水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術 (01-05-02-05)

＜本文＞
１．ＷＥ−ＮＥＴ構想
　水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術（WE-NET： World Energy- NETwork）は、世界各地に未利用のまま豊富に賦存する水力、太陽光、地熱等の再生可能エネルギーを、水の分解により水素に変換し、輸送・貯蔵して、発電、輸送用燃料、都市ガス等で利用するための国際的なクリーンエネルギーシステムの構築を目的として、国際協力によって、中核となる要素技術を確立し、最適なシステム設計を推進しようとするプロジェクトである。WE-NETの概念を図１に示す。
　1993年度から1998年度までの6年間にわたる本プロジェクトの第1期の研究開発では、全体システム、水素製造技術、水素輸送・貯蔵技術、水素利用技術等に係る基礎的な研究および要素技術の研究開発を行い、全体システムの最適化設計に必要な基盤を確立するとともに、システム構築の鍵となる中核技術の研究・開発を推進した。
　1999年度に始まる第2期では、水素エネルギーの段階的導入を図るために、短期・中期で実用化を目指す水素自動車システム、水素供給ステーション、自動車用水素貯蔵材料、純水素供給固体高分子型燃料電池および水素ディーゼルエンジンの開発を盛り込み、研究を推進している（表１）。
２．2000年度の成果
　第2期における開発項目は、12のタスクに分けられ、それぞれについて調査・研究が進められている。
＜タスク1＞システム評価に関する調査・開発（システム研究）
・開発目標：種々の製法で得られる水素の利用システムのエネルギー効率、環境性及び経済性を評価し、水素導人のための戦略を検討する。さらに、112タスクの各研究開発項目間の調整等を行い、研究開発の統一的推進を図る。
・成果：システム検討では、LCAの一部である燃料サイクル分析により有望な水素エネルギーシステムの選定を行った。実データに基づく試算では、短期及び中期の水素源に鉄鋼系副生水素、とくにCOG副生水素が低価格で、供給ポテンシャルも有望であることを示した。また、太陽光発電と風力発電及び水素を二次エネルギーとするシステムが離島の自立型エネルギーシステムとして経済的に成立する可能性があることを明らかした。水素導入シナリオの検討では、日本における必要水素導入量、水素需要量及び水素供給ポテとシヤルを評価し、産学各分野の有識者からなるワークショップを開催し、水素エネルギー普及のための技術項目及び課題を明らかにした。
＜タスク2＞安全対策に関する調査・検討（システム研究）
・開発目標：水素の拡散及び爆燃等の実験による検証を基に、安全評価手法を確立する。また、予備的な安全評価を実施し、その結果に基づき、安全設計指針の検討を行う。
・成果：水素供給ステーションにおける潜在的な事故事象を抽出し、これらの中から水素貯蔵においては、タンクからの連続水素放出を代表事象に選定した。また、定量的な安全評価を実施するうえで必要な主要機器、タンク、配管等の故障率等を文献調査し、液体水素の連続流出に伴う水素の挙動を実験で把握した。これを参考にしてシミュレーションコードを改良し、モデルを構築した。また、ダクト内及び準開放空間における水素/空気爆燃実験を行い、これらの爆燃現象をモデル化し、計算によりシミュレートした。
＜タスク3＞国際協力に関する調査・研究（システム研究）
・開発目標：WE-NETと深く関連した水素エネルギー技術の標準化研究等に係る国際的な研究協力および当該研究計画を効率良く行うため、国際的な情報交流を推進する。
・成果：水素に関する数多くの国際会議においてWE-NETの活動、成果を発表した。また、国際的技術情報交換を容易にするため水素エネルギーの海外研究機関に関する調査や、燃料電池の開発動向に関する調査を実施した。水素の標準化研究においては、米国の水素に係る法規関連を調査するとともに、IS0/TC197審議中、報告書案に対する検討を行った。
＜タスク4＞動力発生技術の開発（水素利用技術）
・開発目標：環境影響物質無排出、送電端効率45％程度（高位発熱量基準）及び総合効率85％以上（高位発熱量基準）を達成し得るコージェネレーション用の、単筒機で100kW級水素ディーゼルエンジンを開発し、実用化のための研究開発課題を抽出する（図２）。
・成果：要素技術開発においては、水素噴射装置、排ガス凝縮器・気液分離装置、過給機・膨張タービンの開発を進め、基礎試験及び解析を行った。単筒実験機システム開発としては、水素供給系統、作動ガス循環ライン及び実験室建家の詳細計画並びに単筒実験機燃焼室の設計、さらに、クローズドサイクルシステムの検討を実施した（図３）。
＜タスク5＞水素自動車システムの開発（水素利用技術）
・開発目標：水素燃料電池自動車の燃料系システムの要素技術開発を行う。また、水素供給ステーションと組み合わせた水素自動車走行システムの技術検証が2001年度後半に行えるよう計画を実施する。
・成果：急速充填法の開発において、25分の1スケールの試験用MHタンクを用いた水素充填実験の結果、10分以内で25Nｍ³の水素を急速充填できる実体タンクの設計指針が得られた。また、アルミニウム製容器ＭＨ実体タンクを用い、車両衝突時を想定した落下／落錘実験、耐火試験、水素燃焼試験などによる事故発生時におけるMH特有の特性に起因する現象の把握及び前年度に引き続き水素の吸蔵・放出に伴うMHタンクの変形の調査を行った。
＜タスク6＞純水素供給固体高分子型燃料電池の開発（水素利用技術）
・開発目標：送電端効率45％程度（高位発熱量基準、低位発熱量基準で50％程度）を達成し得る純水素燃料に適合した燃料電池発電システムの要素技術を確立し、定置用30〜50kW級発電システムの実証を行う。
・成果：水素の利用率が高い純水素供給固体高分子型燃料電池に適したカソード内部加湿法の開発及び分割スタック方式（シリアルフロー方式）の開発を行い、水素利用率が96％でも発電可能であることを確認した。また、純水素30kW級発電プラントのプラント仕様、システム構成、安全性及びプラント物質収支の検討を実施した。さらに、プラント周辺システムに関しては供給水素ガスの調湿システムの基本設計が完了した。
＜タスク7＞水素供給ステーションの開発（水素利用技術）
・開発目標：水素自動車への燃料供給を目的としたスタンドアローンタイプの水素供給ステーションの要素技術及びシステム化技術を確立するため、実用規模の水素供給能カの10分の1程度に相当する30Nｍ³/時の小規模試験システムの開発、実証を行う。
・成果：天然ガス改質型及び固体高分子電解質水電解型の2方式の水素供給ステーションにおいて、水素吸蔵合金を使用する低圧充填システムに高圧ガス充填システムを追加した水素供給ステーションの全体システム詳細設計及び主要構成機器の詳細設計並びに一部機器の製作を行った（図４）。また、各種水素ステーションに対する技術指針を作成するための調査・検討に着手した。
＜タスク8＞水素製造技術の開発（水素製造技術）
・開発目標：固体高分子電解質水電解法に関する技術開発を行い、電流密度1A/cm²以上、エネルギー変換効率90％以上の性能を有する電極面積2500cm²の積層化電解槽を実現する。また、既存材料と同等以上の性能を有する耐高温固体高分子電解質膜を開発する。ここで、水素供給ステーションの研究開発と連携して、小窺模水素製造システム（電極面積1000cm²、積層型）の開発を行う。
・成果：大面積電解セル積層化（電極面積2500cm²、10セル）の開発を実施すると共に、タスク7（水素供給ステーションの開発）と連携し、水素ステーション用電解セル（電極面積1000cm²、25セル）の製作に着手した。また、水素製造装置の実用規模における概念設計を実施し、最適運転条件等の水素製造コストに与える影響を検討した。耐高温固体高分子電解質膜の研究開発においては、数種類の高分子電解質を合成し、その特性評価を実施した（図５）。さらに、水電解に関する最新の文献調査を実施し情報収集を行った。
＜タスク9＞液体水素輸送・貯蔵技術の開発（水素輸送・貯蔵技術）
・開発目標：液体水素の輸送及び貯蔵に共通する断熱構造の開発を行うとともに、液体水素ポンプの要素技術開発、液化用水素圧縮機等の概念設計を実施する。
・成果：PUF真空断熱構造体とパーライト粉末常圧断熱構造体の断熱特性を測定した。その結果、常圧タイプの試験体では予想以上に熱伝達が大きく、液体水素の断熱材としては見直し検討が必要と考えられる。また、断熱材に強度を要求する設計も考慮して、液体水素温度域での種々の断熱材の低温強度をデータベース化するため、微小球の低温強度試験を実施した。共通機器類としての高圧液体水素ポンプの開発では、2000年度は液体水素用高速軸受けとして考えられている磁気軸受けでの36000rpm定格運転を達成することができた。しかし、今後は、連続運転可能な汎用液体水素ポンプ用の静圧軸受けに関する研究開発が必要と考えられる。水素液化設備の概念設計では、1999年度まで液化設備の効率に大きく影響する水素圧縮機に注目し、その中で最も効率の高い比校的大容量で使用されるターボ型圧縮機を選定して要素開発を行ってきた。しかし、2000年度は、自動車用水素ステーションにおいて考えられる小容量水素液化設備に焦点を絞り、効率の良いターボ型水素圧縮機がどのような設備容量において採用できるか検討を行った。その結果、10t/日程度の液化設備まではターボ型圧縮機が採用でき、それ以下の容量の設備ではターボ型とスクリュー型を組み合わせたターボスクリューハイブリッド型か、スクリュー型が現実的との結果を得た。
＜タスク10＞低温材料の開発（水素輸送・貯蔵技術）
・開発目標：液体水素雰囲気下での材料特性試験を行うとともに、最適溶接材料及び最適溶接法に係る要素技術開発を実施する。また、材料特性データベースの拡充を図る。
・成果：液体水素の輸送・貯蔵容器用の低温材料の評価のため、液体水素雰囲気下を含む室温から低温度の温度域で、材料特性評価試験を実施した（図６）。特に、溶接部での低温靭性の評価と改善を目的に、新たに開発された溶接・接合法も含む各種溶接法の特性を把握した。
＜タスク11＞水素分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発（水素輸送・貯蔵技術）
・開発目標：移動体および定置式設備用として、有効水素吸蔵量３質量％以上、放出温度100℃以下、5000サイクル時の吸蔵能力が初期の90％以上である水素吸蔵合金の開発を行う。
・成果：開発されたV-Ti-Cr-Mn合金（有効水素量2.6質量％、現時点世界最高）は「消防法における危険物には該当しない」と判明。この合金は純水素中では10回吸放出繰り返しで劣化は生じないがＯ2及びCOが混入すると大きな劣化が生じること、この劣化は水素ガスのフラッシングで完全に回復することが判明した。また、Ｖを含有せずにＶ基合金に近い特性をもち耐久性とコストに優れたTi-Cr-Mo合金が開発された。さらに、有効水素吸蔵量が約2質量％の、Mg-Ca系では世界ではじめて常温・常圧での水素吸放出可能な、Mg-Ca-Ni三元系合金を開発。Mg-Ca系では世界ではじめて常温・常圧での水素吸放出可能な合金に成功した。資源・コスト・作動特性の面から非常に高い実用性をもっと期待される。NaA1水素化物はWE-NET条件で3.6質量％の有効水素吸蔵量をもち、125℃・125気圧・1.5hでほぼ再水素化できることが明らかになり、実用への可能性が高まった。
＜タスク12＞革新的・先導的技術に関する調査・研究（革新的・先導的技術）
・開発目標：水素利用、水素製造、水素輸送・貯蔵に係る技術のうち、上記タスク1〜11以外の革新的・先導的技術について並行的に調査及び基礎研究を行う。
・成果：
（1）概念検討結果の評価
　2000年度の新規提案は５件、この内、次の4件について概念検討を実施した。
　1）天然ガスを原料とした二酸化炭素を発生させない水素製造法の調査と副産物の評価
　2）水素選択性ヒドロゲナーゼセンサーの技術的可能性調査研究
　3）ナフテン系水素貯蔵輸送媒体の新規脱水素反応の調査
　4）非平衡メタン改質型ガスタービンシステムの調査研究
（2）基礎研究結果の評価
　基礎研究としては、「磁気冷凍法による水素液化技術の基礎研究」を実施した。研究結果より水素液化量10kg/日、システム効率50％、ベルトチェーン方式水素液化機の基本設計を実施し、磁性材料の選定及び調合により十数種類の適正磁性材料を選定した。その結果、2000年度の研究目標は達成された。

＜図／表＞

＜関連タイトル＞
熱化学水素製造 (01-05-02-03)
電解式水素製造 (01-05-02-04)

＜参考文献＞
（1）資源エネルギー庁（監修）：1999／2000 資源エネルギー年鑑、通産資料調査会（1999年1月）， p.725-740
（2）福田健三：WE−NETプロジェクト第１期研究開発成果の総括、エネルギー・資源、21（1），p.26-32（2000）
（3）新エネルギー・産業技術総合開発機構水素・アルコール・バイオマス技術開発室：水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術（WE-NET）研究開発の中間評価以降の成果概要（報告書）、1999年
（4）資源エネルギー年鑑編集委員会（編）：2003/2004資源エネルギー年鑑、通産資料出版会（2003年1月）、p.227-233
（5）新エネルギー・産業技術総合開発機構：刊行物，パンフレット，水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術（WE-NET）第II期研究開発