解法水素製造のエネルギー効率
種類

アルカリ水電解法

温 度60-80 ℃

効率

73-76%
松本（九州大）アルカリ水電解法（隔膜法）

60-80 ℃

70-80%

80℃

約90%

固体高分子形水電解法

橋崎

120℃

高温水蒸気電解法

700-1000℃（高温ガス炉）94%75%

松本（九州大）93-95%

嘉藤（JST）

開発段階の水素製造方法① 太陽光+光触媒による水分解a)硫化銅/硫化Cd触媒（京大化研他）
赤外線（太陽光エネルギーの46％）利用・・・800～2400nm利用可能
波長1100nm赤外線で外部量子効率 3.8％b)ニオブ系窒化物触媒（パナソニック）
試作品の屋根取り付け実証実験c)ガリウム‐亜鉛（Ga・Zn）光触媒（東大）② 微生物利用「バイオ水素」
光合成細菌，嫌気性細菌，シアノバクテリアなど使用
・・・バイオマスを分解して水素を発生→研究段階 効率が低い

NEDO 水素エネルギー白書より

水素の分類
グレー水素
化石燃料を使用して製造した水素・・・炭酸ガス（CO２）発生

ブルー水素
化石燃料を使用するが，発生するCO2にCCSを行った水素

グリーン水素CO ２を排出しない水素
水の電気分解 電力源・・・水力発電，太陽光発電，風力発電
太陽光＋光触媒，微生物利用？ 水の熱分解法（IS法）水素 熱源は高温ガス炉→放射性廃棄物
バイオマス，下水由来水素・・・ CO ２は発生するが自然循環量

水素の分類（2）
水電気分解法による水素電力源 火力発電（石炭，天然ガス）
CCS併用の場合 → ブルー水素
CCSなし・炭酸ガス大気放出→グレー水素
再生可能エネルギー
グリーン水素
天然ガス水蒸気改質法による水素
石炭部分酸化法・シフト反応による水素
CCS併用の場合 → ブルー水素
CCSなし・炭酸ガス大気放出→グレー水素

石炭，天然ガスからの水素製造
天然ガス水蒸気改質法
反応温度： 約1000℃
触媒： ニッケル系
エネルギーロス： 10～20％
石炭部分酸化法・シフト反応
部分酸化反応温度： 約1300℃
シフト反応温度・触媒
150～230℃ 銅・亜鉛系触媒，白金/アルミナ系触媒
350～450℃ 鉄・クロム系触媒エネルギーロス: 水蒸気改質法より大CCS（１）炭酸ガス回収・貯留
CCS Carbon dioxide Capture and Storage
工程① ガス中のCO２の分離・回収② CO ２の輸送③ 圧入・貯留
貯留場所 深さ1000ｍ以上
・遮蔽層（キャップロック層）があること
・遮蔽層の下に貯留層があること（国立環境研究所）
貯留層：帯水層（水または海水で飽和），石炭層，枯渇油・ガス層など
問題点① CO ２再漏出の恐れ② 適地は多くない（日本）③ エネルギー消費・・・石炭火力発電→発電量の約30％消費CCS（２）
＜分離法＞
化学吸収法
物理吸収法

膜分離法
物理吸着法
深冷分離法

CO2は酸性・・・アルカリ（アミン，炭酸カリなど）液に吸収して分離させる。
吸収液からのCO2の分離には加熱（110～140℃）が必要
高圧下でCO2を大量に吸収できる液体（PEG ジメチルエーテル等）に接触，吸収させる。
吸収液からのCO2の分離は減圧（加熱）が必要
多孔質気体分離膜により分離する。
孔径による篩効果または拡散速度の相違により分離活性炭やゼオライトなどの多孔性吸着剤により，物理化学的に吸着させる。
吸着されたCO2は減圧，加熱により脱着，分離排ガスを圧縮，冷却し，蒸留操作により分離する。

＜分離段階＞
Post-combustion方式：石炭等を燃焼させた排ガスからCO2除去・・・化学吸収法
Pre-combustion 方式：約1,300℃，5.7MPaで石炭をガス化，洗浄・水成ガスシフト反応後，脱硫（硫化水素）・脱炭酸ガス処理を行う ・・・物理吸収法

水素キャリヤー（１）FCV用水素 国際規格（2012年）

水素キャリヤー
水素密度bp（kg/m3） （℃）
液体水素

71-253

冷却必要

圧縮水素（35MPa）23－

圧縮水素（70MPa）

40－

アンモニア

121-33.4

分解必要，悪臭あり

メチルシクロヘキサン

47101

分解必要

注）アンモニアは燃料としても使用可能→「エネルギーキャリヤー」（参考）
アンモニア NH3メチルシクロヘキサン（MCH）

C7H13

水素キャリヤー（２） アンモニア
3H2（水素） ＋ N2（窒素） ←→ 2NH3（アンモニア）

水素からアンモニア合成
ハーバー・ボッシュ（HB）法
触媒：酸化鉄 400～600℃，200～1000気圧
改良HB法 触媒：窒素分子架橋二核モリブデン錯体・・・常温，常圧で合成可能
触媒：12CaO・7Al2O3＋Ru・・・300℃以下，30~50気圧

アンモニアから水素生成
ルテニウム系触媒（Ru/MgO：Ru 3 wt％）
NH3 1000ppm以下→550℃以上必要・・・反応熱で加熱不要

水素キャリヤーとしてのアンモニア
アンモニアの問題① 原料として純窒素必要
空気から深冷分離法で製造② エネルギー効率：アンモニア １トン当たり消費→製造時消費エネルギー（HB法）：26～30 GJ
回収 ・回収水素量 176kg/ton NH3 ⇒得られる燃焼熱 25 GJ
・直接燃焼 ⇒得られる熱量

22 GJ/ton NH3③ 燃料として使用→直接燃焼時にはNOｘ（主としてNO）発生⇒除去必要（排煙脱硝）・・・アンモニア＋エネルギー消費
燃焼・熱回収：
4NH3 ＋ 5 O2
→ 4 NO ＋ 6 H2O
排ガスNOｘ除去： 4NO ＋ 4NH3 ＋ O2 → 4N2 ＋ 6H2O
◆エネルギー収支はマイナス・・・水素の圧縮・液化輸送ロスとの競合

水素キャリヤー（３） メチルシクロヘキサン＋ ３H2

トルエンからメチルシクロヘキサン製造
トルエン＋水素 →加熱（150～220℃）・加圧（0.7～3MPa）・触媒（Ni系）→シクロヘキサン生成 →エネルギー消費

メチルシクロヘキサンから水素製造
約400℃に加熱必要
触媒：白金ナノ粒子担持触媒（千代田化工建設）
水素の28.2％のエネルギー消費（ロス）まとめ（１）
水素＝二次エネルギー
電力貯蔵が主目的（輸送可能，再生可能エネルギーの変動吸収）
一次エネルギー源➡発電→水素製造
蓄電・蓄エネルギー手段
A 水素① 燃料電池② 圧縮，液化➡輸送➡燃料電池，燃焼③ キャリヤー（アンモニア，MCH）製造➡輸送➡水素再生➡燃料電池，燃焼

B 蓄電池
C 揚水発電電力貯蔵法の比較
種類

効率

充放電回数
（寿命）

ー

エネルギー密度（Wh/kg）
30,000

PEFC理論効率

（水素）

83％

10-20

V価格高騰

110

加熱（300℃）要120

火災

250-500

開発中

燃料電池

40-50%

レドックスフロー電池

75-80％

ナトリウム・イオウ（NaS)電池

90%

リチウムイオン電池

95%

全固体電池

（>95%）

鉛電池

87%

ニッケル水素電池

90%

2,000

60

揚水発電

70%

ー

ー

>10,000（10-20年）
4,500(10年）
3,500(10年）＞Liイオン電池
4,500(5-10年）

課題等

35

下部調整池設置
送電設備（注） 電池の効率：充放電効率（クーロン効率） 充電時のロス含まず効率（ロス）比較
化石燃料
石炭（褐炭除く）

火力発電（ロス 60%）

水電気分解

水素火力発電CCS（ロス 30％）

（ロス 6-30％）(ロス 40-60%)

電天然ガス

力
水素

水蒸気改質法・シフト反応(ロス 20%)液化（ロス 20%）

水電気分解
（ロス 6-30%）

電力

再生可能エネ

輸 送

圧縮・充填(ロス 18%) (ロス 0.7%)

水素

蓄電池
充放電ロス

揚水発電
ロス 30％

水素：輸送できるがロスが大きい

5-25%

燃料電池
(ロス 50-60%)

電力

まとめ（２）水素の問題① 分子が小さく，漏洩しやすい。
水素風船② 爆発限界が広い一方で臭気付加が難しい。
ヒンデンブルグ号事件③ エネルギーの損失が大きい。
金属の水素劣化→「ない」との実験結果・・・九州大・産総研（2010年）

水素社会
なぜ推進？

限定的利用
① 日本のエネルギー資源不足② 産業界の期待
脱炭素の要請，新ビジネス，製鉄いったん始めると止められないどうすればいい？
持続可能性の3要件(H・デイリー)（1）「再生可能な資源」の持続可能な利用速度は，その資源の再生速度を超えてはならない（2）「再生不可能な資源」の持続可能な利用速度は，再生可能な資源を持続可能なペースで利用することで代用できる速度を超えてはならない（3）「汚染物質」の持続可能な排出速度は，環境がそうした汚染物質を循環し，吸収し，無害化できる速度を上回ってはならないどうすればいい？
省エネあるのみ・ 政治への働きかけは継続
・ 情報の拡散―市民への働きかけ
・ できることの実行・・・アーミッシュ並は無理

現在は無駄が多すぎるーー無意識の資源とエネルギーの浪費
食料： 化学肥料，農薬，エネルギーを消費して栽培，流通し，大量に廃棄
水： 水洗トイレでの水道水使用は犯罪的・・・「湯水のごとく」は過去の話
住宅： 断熱があまりにも不足
衣料： 二度と着ない衣料が家庭に大量保存
車： 1人乗車があまりにも多い・歩ける距離でも車利用等々ご清聴ありがとうございました。
縮小社会研究会 理事
尾﨑雄三
ozaki0811@nifty.com