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水素キャリアチーム

水素キャリア製造・利用技術

研究背景

 太陽光、風力などの再生可能エネルギーは、資源に乏しい我が国にとって貴重な国産エネルギー資源ですが、日照や風況の適地は偏在し、得られる発電電力も変動します。水素キャリア製造技術は、再生可能エネルギーを利用して水素を製造し、その水素を大量、長期、安全に、安く貯めるように触媒等を使って化学変換する技術であり、偏在し変動する再生可能エネルギーを大量に導入するために必要不可欠な技術です。

研究目標

 当チームでは、我が国が直面するエネルギー問題の解決に貢献するため、再生可能エネルギーの大量導入を支えるエネルギー貯蔵・利用技術を開発しています。再生可能エネルギーを化学変換して水素や水素キャリアとし、電気、熱、水素など様々な形でエネルギーを供給・利用するための技術開発を行っています。この技術は、自然状況により左右されて変動する再生可能エネルギー発電電力の吸収あるいは電力系統の調整力としても応用できます。また、大量の再生可能エネルギーを、季節や場所を問わず効率的に利用できるようになります。

研究内容

 当チームでは、変動電力を使う水素製造から触媒を使う水素キャリアへの化学変換、及び熱機関での利用までの一連の技術を開発しています。水素キャリア製造・利用触媒や水素エンジン制御などの要素技術は大型実証機等へ応用し、実証機等から得た知見は要素技術の見直しや新たなブレークスルーへと導きます。

  • 水素キャリア(有機ハイドライド、アンモニア等)の高効率製造技術:高効率(省エネルギー)な触媒合成技術の確立
    ※メチルシクロヘキサン(MCH):6重量パーセントの水素を有する常温常圧で液体の有機物。
                     1㍑のMCHで500㍑の水素ガスを貯蔵。
    ※アンモニア:17重量パーセントの水素を有する窒化物。1㍑のアンモニアで1,300㍑の水素ガスを貯蔵。
  • 水素利用拡大のためのコジェネエンジン技術:コジェネエンジンやガスタービンによる利用技術の確立
  • 水素キャリア製造・利用統合システム実証:再生可能エネルギー発電の貯蔵・利用最適化システムの提案
再生可能エネルギーからの水素キャリア製造・利用
再生可能エネルギーからの水素キャリア製造・利用

主な研究設備

水素着脱反応触媒評価装置 次世代コジェネエンジン実験装置
水素着脱反応触媒評価装置 次世代コジェネエンジン実験装置
水素化・脱水素の触媒反応をオンラインガスクロマトグラフにより分析する装置です。再生可能エネルギー由来を模擬した変動水素も供給可能です。 4気筒ディーゼルエンジン(排気量:5.2L)を用いて、水素や軽油等の複数燃料の混焼実験や過渡運転実験が可能です。
水素キャリア製造・利用統合システム
水素キャリア製造・利用統合システム
大型アルカリ水電解、水素化触媒塔、大型貯蔵タンク、次世代コジェネエンジンを統合した、世界最大級のMCH製造・利用の実証機です。

[概要・特徴]
 アルカリ水電解による水素生成能力:34Nm3/h
 トルエンへの水素付加能力:70L/h(MCH製造能力)
 MCH貯蔵能力:容量20kL(発電換算:約10MWh)
 水素コジェネ出力(電力・熱):電力60kW・熱35kW

最近の主な研究成果

1.有機ハイドライドの触媒性能評価【図1】

 水素着脱反応触媒評価装置及びオンラインガスクロマトグラフを活用し、生成物種及びその濃度を定量的に測定しました。有機ハイドライドの製造プロセスへの設計指針を構築するとともに、流通時の規格・標準化へのバックデータを取得しました。現在、水素化・脱水素化プロセスの繰り返し回数を増し、水素着脱反応による生成物の質及び量の推移を調べています。

図1 有機ハイドライドの触媒性能評価

【図1】 有機ハイドライドの触媒性能評価


2.再生可能エネルギー資源の高度モニタリング

 水素キャリア製造・利用統合システム実証大型アルカリ水電解、水素化触媒塔、大型貯蔵タンク、脱水素触媒搭載型コジェネエンジンを統合した世界最大級の水素キャリア製造・利用統合システム実証機を稼働しました。約1年間で5MWhの電力(一般家庭500軒日分)を水素あるいはMCHとして貯蔵しました。今後は、FREAのエネルギーネットワークに組み込み、電力貯蔵・利用方法を提案します。


3.MCHを用いた次世代コジェネエンジン技術【図2】

 MCHを用いた次世代コジェネエンジンにおいて、エンジン排熱エネルギーをMCHの脱水素に活用する熱回収技術および水素のエンジン燃焼技術を研究開発しています。エンジン排熱の高温化等の熱回収を強化することで、世界トップ水準のMCHからの水素発生を実現しています。また、水素のエンジン燃焼技術において、熱効率40%超の高効率かつ高排気温を実現しました(通常、高効率にすると排気温度が下がりますが、高排気温度の維持によってMCHの分解が可能になりました)。

図2 MCHを用いた次世代コジェネエンジン技術

【図2】 MCHを用いた次世代コジェネエンジン技術


4.アンモニア内燃機関の技術開発【図3】

 東北大学と共同でアンモニアの直接燃焼利用技術を研究開発しています。小型ガスタービン(50kW定格)での燃焼利用に挑戦し、メタンとアンモニアの混合ガスを用いた混焼により、41.8kWの発電に成功しました。さらに、100%のアンモニアの専焼により、41.8kWの発電にも成功しました。これらは世界初の研究成果です。
 ※本研究開発は、内閣府SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)「エネルギーキャリア」(管理法人:JST)
  によって実施しています。

図3 アンモニア内燃機関の技術開発

【図3】 アンモニア内燃機関の技術開発

メンバー

役 職 氏 名  
研究チーム長 辻村 拓 Tsujimura Taku
上級主任研究員 難波 哲哉 Namba Tetsuya
研究員 小島 宏一 Kojima Hirokazu
研究員 眞中 雄一 Manaka Yuichi
研究員 Javaid Rahat Javaid Rahat
研究員 熱海 良輔 Atsumi Ryousuke
研究チーム付 松本 秀行 Matsumoto Hideyuki
研究チーム付 壹岐 典彦 Iki Norihiko
研究チーム付 倉田 修 Kurata Osamu
研究チーム付 井上 貴博 Inoue Takahiro
研究チーム付 松沼 孝幸 Matsunuma Takayuki
研究チーム付 高木 英行 Takagi Hideyuki
研究チーム付 姫田 雄一郎 Himeda Yuichiro
研究チーム付 遠藤 明 Endo Akira
研究チーム付 藤谷 忠博 Fujitani Tadahiro