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

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Ⅰ-1> 水 素 概 要 水 素 の 貯 蔵 方 法

燃料電池自動車(FC車)
燃料電池で電気を生み出すためには、水素を搭載しなければなりません。たくさん水素を貯めていれば、それだけ長時間、充填せずに動かすことができますが、動かす機械そのものの大きさの限界もあります。ですからいかに効率よく、小さな容量にたくさんの水素を貯めることができるか、常に研究が進められているのです。ここでは、代表的な水素の貯め方と、それぞれのメリットを紹介していきましょう。

気体で貯める方法

■高圧タンク

  • 高圧水素タンク画像
    圧力ボンベ
    2007年2月に行なわれたFC EXPOに出品された高圧水素タンク。見た目も頑丈そうだ。
    アルミを使ったタンク新材料として軽くて丈夫なアルミを使ったタンクも出現。
    これは燃料電池車でおなじみのやり方で、水素を気体のままでタンクに貯めます。水素は軽い=密度の低い気体ですから、限られたタンクの容積内にできるだけたくさん積むために、ギュウギュウに圧縮して詰め込まなければならないので、高圧タンクと呼ばれます。どのくらい高圧なのかというと、何もしない状態を1気圧として、現在多くの燃料電池車で使われているタンクの規格が350気圧(35MPa)ですから、350倍も圧縮して詰め込んでいるわけですね。ちなみに従来のガスタンクの内圧が150気圧(15MPa)ですから、それと比べても倍以上です。また、それをさらに倍にした700気圧(70MPa)の高圧タンクも開発され、既に実用化のメドが立っています。70MPaのタンクを搭載したFCVの航続距離は400km以上になるといわれ、ガソリン車とさほど遜色はなくなります。
    メリットとしては、気体のまま貯めることで、燃料としてすぐに使えることが挙げられます。他の方法に比べ、容器の大きさに対して貯められる量が少ないという欠点はありますが、700気圧のタンクの登場で、今では少なくともそう大きなデメリットとは言えなくなりました。
    しかしあまりに圧力が高くなると、水素漏れや爆発といった危険性も高まります。タンクも高圧に耐えるため分厚く丈夫なものにせねばならず、余計に容器が大きくなるというジレンマもあります。ちなみに強度や衝撃耐久性をチェックするため、水素を充填したタンクをライフルで射撃するなんてテストも行なわれているとか。また充填や運搬、貯蔵の過程で、水素を扱うこと自体に危険も伴いますから、安全のために法的な規制もあり、それが水素ステーションなどのインフラ整備への課題ともなっています。

■低圧タンク(ボンベ)

  • 低圧水素ボンベ画像
    低圧ボンベ
    クリモトの燃料電池電動カートと車イスに搭載されている低圧水素ボンベ。高圧タンクほどに詰め込まず、低い圧力でタンクやボンベに貯める方法です。10気圧(1MPa)以下であれば現行法には抵触しないため、新たなインフラ整備が特別に必要でないというメリットがあります。しかし、貯められる水素の量が少ないので、あまり長時間連続で動かす用途には向きません。現在、電動カートや車イスといった、それほど遠出を必要としない乗り物で、実証実験が行なわれています。

液体で貯める方法

水素を液体にすると、気体の状態の1/800の体積になります。そこで液体の状態で搭載してしまおうというのが、液体タンクの考え方です。そうすると、同じ大きさの容器の中に、気体の状態で搭載するよりたくさんの量を貯めることができます。
ただし気体を液体の状態にするには超低温(-253度C)に冷やさねばならず、水素の場合はマイナス253度です。そこまで冷やすだけでもものすごいエネルギーが必要になる上に、その状態を保つのもたいへんです。タンク内の温度が上がるとどんどん気体になっていきます(この現象を「ボイルオフ」と呼びます)から、断熱が万全でないと、タンクが爆発する恐れもあります。
700気圧の高圧タンクが実用の粋に達してきた昨今、わざわざ液体で貯める意義は薄れてきていますが、BMWやGM、GM傘下のオペルなどが、液体水素タンクを開発して実用評価を行っています。BMWは、貯蔵開始後からボイルオフが始まるまでの時間を3週間程度まで延ばすことに成功したといい、その実用性が注目されています。
■外部リンク(黄色)
高圧水素タンク技術の進歩高圧水素タンク技術の進歩によって加速した、燃料電池自動車の実用化-自動車情報フラットフォームマークラインズ
水素貯蔵合金|関連発明 (アスタミューゼ)

こちらもFC EXPOに出展されていた、高圧水素と水素貯蔵合金のハイブリッド・タンク水素吸蔵媒体と呼ばれる金属に水素を吸い込ませて貯蔵する方法です。

金属に吸わせる方法

水素吸着合金の反応
水素吸蔵合金貯蔵 タンク(ボンベ)図表
代表的な水素吸蔵合金として、LaNi5、FeTi、Mg2Ni などがあります。
水素吸着合金ボンベ

気体で貯める方法

  • ハイブリットタンク
    原料で貯める
    金属はそれぞれ独自の結晶構造を持っていて、固い金属といっても、ものすごくマクロに見ると、分子と分子の間にはスキマがあります。大きな箱の中に野球のボールを詰めたところをイメージしてください。箱いっぱいに詰めても、ボールとボールの間には結構スキマがありますよね。対して水素の分子は鉄よりもはるかに小さいので、野球のボール同士のスキマにパチンコ玉を詰めていくように、金属に水素を貯めることができるというわけです。そのように水素を取り込む特性を持つのが水素吸蔵合金です。水素を取り出すには、外部から熱を与えてやればよく、乗用車では燃料電池からの廃熱を利用可能です。
    水素吸蔵合金を使うと、水素を分子状態で貯蔵するため、気体の1/1000かそれ以上と、液体水素よりもコンパクトに、省スペースで貯蔵できます。また、超低温にする必要もありませんし、圧力も低いので安全性も高いというメリットもあります。
    ただし欠点は重いことです。400kmの航続距離を実現するためには4kgの水素が必要になりますが、それを吸蔵するためには計300kgの合金が必要といわれています。これでは重すぎて、とても乗用車には搭載できません。現在、軽量化を目指してより高効率な水素貯蔵合金材料の研究が盛んに行われていますが、まだまだ実用には遠いのが現状です。

金属合金以外(MgH2/カーボンナノチューブ)の水素吸蔵

  • マイクロMHタンク画像
    一方、電力消費量の少ない小さい機器であれば、それなりに軽くできます。2007年2月のFC EXPOでは、日本製鋼所から携帯電話などモバイル機器向けの「マイクロMHタンク」が出品され、注目を集めていました。インフラに関しては店頭で水素充填を行なえるようにする案や、家庭で水を電気分解して水素を作って充填するための装置も参考出品されました。ワンセグなど次世代の携帯電話はますます電力消費量が多くなり、対して充電にはなかなか時間のかかるものですから、水素の形ですぐに充填できる燃料電池の特性を生かした面白いアイディアと言えます。

水素そのものでなく、原料で貯める方法

FC EXPOに出展された、栗田工業株式会社の、液体を使用しないDMFCモデル。 液体メタノールに比べて安全性と携帯性に優れ、また従来必要だった水が不要になり、実にシンプルなシステム構成が可能になる
気体ではタンクが大きすぎ、液体では温度管理が厳しすぎ、吸蔵合金では重すぎる…水素そのものを搭載するには、それぞれの方法で欠点があります。そこで、水素そのものを搭載するのではなく、水素を作り出す原料の一つで、比較的扱いやすいメタノールを貯めて、随時水素に改質していこうというのが、「メタノール改質方式」です。
高圧水素よりもメタノールのほうが安全で扱いやすく、インフラの整備という面でもメリットはあります。しかし、700気圧のタンクも開発されるようになった昨今、改質装置を余計に積まなければならない点、メタノール自体を製造する効率や、メタノールから水素に改質する際の効率などを総合的に考えると、今やメタノール改質方式にはそれほどのメリットを見出しにくいというのが正直なところです。
以下は水素と関係ない話になりますが、メタノールを直接の燃料にした「ダイレクトメタノール方式」という燃料電池の研究も進んでおり、こちらは小型化が可能なことから、将来、現在のバッテリーの代わりにノートパソコンやデジタルカメラなどのモバイル機器に使われることが期待されています。

Ⅰ-2>水素とHHOガスの貯蔵-高圧力ボンベ保存-輸送

車搭載用高圧力ボンベについて

アルミを使ったタンク新材料の軽くて、丈夫(高圧タンク)が出現~従来の概念350気圧(35MPa)ですから、350倍も圧縮からさらに進化して700気圧(70MPa)ですから、700倍も圧縮が可能

液体水素の保存は気体の状態の1/800の体積になりますが、超低温(-253度C)に冷やして保存の必要があります(酸水素ガスは-153度C) 又液体酸素ガス単体は-135度Cと液体酸水素より-20度Cであるが、いずれにしてもアルミ新材料の圧力タンクの出現はブラウンガス(HHOガス 酸水素ガス)の保存も水素ガス保存方法で進行しています。

車搭載用高圧力ボンベのガス補給-保存-燃焼消費システムの構築

水素ガスに関するガイドライン:法規集

Ⅰ-3>水素とHHOガスの燃料時代をめざして

オフサイト/オンサイトタンクの高圧力保存タンク-輸送-水素ステイション

製造したHHOガスの保存と輸送

オンサイト型とは敷地内生産→補給(ガス使用機器.自動車等)

オンサイト型製造のシステムはHHOガスと異なる

オフサイト型とは工場等外部生産→輸送→補給(ステーション)

オフサイト型生産.保存-輸送のシステムはHHOガスも同様
※HHOガス製造についてはⅣ>HHOガス製造(精製装置)2つの方法

水素/HHOガススティーション

  • 水素プロジェクト/産業ガス/事業紹介/大陽日酸㈱
    都市ガスを改質して水素を作り、燃料電池自動車に供給するための施設です。自動車にとっての「ガソリンスタンド」にあたります。
    経済産業省の固体高分子形燃料電池システム実証等研究補助事業として、(財)日本自動車研究所および(財)エンジニアリング振興協会により「水素・燃料電池実証プロジェクト(JHFC・・・Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project)」が2002年度から2005年度まで実施されました。
    同プロジェクトの目的は、FCV(Fuel Cell Vehicle,燃料電池自動車)性能や各種燃料からの水素製造方法を現実の使用条件に近い形で実証し、効率や環境特性、安全性等の基礎データを収集・評価し、本格的量産と普及への道筋を整備することでした。更に2006年度~2010年度にはJHFC-Ⅱプロジェクトが実施されました。2011年度からは独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の実証事業として、JHFCの後継プロジェクトが実施されます。
    東京ガスはこれらのプロジェクトに参加し、東京荒川区千住の社用地に水素ステーションを建設して2003年5月にオープン、以後順調に実証運転を行っています(大陽日酸)。また、2010年12月には、大田区京浜島の圧縮天然ガススタンドに併設する形で新たに建設した水素ステーション(羽田水素ステーション)の運営を開始し、主に燃料電池リムジンバス向けに水素の供給を行っています。
    将来的には、工業オンサイト水素製造装置や天然ガス自動車用スタンドの建設・運営で培った技術・ノウハウを活かして、都市ガスオンサイト改質方式水素ステーションの実用化を目標としています。

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