Review
総説

カーボンニュートラル社会に向けたグリーン水素の製造技術
Production methods of green hydrogenfor carbon neutral energy society.
石原達己＊Tatsumi Ishihara

Abstract
Shifting to a net zero carbon society is an important task from climate change and for this, green hydrogen which
is produced by renewable energy is highly important role. In this review, three methods, electrolysis, photocatalyst
and thermal water splitting for production of green hydrogen as an energy carrier of renewable energy were introduced. One is electrolysis of water which is widely and popularly used for the green hydrogen production andthere are three types of electrolysis methods, i.e. alkaline, polymer membrane, and steam electrolysis. Advantage,
disadvantage, and requirement of each method are explained. Among the three types of electrolysis methods,
steam electrolysis is highly efficient by using heat energy, although system is still under investigation. On the otherhand, photocatalyst which can split water into H2 and O2 directly is also considered as one of the green hydrogenproduction method with low cost. Recently activity of photocatalytic water splitting increases significantly and in
this review, water splitting on KTaO3 modified with organic dye is introduced. Third one is thermal decompositionof water by using solar heat and iodine-sulfur（IS）method for water splitting is explained. By shifting chemical
equilibrium by membrane, required temperature level could be decreased to 600℃.

Key words : Green hydrogen, steam electrolysis, photocatalyst, IS method

1

はじめに響と考えられている．温暖化を抑制するために，脱炭素化の動きが加速しており，カーボンニュートラル化は官民挙げて取り組まないといけない，現在，最も重現在，気候変動は深刻さを増しており，温暖化の影要な課題となっている．カーボンニュートラル化に対九州大学カーボンニュートラルエネルギー国際研して，現在は再生可能エネルギーが増加すればある程究所・所長

度，達成可能と考えられているが，日本の再生可能エ＊ 	Director,International Institute for Carbon	

ネルギーの内訳は太陽光発電が中心であり，これは，Neutral Energy Research （I CNER）, Kyushu

風力発電が中心の欧州やアメリカとは大きく状況が異Universityなる（図 1 参照）．再生可能エネルギーはもともと，

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1

GS Yuasa Technical Report

2023 年 12 月

＜2022第2号

As of 22 March 2023

10091
486

1375％

第 20 巻82380
676

Solar
56

950

RE Total

655

1767661151
624
20027Wind
4441

51271594238len ark ada hile ga any ain
ed nmnCrtu rm Spawoe
CS DePGlzi

aBr

1146Geothmal

35

2352

25

48

26

15

35

11KUIr569679rast

Au

31

812liandael

32

ly

Ita

4815

C

11cenahi

Bioenegy

25

Fnra

23

22

22

65

4
10

9

11

6adi

InS

UHydro94
89eaanp
Jahut

So

5r
Ko

* Notes: Electricity consumption = electricity generation ＋ imports exports. Based on “net” generation.
* Sources: Based on international Enargy Agency Monthly Electricity Statistics: Data up December 2022（March 2023）［downloaded 17 March 2023 ］. Modified Renewable Energy Institute.

Fig. 1 Details of renewable energy in each country (International Energy Agency; MonthlyElectricity Statistics)

希薄で不安定であるが，太陽光発電が中心の日本でいかに効率よくグリーン水素を製造するかが重要な課は，さらに安定な供給が難しく，24 時間の発電を行題である．現在，再生可能エネルギーから水素を合成うことができない．そこで，エネルギーが余剰にならする手法として，電解技術を中心に種々の方法が検討ざる負えない状況に陥っている．カーボンニュートラされている．そこで，本稿では，グリーン水素の製造ル化を達成するために，変動の大きい再生可能エネル法としての電解法，光触媒法，熱化学法などに着目

ギーをうまく使いこなすにはコストの安い蓄エネルし，それぞれの技術的な内容を紹介するとともに，特ギーと平準化が極めて重要な課題となっている．一方長について解説する．

で，現在の日本のエネルギー消費量を再生可能エネル

2ギーのみで補うためには，面積がまったく足りず，どうしても海外から，引き続き，エネルギーの輸入を行

グリーン水素製造法としての電解法う必要がある．つまり，再生可能エネルギーを何らか水素を製造するうえで，現状で最も有効で，簡便なの媒体として，時間と空間を超えて輸送することが必

製造法は，水の電気分解である．現在，水の電気分解要である．このような観点で，再生可能エネルギーをとしては，大きく，3 種類の方法が代表的であり，ア用いて作られるグリーン水素およびさらにグリーン水ルカリ水電解，高分子膜を用いる水の電気分解，高温素を変換して得たエネルギーキャリアが再生可能エネ

水蒸気電解が挙げられる．表 1 には代表的な電解装ルギーの媒体として期待されている．水素は気体なの置の性能の比較を示す．アルカリ水電解装置では現で，その輸送手法はいくつかの方法が考えられている

在，すでに普及が行われており，大型化や低コスト材が，いずれにしても，日本のカーボンニュートラル化料の使用および加圧下での電解効率の向上などが検討の達成には，海外からのグリーン水素を水素そのものされている．作動温度は，ジュール熱でやや高温となまたはアンモニアなどの変換した媒体として，輸入すり，50 ～ 70 ℃ 程 度 と な る． 電 解 に 必 要 な 電 力 は，る必要があると考えられる．この際に重要なのは，価4.5 kWh/Nm3 程度であり，75 ～ 80％ (HHV) 程度の格であり，従来のエネルギー利用体系に比べて大きな電解効率である 1）．一方，高分子電解セルではナフィ

コスト増になると，社会では受け入れてもらえないのオンなどの高分子電解質を用いることで，内部抵抗をで，ある程度，経済的に受け入れられる程度の価格に小さくでき，大きな電解電流を得ることができる．電抑える必要もある．価格を抑制するという観点でも，解電流密度が大きいので，作動温度が 100℃程度と2

GS Yuasa Technical Report

Table 12023 年 12 月

第 20 巻第2号

Comparison of electrolyzer type.

Type

Alkaline Electrolysis

Polymer Electrolyte
Membrane Electrolysis
Solid Oxide SteamElectrolysis

FeatureCurrent stateElectrolyte : Alkaline water（OH- Conductor）
Temperature : Room
Temperature ～ 50℃

Electrolyte : Polymer
Membrane Film
（Proton Conductor（H+ conductor）
Temperature : ～ 100℃
Electrolyte : Solid Oxide Film
（Oxide ion conductor）
Oxide Proton Conductor
Temperature : 500 ～ 1000℃

・F ew 1000 units are already operated commercially,
mainly in EU.Pressurized operation
・Efficiency : 73 ～ 80％（HHV）（ca. 0.2 A/cm2)
3H2/h@500 Nm3/h）
・Unit price : 100 million JPY （Nm/・Commercialize at small size（60 Nm3/h)・Efficiency : 60-80％（HHV)（2 A/cm2)
・Unit cost : 140 million JPY/
（Nm3-H2/h@30 ～ 50 Nm3/h）
・Pressurized operation
・Under investigation, mainly using oxide ion conductor（Current level）
・Current density：0.5 ～ 1.5 A/cm2
・Efficiency 80-90％ (HHV)(0.5-1.5 A/cm2)

やや高くなる．大きな水素製造能力を期待されるだけ1000に，電解効率がやや低めになるのが課題ではあり，4kWh/Nm3 程度の比較的，高い電解効率の達成が行え，Comparison: Operation temp and efficiency
Steam electrolysis（conventional）

Operation temperature（℃）

800

80％程度の電解効率の達成が可能である 1）．現在の課題は電極への Pt の使用量の低減による低価格化と長期安定性の向上であるが，電解条件ではナフィオン膜のスルフォニル基が加水分解等により脱離しやすいことが報告されており 2），その改善が求められる．これらの低温型の電解技術に対して，さらに高効率な電600LSGM tubular cell

400200解法として水蒸気電解法が期待されている 3-5)．水蒸
気電解では，高温で電解することで，環境熱を取り込

Polymer-electrolyte

02

み，少ない電力で電解を行うことが可能である．電解345

Alkaline water

6789Electricity need per hydrogen（kWh/Nm3）

質としては Y2O3 安定化 ZrO2 などの酸素イオン伝導Fig. 2 Required Electricity for electrolysis as a functionof temperature.

体が主に用いられ，CeO2 などの酸素イオン伝導体とNi からなるサーメット多孔質基板上に薄膜化したセルが用いられる．アルカリまたは高分子水電解法に比べると装置としてはまだ開発中ではあるが，少ない電2.4に必要な電力の関係を示した．図に示す様に作動温度2.2の高い水蒸気電解では高温での電解により，水素製造

2.0に必要な電力は，3.0 kWh/Nm3 と小さくでき，85％1.8Voltage（V）力での電解が期待できる．図 2 には作動温度と電解以上の高効率な電解が期待されている．現状では電解質として Y2O3 安定化 ZrO（YSZ）が広く用いられて2おり，作動温度として 800℃程度が考えられている

500℃
30％ H2 20％ steam
10％ H2 20％ steam

1.61.41.2が，課題である長期安定性の向上や使用できる材料の1.0制約などを考えると，600℃程度の中温での作動が望0.8ましいと考えている．

0.61.8以上のような状況から，低温でも優れたイオン伝導を示す高酸素イオン伝導体の LaGaO3 系酸化物の中温

1.61.41.2

1.00.80.60.40.20.0

Current density（A/cm ）2作動型電解質への応用が検討されている．図 3 には，Fig. 3 I-V curve of tubular type solid oxide electrolysis
cell using LSGM thin film and its cell photograph.

筆者たちの検討している La（Sr）
Ga（Mg）
O（LSGM）の3
薄膜を電解質とする円筒型セルの写真と電解特性を示

3

GS Yuasa Technical Report

2023 年 12 月

す．水蒸気電解セルのデザインとしては円筒型と平板

Typical PEM electrolyzer
80℃, 1 atm H2/O22型があり，現在検討されている多くの水蒸気電解セル
Cell Potential［V］

は比較的，大きな電流密度に到達しやすい平板型セルが中心であるが，平板型セルではガスシール部が長く，堅固なガスシールが困難であることから，筆者たちは円筒型セルについて検討を行っている．図 3 に示す様に，作成したセルはセル長 3 cm でも比較的，良好なTypical PEM RFC shows〜0.5 Vdiscontinuity

10.5

SOEC H2O electrolysis modemeasured at 850℃,
1 atm H2/airElectrolyser
0‒600の成果をプロットしたが，3.5 kWh/Nm3 程度の効率で，水素を製造可能であり，高効率な電解セルである

第2号

1.5

電解特性を示し，500℃でも 1.6 V で 0.6 A/cm2 近い電解電流の達成が行えることがわかる．図 2 中にこ

第 20 巻‒400‒200

Fuel cell
0200

Current Density［mA/cm2］

400600Fig. 4 I-V curves of electrolysis and fuel cell mode ofsolid oxide cell and polymer electrolyte cell.

ことがわかる．高温電解ではセルを維持するために高温の水蒸気を必要とすると考えられがちであるが，セルはジュール熱により発熱があることと，排熱の回収により，投入する水蒸気の温度としては，必ずしも高実現できる．以上のように，水蒸気電解セルは，単純温を必要とせず，200℃程度の水蒸気であればセルのなグリーン水素の高効率な製造装置であるとともに，温度を維持できると見積もられる．

蓄エネデバイスとしても魅力的な技術である．

以上のように水蒸気電解セルは，固体酸化物燃料電3池とほぼ同じ材料構成であり，魅力的な水素製造デバイスであり，グリーン水素の製造法として期待される光触媒による水分解法技術である．ところで，再生可能エネルギーを用いる

光エネルギーを直接，物質へ変換可能な技術としてグリーン水素製造では，電解に必要な電力を常に得る光触媒がある．光触媒では太陽光による光励起を直接ことは難しく，とくに先に示したように，日本の再生用いて，水を水素と酸素に解離する技術であり，簡単可能エネルギーでは電力の供給がない時間が長いことなシステムでグリーン水素を直接，得ることのできるから，電力の太陽電池での供給がないときに電解セル技術である．TiO2 がよく知られた光触媒ではあるが，の温度を維持することと，24 時間発電を実現するた

近年，紫外光しか励起に使えないものの，Al を添加めに，製造した水素を燃料とする逆動作の燃料電池発した SrTiO3 が，ほぼ 1 という優れた光量子収率で，電を行うことが理想的である．このようなコンセプト

水素を発生できることが報告され 7,8），エネルギー変は可逆動作型酸化物セル（SORC）と呼ばれ，水素を媒換効率が向上しており，グリーン水素の簡便な方法と体として再生可能エネルギーを蓄エネするデバイスとして注目される．光触媒として，単純に 1 回の励起して期待されている．水素で太陽光発電の電力を蓄エを用いる機構と光合成のように，2 種類の触媒を組みネして電池のように平準化するデバイスとしては高分合わせ 2 回の励起を用いる Z スキーム型と呼ばれる子電解質型セルを用いても検討が行われている ．図機構がある 9）．Z スキーム型では，水素と酸素の発生

4 には高温電解と燃料電池（SOFC）または高分子固に合わせて，材料の電子エネルギー準位を設定できる

体電解質電解セルと燃料電池を用いる際の電流－電圧ことから，用いる材料の選択幅が広く，可視光の利用曲線の比較を示した．温度が低い高分子固体電解質型など優れた効率の達成が期待される．一般に無機触媒セルの組み合わせでは，電解にかかる活性化過電圧がの組み合わせが検討されているが，有機色素の利用も大きく，燃料電池と電解時の電圧ギャップが大きく，報告されており，より広い光の励起への利用も期待さ

エネルギーロスが大きいが，図 4 に示す様に高温セれる．図 5 には，筆者たちのグループで検討していルでは活性化過電圧が小さいので，可逆性が高く，電る KTa（Zr）O3 へのアセン系有機色素の修飾効果を示池のような使い方が可能である．電流密度によりトーす 10)．KTaO3 のみでは紫外光しか利用できないが，タルの効率は変わるが，電流密度が小さいときには，アセン系の色素で修飾すると色素の励起も利用するこ非常に高い可逆性が期待できる．電池に比べると，水とが可能になり，700 nm 程度のほぼ全可視光の範囲

素ではタンクの容積を大きくすれば，十分なので，蓄の光を利用できるようになる．そこで，図 5 には波積するエネルギーが大きくなるほど，安価な蓄エネが長に対する H2 と O2 の生成速度の波長依存性を示し

6）

4GS Yuasa Technical Report

2023 年 12 月

3H22100.4

400

500

600

700

熱化学方法によるグリーン水素製造
前節では太陽光発電と電解技術の組み合わせによるグリーン水素製造を紹介したが，世界のレベルでの太0.2O2300

4AbsorbanceGas formation rate / µmol h‒1

えられる．今後の展開が期待できる技術である．

0.80.6第2号

試算もあり 12），魅力的なグリーン水素の製造法と考

1.04

第 20 巻陽エネルギー利用は太陽熱利用である．具体的には太陽光を集めて，熱エネルギーとして蓄熱し，550℃程0.0800度の水蒸気を発生し，水蒸気タービンで発電すること

Wavelength /nm

で，24 時間発電を実現している．比較的，大型の発Fig. 5 H 2 and O 2 formation rates of the water
splitting reaction on PtOX (0.2 wt %)/TIPS-PEN (0.8 wt%)/KTa(Zr)O3 as a function of wavelength of irradiatelight.

電システムが必要ではあるが，太陽エネルギーを熱として平準化することで，安定な発電ができる．一方，
水は 1500℃程度まで加熱すると平衡的に H2 と O2 に解離する．いくつかの反応を組み合わせることで，より低温で H2O を分解して，H2 と O2 を得ることが提た．図に示す様に，光吸収特性に一致して，H2 と O2案されており，熱化学法と言われる 13）．いくつかのの生成が確認でき，700 nm 程度までの波長の光を利熱化学プロセスが提案されているが，ここでは代表的用して，H2O の完全分解が達成できることがわかる．

な方法であるヨウ素－硫黄（IS）法について紹介する．

光触媒によるグリーン水素製造は，生成速度が遅いの

図 6 には IS 法の概念図をしめす．この方法ではブン

で，その実用化はかなり先というイメージがあるが，ゼン反応で H2O と I2 と SO2 を反応させ，HI と H2SO4

実際は生成速度や変換効率がかなり向上しており，水を合成する．この反応は，発熱反応で，200℃程度で分解のためのパネル化の実証例も報告されており

11），進行できる．一方，生成した HI を熱分解して H2 を太陽光変換効率 0.76％が報告されている．さらに水生成し，H2SO4 を熱分解して O2 を回収し，生成した素の生成活性の向上や長期安定性の向上などが必要でI2 と SO2 を 再 度，H2O と ブ ン ゼ ン 反 応 す る こ と で，はあるが，簡単なシステムで水素を合成できることか比較的，低温でも H2 と O2 を合成できる．この方法

ら，低コストの水素製造法として期待がある．仮に太では，HI の分解温度が 500℃以下，H2SO4 の分解に陽光変換効率 10％が達成できると 1.8 $/kgH2 という800℃程度の高温が必要であるが，800℃以下に低温

Solar HeatHigh temp. heat（397 kJ）

Hydrogen
111 kJ
400 〜
500℃

H2＋I2HIdecomposition
HydrogenSeparation
membrane

2Hllodline
circulation
I2

H2SO4→SO3＋H2O→SO2＋0.5 O2＋H2O（3）600-700℃

2HI→ I2＋H2（2）Oxygen286 kJ

ExhaustHert 111kJ

2HI＋H2SO4
I2＋SO2＋2H2O

H2SO41/2O2＋SO2＋H2O

Sulfurcirculation

SO2＋H2 O

H 2O
Water

Bunsen rection SO2＋I2＋2Ｈ2Ｏ→2HI＋H2SO（1）4Fig. 6

Concept of iodine-sulfur (IS) method for thermal splitting of water.

5＜700℃

H2SO4
Decomposition
OxygenSeparation
membraneGS Yuasa Technical Report

2023 年 12 月

第 20 巻第2号

化できると，太陽熱でも十分，H2O の分解を行うこ組みづくり，エネルギーの利用体系の再構築，物質のとが可能であり．大規模化によりグリーン水素の製造リサイクルが重要で，スムースな移行を行うために社法として有望と考えられる．低温下の反応の進行の可会システムのデザインが必要である．地域偏在のない

能性は，膜分離による平衡のシフトと考えられるが，エネルギーとしての再生可能エネルギーとそのキャリ水素透過膜と酸素透過膜を利用することで，ある程度アーとしてのグリーン水素の普及を期待したい．の可能性も報告されていることから，実現の可能14）

引用文献性がある．熱化学法は，大規模になればなるほど，効率に優れることから，今後，太陽熱を利用するグリーン水素製造法としても期待できる．

1. 光島重徳・松澤幸一、水素エネルギーシステム

熱分解法の 1 種として，酸化物の酸化還元を利用

Vol. 36, No.1（2011）.

する方法の提案もあり，CeO2 などが有望な酸化還元

2. H.Michishita, H.Matsumoto, and T.Ishihara,

Electrochemistry , 76,. 288-292（2008）.

媒体として期待される．CeO2 では還元に 1000℃以

3. G.Min, S.Choi, J.S.Hong, Appl. Energy , 328,

上の高温が必要になるが，酸化還元触媒との組み合わせによる 500℃程度の中温での還元が現実化できれ120145（2022）.

4. M.F.Vostakola, H.Ozcan, R.S.El-Emam, B.A.Horri,

ば，太陽熱を用いるグリーン水素の有望な方法になり

Energies , 16, 3327（2023）.

えると期待される．新しい展開により低コストなグリーン水素製造法になる可能性がある

5

5. M.A.Laguna - Bercero, J. Power Sources , 203,．

15）

4–16（2012）.

おわりに

6. M.Carmo, D.L.Fritz, J.Mergel, D.Stolten, Int. J.

Hydrogen Energy , 38, 4901-4934（2013）.

7. T.Takata, et al., Nature , 581, 411-414（2020）.

カーボンニュートラル化に向けて社会システムが大8. Z.Wang, C.Li, K.Domen, Chem. Soc. Rev ., 48,

きく変化しようとしており，このような社会の流れの2109-2125（2019）.

中で，エネルギーの利用体系の総括的なデザインが重9. K.Maeda, R.Abe, K.Domen , J. Phys. Chem. C, 115,

要で，物質の生産や消費を含めて社会全体を見通し

3057-3064（2011）.て，エネルギーを生産し，カスケード利用する仕組みづくりを構築することが求められている．このような

10. H.Hagiwara, M.Watanabe, S.Kim, K.Higashi, T.
Ishihara, J. Phys. Chem. C , 126, 9634 - 9641

新しいエネルギー利用体系の中で，今後の 1 次エネ
ルギーは石油等の化石資源から再生可能エネルギーに（2022）.

11. H.Nishiyama, et.al., Nature , 598, 304-307（2021）.

なるわけであるが，国土が狭く，人口の多い，日本で12. B.A.Pinaud et al. Energy Environmental Sci ., 6.

は引き続き，石油等と同様に再生可能エネルギーを何

1983-2002（2013）.

らかの形で，輸入し，利用する体系づくりが必須であると考えられる，このような役割で，時空を超えてエ13. K.Onuki, S.Kubo, A.Terada, N.Sakaba, R.Hino,

Energy Environmental Science , 2, 491 - 497

ネルギーを運ぶためにグリーン水素が重要な位置づけになるであろう．社会のシステムが，カーボンニュー（2009）.

14. O.Myagmarjav, et. al., Int J. Hydrogen Energy , 44

トラルに向かうためにコストは極めて重要であり，如（35）,19141-19152（2019）.

何に安くグリーン水素を製造できるかが重要である．
現在の石油価格の高止まりを考えると，本稿で紹介し15. W.C.Chueh, C.Falter, M.Abbott, D.Scipio, P.Furler,
S.M.Haile, A.Steinfeld, Science , 330, 1797-1801

たグリーン水素の製造法は，今後，経済性からも，現状のエネルギー利用体系に対して競争的になると期待（2010）.

している．いずれにしても，全体を通しての社会の仕6