バイオ天然ガス化装置を利用した水素製造実証
Demonstration of Hydrogen Production Combined with Sewage BiogasUpgrading

宮本博司＊
Hiroshi Miyamoto

佐藤朋弘＊
Tomohiro Sato

小野田草介＊
Sosuke Onoda
博士（工学）

バイオ天然ガス化装置と水素製造装置との組合せによる水素製造プロセスを実証し，製造された水素ガスの品質，水素製造効率，ライフサイクルコスト（LCC）を検証した。その結果，燃料電池自動車（FCV）に供給可能な品質の水素を，都市ガス原料の場合と同等の効率で製造できることを実証したほか，従来の水素製造プロセスに対して LCC で有利な試算結果が得られ，本プロセスがバイオガスからの水素製造に適用可能であることが分かった。
We demonstrated the hydrogen production process combined with sewage biogas upgrading to verify thequality of produced hydrogen, production efﬁciency, and life cycle cost（LCC）. As a result, we conﬁrmedthat hydrogen with adequate quality for supplying fuel cell vehicles（FCV）can be produced with theefﬁciency equivalent to that of the production from natural gas, and that the LCC is lower than that ofthe conventional process. The result indicates that the process we demonstrated is applicable to hydrogenproduction using biogas.

Key Words：
水素製

造

Hydrogen Production

バイオ天然ガス化

Biogas Upgrading

高 圧 水 吸 収 法

Pressurized Water Scrubbing

水Steam Reforming

蒸気改質

燃料電池自動車

Fuel Cell Vehicle（FCV）【セールスポイント】
・水素製造に必要な前処理をバイオ天然ガス化装置で一括して行うため，プロセスを簡略化できる。
・バイオ天然ガス化装置との組合せにより，実績のある都市ガス向け水素製造装置を適用できる。

Vol. 16 No. 1（2019 ／ 9）＊

技術開発センター 水・汚泥技術開発部 水処理技術グループ

神鋼環境ソリューション技報

9

まえがき

はメタン回収率が高く（98 ％程度），水素製造原料再生可能エネルギの一層の利用拡大が求められてガスのロスも低減することができる。

いる中，多量の温室効果ガス（国内排出量約621万

本研究では，バイオ天然ガス化装置と水素製造装

１）

t-CO2/年，平成26年度 ）を排出している下水道分置との組合せによる水素製造プロセスを実証し，製野において，下水汚泥や下水熱といったカーボンニ造された水素ガスの品質，水素製造効率，LCC をュートラルなエネルギ資源の有効利用が期待されて検証した。なお，本研究は実証フィールドをご提供いる。

いただいた京都市，日本下水道事業団および当社の３者共同で実施したものである２）。

下水汚泥は発生量・性状が安定したバイオマスで1.

あり，そのエネルギ利用に向け様々な取組みが行われてきた。これまでは消化タンクからのバイオガス実証方法実証場所である京都市上下水道局鳥羽水環境保全をそのまま有効利用してきた例が多いが，近年は，センターでは，京都市内の５つの処理場から発生すバイオガスを精製し，メタン濃度を高めることで，る汚泥を集約処理しており，主に重力濃縮された初更なる利用用途拡大を図る取組みも行われている。

沈汚泥を消化タンク（高温消化5 500 m3×２基）にさらに，水素社会の実現に向けて国をはじめとし投入し，発生したバイオガス全量をバイオ天然ガスた取組みが進む中，バイオガスから水素を製造する化装置にてメタン濃度98～99 ％に精製し，都市ガ技術も実用化されている。しかし，水素製造にはバス代替燃料として汚泥焼却炉などで利用している。

イオガスを精製する前処理が必要であり，これは従図１に実証フローを示す。既設バイオ天然ガス化

来，バイオガス中の不純物を成分ごとに除去する複装置で精製したガスの一部を，今回設置した水素製数のプロセスが必要という課題があった。

造装置に供給した。バイオ天然ガス化装置は，加圧

そこで，我々は水素製造に必要なバイオガス精製下でのバイオガス各成分の水への溶解度差を利用し（前処理）を，高圧水吸収法によるバイオ天然ガスてメタン濃度を高めると同時に，硫化水素，シロキ化装置で一括して行うプロセスを検討した。これにサンなどの不純物を除去する装置であり，高いメタより，煩雑であったプロセスが簡略化でき，水素製ン濃度（97 ％以上）およびメタン回収率（98 ％程造コストの低減も期待できる。また，高圧水吸収法度）を得ることが可能である。水素製造装置（大阪

消化タンク（既設）

バイオ天然ガス化装置（既設）

高温消化5 500 m3×２基

バイオガス処理能力600 m3N/h×２基

バイオガス

精製ガス

CH4≒65 ％CH4≧97 ％

焼却炉等で利用

精製ガス

実証 範囲

製品水素
H2≧99.97 ％製品水素品質水素製造効率の確認

水素製造装置
水素製造能力30 m3N/h（都市ガス使用時）

図１10実証フロー

神鋼環境ソリューション技報

Vol. 16 No. 1（2019 ／ 9）FI

バイオ天然ガス化装置

原料圧縮機

FI

CO 計
脱湿器

水素製造装置精製ガス（CH4≧97％）

改質ガス

改質器
空気排ガス

（H2, CO 等）

PSA

CO 変成器

変成ガス（H2, CO2 等）

脱硫器

製品ガス

H2≧99.97 ％純水
上水

オフガスタンク

冷却水

オフガス（H2, CO2 等）

水

純水装置

図２

水素製造フロー

LCC 試算範囲

発電機

シロキサン除去

水素ステーション
発電機

不要

不要

不要

LCC 試算範囲

ガス圧縮機

水素製造装置

不要

不要

不要

図３

冷却・除湿

水素製造装置水素ステーション

膜分離装置

ガス圧縮機

シロキサン除去

チラーユニット
除湿器

不要

中圧ガスホルダ

バイオ天然ガス化装置

消化タンク

本 プ ロ セ ス

水素供給･発電バイオガス精製
ガスブースター

低圧ガスホルダ

乾式脱硫

消化タンク

従 来 プ ロ セ ス

水素製造

不要

脱硫・貯留

︵ガス分離膜２段︶

消化ガス（株）開発品 HYSERVE-30）は，水蒸気改質反品水素１m3N 当たりの精製ガス使用量）で評価し応および CO 変成反応により水素を含む改質ガスをた。都市ガス原料の場合の同規模機種におけるメー生成させた後，圧力変動吸着法（PSA）で水素を高カ実績が0.42 m3N- 都市ガス/m3N-H2（定格負荷時）

純度（バイオガス原料での本研究目標値は99.97 ％であることから，熱量換算（精製ガス39 MJ/m3N，以上）に精製する装置（図２）であり，都市ガスか

都 市 ガ ス45 MJ/m3N） に よ り0.48 m3N- 精 製 ガ ス/らの水素製造で多くの実績がある。

m3N-H2を目標とした。

本実証設備を用いて，2017年秋から2018年夏にかけて四季データを取得し，以下を検証した。

（3）LCC 比較
平成26年度 B-DASH プロジェクト＊で実証された
水素製造技術３）を組込んだプロセスと，LCC（建設（1）水素ガス品質
水素ガス品質については，定格負荷時に製品水素費年価＋維持管理費）を比較した。図３に試算範囲をサンプリング，分析し，FCV 用水素燃料規格値を示す。試算規模としては，バイオガス発生量17 000を満たしているか確認した。

m3N/d，うち2 700～2 800 m3N/d を用いて3 300 m3N/d（2）水素製造効率（精製ガス原単位）の水素を製造する条件とした。また，水素製造時間

水素製造効率については，精製ガス原単位（＝製Vol. 16 No. 1（2019 ／ 9）は12 h/d，水素製造日数は345 d/年とした。

神鋼環境ソリューション技報

11結果および考察

2.

なお，不純物濃度上昇の指標となる一酸化炭素濃（1）水素ガス品質度のオンライン連続監視も行ったところ，製品水素各季，定格負荷時に採取した製品水素の分析結果の一酸化炭素濃度は常に規格値0.2 ppm を下回ってと FCV 用水素燃料規格値（ISO14687-2）を表１にいた。

示す。

（2）水素製造効率（精製ガス原単位）

春季，夏季において，規格値を全て満足する結果

表２に精製ガス原単位の結果を示す。定格負荷時が得られた。これに先立ち実施した秋季，冬季の製の 精 製ガ ス 原 単 位 は，0.47～0.49 m3N- 精 製 ガ ス /品水素分析において水分の規格値を満足できなかっ

m3N-H2（四季平均0.48 m3N- 精製ガス /m3N-H2）で，たのは，当初，水素製造装置の後段に脱湿器を設置目標と同等の原単位が確認された。
な お， 本 実 証 で は 定 格 負 荷（ 水 素 製 造 量 約26していなかったこと，また，サンプリング方法にも不備があったためと判断した。この対策として，脱m N/h）に加え，70 ％（同18 m3N/h），40 ％（同10湿器の設置，サンプリング方法の見直し（サンプリm3N/h）の部分負荷におけるデータ取得も実施した。

ング配管のパージ時間延長など）を実施した結果，

表２に示すように70 ％負荷では定格負荷と同等の水分値を含め全ての規格値を満足することができ原単位を維持したが，40 ％負荷では原単位が高くた。

（効率が低い），また，冬季など低温期の効率低下が表１3

製品水素分析結果注１）

項

目

単位

ISO規格値（ISO14687-2）

秋季
2017/11/21

冬季
2018/2/21

春季
2018/4/19

夏季
2018/8/31

水素

vol％

≧99.97＞99.97＞99.98＞99.98＞99.98

全炭化水素ppm≦2＜1＜1＜1＜0.68.6

1.50.75注２）

注２）

水分ppm

≦517

酸素ppm

≦5＜1＜1＜1＜0.05

ヘリウムppm≦300＜100＜100＜100＜100

アルゴンppm＜1013.6

素ppm＜100＜10窒≦100＜10＜1016.7二酸化炭素ppm≦2＜0.2＜0.2＜0.2＜0.05

一酸化炭素

ppm

≦0.2

＜0.2

＜0.2

＜0.2

＜0.05

全硫黄化合物

ppm≦0.004＜0.004＜0.004＜0.004＜0.004ホルムアルデヒド

ppm

≦0.01

＜0.01

＜0.01

＜0.01＜0.005

酸

ppm

≦0.2

＜0.001＜0.001＜0.001

＜0.1

アンモニア

ppm

≦0.1

＜0.001＜0.001＜0.001＜0.04

ハロゲン化物ppm≦0.05＜0.001＜0.001＜0.001＜0.03

微mg/kg≦1＜1＜1＜1

非測定

ギ粒子

注１）分析方法は ISO14687-2に示された方法に準じた。
注２）脱湿器なし（秋季），サンプリング方法見直し前（秋季，冬季）におけるデータのため参考値とする。

表２
負荷

定格負荷
部分負荷

12

精製ガス原単位 （単位：m3N- 精製ガス/m3N-H2）
秋季冬季

春季

夏季

平

均

0.48

0.48

0.49

0.47

0.48

70 ％

0.49

0.49

0.47

0.47

0.48

40 ％

0.50

0.58

0.50

0.500.52

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Vol. 16 No. 1（2019 ／ 9）

表３150

建設費年価＋維持管理費［百万円／年］

11 ％減

バイオガス発生量

17 000 m3N/d

水素製造量

3 300 m3N/d

水素製造時間12 h/d水素製造日数345 d/年

建設費補助率55 ％耐 用 年 数機械電気設備15年
土木建築設備50年

維持管理費100847350
建設費年価

05752

従来プロセス

本プロセス

図４LCC 試算条件

利率

参 考 資 料LCC 比較

2.3 ％B-DASH No.11 ガイドライン（H28）
下水汚泥エネルギー化技術ガイド
ライン（H29）など目立った。これは，旧型の試験機（2005年製造）を（2）都市ガス原料の場合と同等の効率（熱量換算ベ使用したことに起因するもので，現行機種では制御ース）で水素製造が可能であることを確認した。

性の向上などによる改善が図られている。

（3）従来水素製造プロセスに対して LCC で有利な試算結果が得られた（水素製造量3 300 m3N/d 規

なお，精製ガスのメタン濃度（通常98～99 ％）を変更した条件で水素製造を行ったが，異なるメタ模）。

ン濃度（96.4～99.3 ％）でも水素製造装置のパラメ

これらの結果を踏まえ、再生可能エネルギの利用ータ調整により効率を落とすことなく水素製造が可拡大に寄与するバイオガスの多面的利活用を可能と能であった。

する技術として PR していきたい。

（3）LCC 比較

謝辞

２項で述べた条件に基づき試算した結果，従来プ最後に，共同研究者である京都市，日本下水道事ロセスに対し LCC（建設費年価＋維持管理費）で業団および関係各位の多大なるご協力に深く感謝の11 ％程度の削減ができる見込みがあることが分か意を表します。

った（図４）。

むすび

鳥羽水環境保全センターをフィールドとして，バイオ天然ガス化装置と都市ガス向け水素製造装置を組合わせたプロセスを実証したところ，以下の結果が得られ，バイオガスからの水素製造に適用可能であることが分かった。
（1）水 素 製 造 装 置 後 段 で の 脱 湿 器 の 追 加 に よ り
FCV に利用可能な品質の水素を製造できることを確認した。

Vol. 16 No. 1（2019 ／ 9）

［参考文献］
１）国土交通省 水管理・国土保全局 下水道部：下水汚泥エネルギー化技術ガイドライン―平成29年度版―，平成30年１月２）太田ら：精製消化ガスを用いた水素製造プロセスに関する研究，第56回下水道研究発表会講演集，令和元年７月３）国土交通省 国土技術政策総合研究所：B-DASH プロ
ジェクト No.11下水バイオガス原料による水素創エネ
技術導入ガイドライン（案），平成28年10月＊）国土交通省 下水道革新的技術実証事業（Breakthroughby Dynamic Approach in Sewage High Technology Project）

神鋼環境ソリューション技報13