理学部 物理科学科 大森 隆 教授

「使う場所」で「使う分だけ」エネルギーを作る安価で効率の良い水素製造方法の構築にむけて

「脱・二酸化炭素」は、いまや工業会のキーワード。
二酸化炭素を発生させないクリーンエネルギーの原料として、
水素が注目されている。
新しいクリーンエネルギーの製造・普及を
本格的に進めるために、乗り越えなければならない
いくつかの課題をクリアしていくことが必要である。

理学部 物理科学科 大森 隆 教授

使う場所で使う分だけ作る分散型システムの開発がのぞまれます。

  地球温暖化の最大の原因とされる二酸化炭素を発生しないクリーンエネルギーとして、水素があらためて注目されています。その水素を各家庭で、太陽光発電の電気を使って水を電気分解して作り出し、家庭用やマイカーの燃料電池などに使う。こうした「分散型水素製造システム」の研究を進めています。わざわざ各家庭で太陽光発電をしなくても、電力会社の電気で水の電気分解はできますが、二酸化炭素を発生させる火力発電所の電力を使っていては、あまり意味がありません。それでは、「環境に優しいシステム」にならないからです。政府も今年度から、家庭での太陽光発電導入への補助を再開するなど、ようやく太陽光発電に力を入れはじめました。分散型システムの先行きは明るいといえましょう。

 世界の水素生産量のほとんどは、天然ガスやナフサなどの化石燃料を分解して作られています。この手法は工業的製造法として古くから確立しており、製造コストもたいへん安価ですむのですが、製造時に大量の二酸化炭素を放出してしまうという問題点があります。もっとも放出量の少ない天然ガスを使う場合も、1立方メートルの水素を作ると、1キログラム近い二酸化炭素を放出するとされています。このため、水を分解して作る方法があらためて注目されるようになりました。

 ただ、たとえ水分解法で水素を作る場合も、遠方の大規模プラントで製造して運んできて使う方式では、輸送コストがかかり、エネルギーロスも発生してしまいます。広大な工場敷地も必要のうえ、設備の構築・維持も大変です。エネルギーは使う場所で使う分だけ作る分散型システムが、一番環境に優しいのです。

北上 光志 教授

■分散型水素製造メリット
大規模集中型でなく小規模分散型で水素製造すれば、簡単な製造装置ですみ、輸送コストも節減できる。

水分解法でクリーンエネルギー水素を作るために、新しく開発すべき技術や素材があります。

 水分解法には熱化学分解、光分解などいくつかの方法がありますが、もっともよく知られているのは電気分解法です。大別すると、アルカリ水電解法と固体高分子電解質水電解法があります。

 固体高分子電解質水電解法は、製造効率は一般的にいいのですが、コストが高くつきます。反応に使うイオン交換膜や触媒が高価なためです。それに比べるとアルカリ水電解法は、まだ効率は低いのですが、コストが安いのが利点です。アルカリ水電解法には高温の水蒸気を使う方法もありますが、大きな設備が必要で多少危険性も伴うので、家庭向きではありません。ですから、水酸化カリウム水溶液を使った従来型のアルカリ水電解法を研究しています。広く普及させるには、コストが安く、安全で使いやすいことが、なによりも大事なことですから。

 アルカリ水電解法は、電解質を溶かして導電性を高めた水溶液に電気を通すと、プラスの電極側から酸素、マイナスの電極側から水素が発生します。学校の理科の実験でもおなじみの方法で、構造はきわめて簡単ですが、製造効率が低く、アルカリ水溶液を使うため、電極がすぐに腐食してしまう難点があります。水力発電がさかんで電気が安いエジプトやカナダなどではアルカリ水電解法商用プラントも稼働していますが、日本では工業化されていません。

 電極は、特殊な表面処理で腐食を少しでも防ぎ、現在は数カ月しかもたないのを、2年、3年、5年ともつようにするため、大阪のメッキ専門会社である(株)太洋工作所と共同研究しています。白金を電極に使えば腐食の問題は解決しますが、コストがとても引き合いません。水の分解に使う電気も少しでも減らし製造コストを抑えるため、通常は2ボルトの電気を使うのを1.8ボルトまで下げ、それでも1時間あたり20リットルの水素をつくれるようになりました。発生した水素と酸素をきちんと分けるため、反応槽に入れる隔膜もニッケル系の新素材で新規開発しました。

  • Co2による地球温暖化
  • 分散型エネルギーシステム

    ■分散型エネルギーシステム
    太陽光発電の電気を使い水を電気分解して作られた水素は、家庭用コージェネレーションやマイカーの「燃料」に使われる。

家庭でも車でも使える燃料電池の実現・普及に向けて。

 水素は燃料電池のエネルギー源として有力ですが、普及するには発電効率、コストなど燃料電池自体の開発・改良と同時に、「燃料タンク」となる水素吸蔵合金も、軽くて安くて使いやすく、より多くの水素を貯蔵できる合金の開発が必要となります。その研究も数年前から進めていて、マグネシウム系合金をターゲットにしています。マグネシウムは単独では重量比7.6パーセントもの水素を吸蔵しますが、300〜400度という高温でなければ水素を放出しないという難点があるので、常温でも放出させられる最適な合金の開発を、新日本石油(株)と共同研究しています。

 マグネシウム系合金は軽くて比較的安価ですので、家庭用コージェネレーションや自動車の「燃料タンク」にも応用できる可能性があります。重量比数パーセントの吸蔵能力を持つ合金ができた段階で、さらなる能力アップをめざしています。

 前任の地球環境産業技術研究機構(RITE、京都府木津川市)では4年間、光触媒による水素製造法を研究していました。光触媒の酸化チタンに光をあてると、強力な酸化作用を引き起こし、水を分解して酸素と水素を発生する現象(本多、藤嶋効果)を利用した製造法。東京大学工学研究科の院生(博士課程)だったとき、藤嶋昭教授の指導を受けて研究を始めました。しかし、製造効率がどうしても上がらなかったため、電気分解法に研究対象を切り替えました。

 製造法は異なりますが、太陽光を使って水から水素を作るというコンセプトは同じ。今度こそ実用化を実現したいと思っています。

  • 太陽電池パネルとアルカリ水電解槽

    ■太陽電池パネルとアルカリ水電解槽
    太陽電池パネル(手前)で発電した電気を使い、後ろのアルカリ水電解槽で水素を製造する実験装置。

  • マグネシウム系水素吸蔵合金

    ■マグネシウム系水素吸蔵合金
    新規開発したマグネシウム系水素吸蔵合金は、軽くて比較的安価なのが強み。

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