水素ガスとブラウンガス発生装置の開発とガス保存と利用方法の構築

MenuBar=2

Ⅲ-1 概 要 水 素 の 作 り 方

水素はそのままの形では地球上に存在していませんから、燃料電池に使うためには、何らかの方法でまとまった量を人工的に作り出さなければなりません。小学校の理科の実験では希塩酸に亜鉛を入れて水素を発生させていましたが、これは短時間に、大量に、低コストで作るのには適した方法ではありません。ここでは実際に現在行なわれている、水素の作り方を紹介しましょう。

化石燃料から作る方法

現在主流となっているのが、天然ガスや石油(ガソリン、灯油、ナフサ)といった化石燃料から水素を取り出す方法です。「短時間に、大量に、低コストで」製造でき、エネルギー効率も良いのがメリットですが、枯渇していく化石燃料を使い、製造過程では二酸化炭素も排出します。本格的な水素社会が実現するころには、もっとクリーンでなおかつ高効率な製造法が確立していることが期待され、この方法はそれまでの橋渡し的な技術として稼働していくことになるでしょう。

高温炉(1000度)での水蒸気改質

無題~都市ガスから水素を取り出す
高温炉における水蒸気改質温度~高温炉に(1000度以上)の水蒸気投入
高温水蒸気改質3~水素ガスによる発電(燃料電池)
大規模に、安価で製造が行なえるとして、現在世界中で最もポピュラーな方法です。天然ガスと石油燃料、いずれを原料にした場合も、高温下で水蒸気と反応させることで水素や一酸化炭素を含むガスが発生し、これを『水蒸気改質』と呼びます。改質ができたら、PSA(圧力変動吸着分離法)という過程で他の物質と分離し、水素だけを取り出します。
ただ、この方法は確かに効率が良いのですが、反応を継続させるために外部から常に熱を送り続ける必要があることと、反応が始まるまで多少時間がかかるという欠点があります。
実際の水素ステーションでは、横浜・大黒で脱硫ガソリンを原料に、横浜・旭ではナフサ、千住ではLPG(液化石油ガス)、青梅では天然ガス、市原では灯油を使ってそれぞれ水素を製造しています。

部分酸化改質

&show(): File not found: "auto-L1ZVhQ.JPG" at page "MenuBar=2";~水蒸気改質方法
燃料に空気を混合して燃焼させ、水素と一酸化炭素を生成する方法です。完全に燃焼してしまわないように、酸素が少ない状態で反応させることから、『部分酸化改質』と呼ばれます。水蒸気改質よりも水素の生成量は少なく、効率は劣りますが、外部から熱を加える必要がないことと、反応が始まるまでの時間が短いことがメリットです。
また、水蒸気改質と部分酸化改質のメリットをバランスよく組み合わせた、『併用改質』と呼ばれる方法もあります。

石炭から作る方法

  • Iwatani-水素とイワタニ~水素ガスの製造と流通システムを構築しています。
    正確には、石炭を蒸し焼きにした燃料であるコークスから作ります。コークスは燃焼時の発熱量が高く、高温を得ることができるため、製鉄所などで使われている燃料です。コークスを製造する際、COG(コークス炉ガス)というガスが発生します。このCOGには55%もの水素が含まれており、硫黄分やタールを取り除いた後、PSAで水素だけを取り出します。
    ただしこの方法、あくまで主目的はコークスの製造であって、水素は副次的に得られるもの。製鉄所でなければ作れないわけですから、効率などは他の方法と比べられるものではないかもしれません。ただし、工業用のため大量に作られる点はメリットですし、せっかくのエネルギーを無駄にしないという点からも有意義な取組みと言えます。
    実際にセントレア水素ステーションではサブ的にこのコークスからの副次生成水素が製鉄所から運ばれて使われていますし、有明水素ステーションでは、より輸送効率の高い液体水素の形で搬送され、水素ステーション内で気体化して充填されています。

水から作る方法(水の電気分解)

化学変化と原子 分子~水の電気分解と原子と分子について説明しています。
水素ガスと酸素ガスの収集
燃料電池の原理は、水素と酸素を反応させて電気を取り出すことですが、逆に、電気を使えば水から水素と酸素を取り出すことができます。それを『水の電気分解』と呼びます。
水素はそのままの形で地球上に存在していませんが、水ならば豊富にあります。また、電気分解による製造過程に限れば、現在主流となっている化石燃料から作る方法と違って二酸化炭素も出ませんから、実にクリーンで理想的な方法と言えます。
しかし、電気分解に必要となる電力は、今の段階ではやはり化石燃料による火力発電で得られた電力を使うことになります。それであれば、最初から化石燃料を改質して水素を作った方が効率は良いので、水の電気分解で水素を作る方法は現在のところ主流ではないわけです(すべてを原子力発電による電力でまかなったとしても、「短時間に、大量に、低コストで」という面で見た場合に、やはり今の段階では効率的ではないのです)。ちなみに相模原水素ステーションでは、この方式で製造しています。
化石燃料というのはいつか枯渇するものですから、いずれは太陽光や風力といった自然エネルギーによる電力で水の電気分解を行い、そこで得られた水素を使って車を動かしたり、各家庭に供給していくようになるのが理想的なのは間違いありません。

その他の方法

低温ガス炉内でのメタノール/エタノール改質

低温反応~低温(800度C)反応
低温ブンゼン反応~低音ブンゼン反応
メタノール(メチルアルコール)やエタノール(エチルアルコール)を改質して水素を作ります。メタノールやエタノールと水を蒸発させ、触媒を使って反応させることで、発生した水素を分離します。化石燃料よりも安全性が高く、また、水素製造時の反応温度も低く抑えられるのが特徴です。川崎水素ステーションは世界初のメタノール改質方式による水素供給設備です。
また、昨今注目を集めている、植物や生ゴミなどから生まれたメタンガス、エタノールなど、いわゆるバイオマス燃料を原料とし、改質を行なう方法も、よりクリーンなエネルギーを目指して研究が進められています。

Ⅲ-2>水素ガス発生装置の精製と水素ガスの現状

実施例1~水の電気分解と水素ガス透過膜による酸素ガスとの分離にて水素ガスを取り出す

■水の電気分解は高純度の水素ガス/酸素ガスを改質器(透過膜)にり分離する事が出来ます.
電極棒や電気分解液は塩化ナトリウム/水酸化ナトリウム/水酸化カリウム/水酸化マグネシューム/水酸化アルミニュームが主として使用しますが、メーカーによって違いがあります.改質器(透過膜)は現在の所パラジウム合金材質のものを主に使用しています.

実施例2~化石燃料燃焼ガスへの水蒸気投入後触媒有害ガス除去/水素透過膜にて水素ガスを取出す→水蒸気改質→触媒→水素透過膜

水蒸気改質→触媒→燃料電池用ガスを実施しているサイト

高温 高圧の水蒸気改質について説明サイト

■一般家庭でのお湯焚きや焼却炉での排煙筒部に微細な水蒸気を噴霧投入する事により高温の水蒸気を含んだ排煙中の有害ガス(NOX CO2 HC CO HC SCX PM)を取り除くのが触媒材です.触媒材は一般的に活性炭等を使用しますが、排煙中のガス内容により触媒材やその触媒方法は各メーカーにより異なる企業秘密の分野です.

Ⅲ-3>水蒸気改質の水蒸気投入口部の開発

ステックミキサー混合機~ステックミキサー混合様式

Ⅲ-4>水素透過膜と水蒸気改質膜の開発

◆水素透過膜は水素ガスの性質上超微細元素で各種の金属組成内部を通過又は滞在する性質を有する事で知られています.

実施開発例1~水素透過性パラジウム合金膜参考資料/製造メーカー

田中貴金属製-水素透過膜について-田中貴金属-水素透過膜

水素透過膜パラジウム合金

実施開発例2~金属ガラス合金膜(アモルスファイト合金)参考資料/製造メーカー

-東北大と東工大,安価なニッケル系金属ガラス製水素分離膜を開発-産業動向

◇上記サイト内容
改良水素通過膜
東北大学金属材料研究所全国共同利用(東京工業大学)応用セラミックス研究所は,従来のパラジウム・銀(Pd-Ag)合金と同程度に水素ガスを効率よく分離できるニッケル(Ni)系金属ガラス複合材料製の水素分離膜の開発にメドをつけた。高価なパラジウム・銀合金に対する安価な代替材料として期待している。
 開発したニッケル系金属ガラス複合材料は,ニッケル層,リン酸塩ガラス層,ニッケル系金属ガラス層,リン酸塩ガラス層,ニッケル層という5層構造になっている(図)。5層構造の水素分離膜の厚さは約50μmで,大部分をニッケル系金属ガラス層が占めている。
 安価な水素分離膜の実用化を目指す東北大金研は,ニッケル・ニオブ・ジルコニウム(Ni-Nb-Zr)合金のアモルファス合金が優れた水素透過能を持つことに着目し,その改良版としてニッケル・ニオブ・ジルコニウム・コバルト(Ni-Nb-Zr-Co)合金を開発し,さらに「銅(Cu)を添加することで水素透過能を大幅に改善した」(山浦真一准教授)。コバルト添加によって耐水素脆性(ぜいせい)を,銅添加によって水素透過係数を,それぞれ改良することに成功した。この改良版の合金組成の溶融液から急冷凝固法によって厚さ50μmの薄体(幅100mm)を作製した。
 一方,東工大応用セラ研は水素分離膜として,リン酸塩ガラスを研究開発していた。酸化タングステンを含むリン酸塩ガラスはガラス転移温度(Tg)以下では優れた水素透過能を示すことから,耐酸化性に優れた水素分離膜として期待されていたからだ。水素分離膜として実用化するための課題は薄膜化による高性能化だった。応用セラ研は,東北大金研が開発したニッケル・ニオブ・ジルコニウム・コバルト系金属ガラスに着目し,この金属ガラス薄体を基材として利用し,その表面にリン酸塩ガラス層を積層することで薄膜化を実現した。
 積層の手法は,アルゴン・フッ素レーザー(4J/cm2・10Hz)によるパルスレーザー堆積(たいせき)法である。厚さ50nmの酸化タングステン含有のリン酸塩ガラス層を金属ガラス薄体の両面に積層した。応用セラ研は,作製時のポイントが酸化タングステン層内に酸素が不足する酸素欠陥をつくらないことであると,XPS(X線光電子分光)分析結果から解析した。パルスレーザー堆積時には酸素分圧を相対的に高めの10Paとして酸素欠陥の生成を抑制した。
 酸化タングステン含有のリン酸塩ガラス層の外側(両方)に,さらにニッケル層(厚さ20nm)を積層した。ニッケルは水素ガスを分子から原子に分解し,層内に水素原子が浸透し拡散しやすくする役目を果たすからである。同時に,リン酸塩ガラス層はニッケル層のニッケル原子がニッケル系金属ガラス層に拡散していくのを防ぐバリヤーの役目を果たしていると考えられている。
 400℃でのニッケル系金属ガラス複合材料の水素ガス透過能を,水素ガス供給側と透過先側で圧力差0.3MPaで調べたところ,約2×10-6mol/cm2・sと優れた水素透過能を示した。今後は,ニッケル系金属ガラスのTgを高温に引き上げることで,リン酸塩ガラス層などの水素透過能を改良し,複合材料としての水素分離機能を改善する計画だ。さらに,実際に燃焼ガスから水素を分離する検証も実施する予定である。将来は,メタノールと水の混合物を300℃まで加熱して気化し,銅系触媒によって水素ガスと二酸化炭素の混合ガスに改質し,この混合ガスから水素ガスを分離するシステムを開発する計画だ。
 本研究開発は,東北大金研と東工大応用セラ研,大阪大学接合科学研究所の材料系3研究所が全国共同利用研究所連携プロジェクトとして「金属ガラス・無機材料接合開発共同研究プロジェクト」として実施した研究開発成果の一つである。この連携プロジェクトは平成17年度(2005年度)から5年間実施され,平成21年度で終了する計画だ。

実施開発例3~ニオブ タングステン モリブデン合金膜製造メーカー

実施開発例4~水蒸気中の酸素透過性セラミック膜開発者:田村仁研究グループ

Ⅲ-5>水素透過膜と酸素透過性セラミックス膜 を利用した改質器の設計協力会社

パイプ状(チューブ状)透過膜開発依頼する企業リスト

◇ニオブ合金チューブ(パイプ)の製造に関するお問い合わせ先

★--ニオブ系合金水素透過膜について(PDF)--名古屋大学 湯川宏ホームページ''
Eメール;hiroshi@numse.naqova-u.ac.jp

★--日立金属-ニュースリリース-2012年~詳細はサイト内のPDFファイルを開いて下さい
ニオブ合金膜~日立金属製のニオブ合金透過膜の開発
住所:105-8614 東京都港区芝浦1-2-1(シーバースN館)
日立金属株式会社 コミニュケーション室 特殊鋼カンパニー
TEL:03-5765-4079 FAX:03-5765-4121 (竹原)
コンタクトEメール:
ホームページ特殊鋼カンパニー

★--ブランデーションジャパン株式会社 チューブ事業部''
住所:〒107-0052 東京都港区赤坂2-17-22 赤坂ツインタワー8F
TEL:03-3568-2451 FAX:03-3568-2450 Eメール:iapan@plansee.con
コンタクト:お問い合わせページ

★--タングステンリボン<タングイテン・モリブデン製品-日本タングステン㈱''
住所:〒812-8538 福岡市博多区美野島1丁目2番8号
TEL: 092-415-5500(代表)
FAX: 092-415-5511(代表)
E-mail:お問い合わせフォーム

◇アモルファス金属チューブ(パイプ)に関するお問い合わせ先

「金属ガラス・無機材料接合開発共同研究プロジェクト」

★-日立金属>製品情報>電源部品>非晶質金属材料アモルスファルリボン
住所:〒105-8614 東京都港区芝浦一丁目2番1号(シーバンスN館)
特殊鋼事業部 TEL:03-5765-4410
ロール事業部(チューブ化事業部) TEL:03-5765-3075
アモルファスリボンは電源部品になっているがチューブ状にする事を願うものである
電源部品事業部 TEL:03-5765-4463
コンタクト:お問い合わせフォーム

◇酸素ガス透過膜チューブ(パイプ)セラミック膜作成に関するお問い合わせ先

★-高村研究室ホームページと連絡先--高村 仁
住所:〒980-8579
仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-11-301-2-2
東北大学大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻 高村研究室
工学研究科総合研究棟の3階301-2です。
TEL:  研究室:022-795-3939 高村教授室:022-795-3938
Eメール:takamura@material.tohoku.ac.jp

★-セラミックス.com:産業用セラミックス セラミック加工メーカー情報等を提供--セラミック管 アルミナ管のテクニカル セラミック オンライン--セラミックモールド(有限タクミ)

★-菊水科学工業㈱セラミック事業部
住所:〒509-0103 岐阜県各務原市各務町5丁目15番10  各務町工業団地内
コンタクト:お問い合わせフォーム

★-セラミックチューブ㈱ハギテック
住所:〒284-0001 千葉県四街道市大日246-7
TEL:043-423-8741 FAX:043-423-8684
Eメール:info@hagitec.co.jp
コンタクト:お問い合わせフォーム

Ⅲ-6>ブラウンガス(水素-酸素)改質器設計図とパーツリスト

 設計図ここにかく

powered by Quick Homepage Maker 4.81
based on PukiWiki 1.4.7 License is GPL. QHM

最新の更新 RSS  Valid XHTML 1.0 Transitional