水素社会実現に向けた動向と課題- CO2フリー水素と無機膜の役割 岡崎 健
Ken OKAZAKI

東京工業大学 特命教授
科学技術創成研究院
グローバル水素エネルギー研究ユニット
未来を拓く無機膜 環境・エネルギーシンポジウム
RITE 地球環境産業技術研究機構
東京大学 伊藤謝恩ホール
2017年11月7日（火）Institute of Innovative Research

Tokyo Institute of Technology

1内 容
１．水素社会実現に向けた課題
・地球環境問題、エネルギーセキュリティー
・量的寄与、エネルギー源の多様化、エネルギーベストミックス

２．水素利活用の展開
・燃料電池自動車、一般家庭用コジェネ（エネファーム）の社会普及
・燃料電池以外の多様な大量水素利用技術への展開（水素発電、変動電力平準化、エクセルギー増進）

３．METI CO2フリー水素ＷＧ検討概要
・再生可能エネルギー由来CO2フリー水素の導入促進（地域の電力需要や送電系統空き容量を超える再エネ発電設備導入を可能とする仕組み）

・CO2フリー水素の定義と環境価値認証制度設計に向けて

４．CO2フリー水素サプライチェーンのグローバル展開
５．要素技術としての無機膜への期待（改質、ガス化、キャリア脱水素 等における反応促進と水素精製）

６．まとめ
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西村元彦、東工大グローバル水素コンソーシアム 第6回ワークショップ 2017 6/26

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資源エネルギー庁 新エネルギーシステム課 山澄克、東工大水素シンポ 2016.10.5

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4水素社会実現に向けた課題
１．水素社会とは？
・小規模水素利用が拡大し、産業基盤をも支えるエネルギーとして、エネルギー消費全体の20％程度以上が二次エネルギーとしての水素を利用する社会・エネルギーセキュリティーと地球環境保全に対する十分な量的寄与
２．水素社会実現のためのキーワード
・個別技術の成熟（開発→実証→商用化→用途拡大、安全対策）
・社会からの認知、許容（社会システムの中での水素の役割の明確化、多様な付加価値）
・需要の飛躍的拡大
FCV+水素ステーション、エネファームのユーザーの飛躍的拡大
水素発電（水素タービン、ガスエンジン、水素ボイラ（混焼を含む））

・需要に応える大量水素のサプライチェーン構築
国内の再生可能エネルギー起源CO2フリー水素、P2G（変動平滑化、過大発電分エネルギー貯蔵、コスト高対策、アンシラリーサービス）（事業者の自主参加を促す制度上の仕組み、グリーン証書、グリーンボンド ・・）
海外の未利用エネルギー起源CO2フリー水素（水素キャリアの正しい選択、棲み分け）
・適切な導入中間シナリオ（一挙に大量導入不可能、小規模の普及・拡大）
・水素固有の特徴を活用した水素利用技術（水素・酸素燃焼タービン、エクセルギー増進）・エネルギー源のベストミックス（水素源としての石炭の活用の拡大）
・全体システムを統括するリーダー（産官学の有機的連携、ハード含むトータルシステム）
・国際連携、枠組み（ガラパゴス化しないように）Institute of Innovative Research

Tokyo Institute of Technology5水素エネルギーシステム バリューチェーン

NEDO水素技術戦略（2015.10）
6Institute of Innovative Research

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(ロードマップ改定、2016.3)

エネルギー白書 平成29年6月 資源エネルギー庁

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7資源エネルギー庁 新エネルギーシステム課 山影雅良、東工大水素シンポ 2017.10.16

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8資源エネルギー庁 新エネルギーシステム課 CO2フリー水素WG 第2回資料 2016.6.22

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9資源エネルギー庁 CO2フリー水素WG 第1回資料 2016.5.13

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10資源エネルギー庁 新エネルギーシステム課 CO2フリー水素WG 第3回資料 2016.8.9

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(2016 3/22)

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13Institute of Innovative Research

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METI 資源エネルギー庁 CO2フリー水素ＷＧ報告書（概要版）2017 3/10

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METI 資源エネルギー庁 CO2フリー水素ＷＧ報告書（概要版）2017 3/10

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METI 資源エネルギー庁 CO2フリー水素ＷＧ報告書（概要版）2017 3/10

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METI CO2フリーWG 第5回資料
トヨタ小島、2017 10/25

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METI 資源エネルギー庁 CO2フリー水素ＷＧ報告書（概要版）2017 3/10

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METI 資源エネルギー庁 CO2フリー水素ＷＧ報告書（概要版）2017 3/10

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19資源エネルギー庁 新エネルギーシステム課 山影雅良、東工大水素シンポ 2017.10.16

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20海外からのCO2フリー水素チェーン構想

Hydro

Lignite (Brown Coal)
IAE-CO２フリー水素チェーン-アクションプラン研究会

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Tokyo Institute of Technology村木茂、エネルギー・資源学会 2016 2/2Institute of Innovative Research

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（液体水素輸送の例）

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水素の製造方法と課題
１．石油、天然ガス等化石燃料の改質
改質反応の高効率化、ＦＣ用に精製必要、ＣＯ２フリー化
２．バイオマス由来のメタノールやメタンガスの改質
改質反応の高効率化、ＦＣ用に精製必要
３．石炭、バイオマスガス化＋水性ガスシフト
シフト反応の高効率化、ＦＣ用に精製必要 無機膜を用いた
メンブレンリアクターにより課題解決の可能性
４．再生可能エネルギー＋水電解
低コスト化、再エネ負荷変動対策
５．その他、新技術（光触媒、ＩＳプロセスなど）
現状、研究開発段階
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改質反応、シフト反応へのメンブレンリアクターの適用
例：メタンの水蒸気改質

ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ

ＣＯ ＋３Ｈ２
ＣＯ２ ＋ Ｈ２

メンブレンリアクター（膜反応器）
ＣＨ４

ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ

H2H2ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ

H2Ｈ ２Ｏ

触媒ＣＯH2ＣＯH2ＣＯ２H2

高純度水素ＣＯ２
水素分離用無機膜

・非平衡反応促進による転化率の向上→ 反応温度低減 （８００℃以上→６００℃以下）
・１ステップで高純度水素が得られる→ＰＳＡ等が不要で装置のコンパクト化が可能
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Tokyo Institute of Technology25炭化水素系燃料の水蒸気改質
メタンの水蒸気改質反応式（吸熱反応）

CH4
ΔfH0 ： -74.9
ΔfG0 : -50.8(kJ/mol)+2H2O(l)-285.8-237.1=CO2+-393.5-394.44H200（ 標準物質 ： C, H2, O2, N2, (S) )ΔH = (-393.5) - (-74.9-285.8×2) = 253.0
ΔG = (-394.4) - (-50.8-237.1×2) = 130.6
ΔG/ ΔH = 130.6/253.0 = 0.52 = 52 % (800℃）
メタンの水蒸気改質にはエクセルギー率52%以上の熱が必要
メタノールの水蒸気改質 ： 6 % (90℃) （後述）
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エネルギーの質
Energy Quality based on Exergy Rate
（故 土方 東工大教授による）27

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都市ガスからの水素製造技術

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CO2回収型MRFによる低炭素水素供給

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水素の輸送・貯蔵方法と課題
１．高圧水素圧縮機や高圧貯蔵タンクの低コスト化が必要
２．液体水素輸送時のボイルオフガス対策が必要
３．有機ハイドライド、アンモニア無機膜を用いた
メンブレンリアクターにより課題解決の可能性

効率的な脱水素・精製技術の開発が必要
４．パイプライン
パイプライン整備に大規模な初期投資が必要
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水素キャリア・脱水素反応へのメンブレンリアクターの適用
海 外

国 内
MCH，NH3

水素化反応
CH3トルエン（既存技術）

CH3脱水素プラント+ 3H2トルエン

窒素

回収トルエン

オンサイト用
小型脱水素装置

N2 + 3H2

MCH

脱水素反応

2NH3

MCH，NH3

水素

CH3CH3+ 3H2

MCH

2NH3

油田の随伴ガス、褐炭等の化石燃料CCS

水素ステーション（新規開発が必要）

トルエン

N2 + 3H2

定置用燃料電池

水素パイプライン
再生可能エネルギー

水素発電所

水素コミュニティなど

高効率な脱水素・精製プロセスが不可欠

メンブレンリアクターの開発が重要

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ＭＣＨからの高純度水素製造
従来法（脱水素反応＋ＰＳＡなど）
課題： 大容積、低効率、高コスト

メンブレンリアクター(膜反応器)
MCH

MCHH2H2H2MCHTOLTOL
H2H2H2

高純度H2TOL

脱水素触媒
水素分離用シリカ膜

従来法（脱水素反応＋ＰＳＡなど）より、装置のコンパクト化、反応温度の低温化、低コスト化が期待できる。
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無機膜への期待
無機膜

シリカ膜、ゼオライト膜、炭素膜、パラジウム膜など
水素と他の物質を分離し、高純度水素が得られる＊ＭＣＨの脱水素の場合有機膜と比較して、高い分離性能、優れた耐熱性、化学的安定性、耐酸・塩基性を有する・ 幅広い環境条件で使用可能
・ 触媒と組合せ、反応と分離の一体プロセスであるメンブレンリアクターの構築も可能

平衡シフト効果
Ａ ＋ Ｂ

系外に分離

⇆

非平衡による反応促進

Ｃ ＋ Ｄ

転化率が向上

水素の効率的な製造、輸送・貯蔵に貢献することが期待される 33
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資料２NEDOプロ

技術開発シナリオの作成 （産総研・エネ総工研・東工大）
・ マクロ分析と多様な評価軸分析による水素エネルギーの位置づけの明確化
・ ケーススタディーによる具体的導入形態の例示と、開発中の技術の位置づけの明確化
・ ケーススタディーと技術の将来予測による強化すべき領域の例示

②2)3)

①②1)

・将来シナリオ分析
・統合的評価・水素・エネルギービジョン

・政策目標
・制度・施策・価値観

社会・企業、産業構造
・戦略、競争力

産業

・1次エネルギー・サプライチェーン
・需要、インフラ
・火力、原子力・再生可能エネルギー
・水素・集中、分散
・水素生成
・材料
・水素輸送
・プロセス
・水素貯蔵
・デバイス
・水素利用
・メカニズム・エコシステム分析
・企業動向、競争力評価

エネルギー(経済)システム

・コスト評価、費用・便益分析
・LCA、マテリアル・エネルギーフロー解析
・供給安定性、資源多様性評価
・システム安全性評価

エネルギー(技術)システム

・エネルギー技術システム設計、技術予測
・コスト構造分析 ・技術シナリオ設計
・システム安全性評価

要素技術・萌芽・将来技術抽出・評価
・技術的な実現可能性、TRL評価
・理論限界、ボトルネック、研究開発目標
・関連・競合技術動向分析・コスト分析、リスク評価

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多様な軸（非直交）を設定（官）NEDOプロジェクト「トータルシステム」（東工大・梶川）Institute of Innovative Research

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まとめ
１．水素導入の本質的意義は、将来的には大量導入されて、地球環境保全やエネルギーセキュリティーに、十分な量的寄与が出ることであり、グローバルな視点で議論することが重要である。
２．燃料電池以外の多様な水素利活用技術を含め、エネルギーキャリアとしての水素の優れた特徴と、水素エネルギー社会の多様な社会的付加価値を正しく評価することが重要である。
３．国内の再生可能エネルギー起源CO2フリー水素の導入拡大に向けて、P2G技術の確立・コストダウンと導入促進のための制度上の仕組みづくりが急務である。さらに、地域活性化への貢献が期待されている。
４．大量水素導入に向けて、海外の未利用エネルギーを水素に変換して日本に輸送するグローバルなスケールでのCO2 フリー水素サプライチェーンの構築と水素発電の実用化が重要である。
５．水素社会の実現には、水素社会のイメージを正しく把握し、個別技術開発から全体システムの成立性、社会システムとの融合、国際連携を踏まえて、長期的な視点に立った具体的な戦略が必要である。
６．RITE無機膜研究センターの水素社会実現への貢献に期待する。
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