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水素エネルギーチーム

再エネの最大導入を実現する水素技術

研究背景

 カーボンニュートラルの実現に向けて、再生可能エネルギー導入量の増加が必要です。中でも太陽光や風力は活用の大幅な増加が見込まれる一方で、その電力は、天候に大きく影響される変動性を持つために、水素等に変換して貯蔵することで需給バランスを調整することが重要です。また、水素は海外から大規模再生可能エネルギーを輸入するキャリアとしても貢献します。再生可能エネルギーからの水素の「製造・貯蔵・利用」の三項目に関する技術の益々の向上がカーボンニュートラルを実現するための重要な課題です。

研究目標

 当チームでは、分散型であり偏在性・変動性を有する再生可能エネルギーの利用拡大に大きな効果が期待される「水素」の社会導入を促進する技術開発を目指します。

研究内容

 変動性を示す再生可能エネルギー電力から水素を「製造」する技術としての水電解技術、変動性をもって供給される水素の「貯蔵」技術としてのキャリア製造および水素吸蔵合金利用技術、電力需要に応じた各種水素「利用」技術と熱エネルギーを有効に活用する技術の高度化と、これらの統合システムのコスト削減を目指します。また、炭素や窒素などの「循環」を促す水素の力を利用して排気有害物質を再利用する技術開発を進めます。

  • 水素製造技術として、変動する再エネ電力を水電解装置に入力しても高効率で高純度の水素を製造できるシステム開発を進めます。
  • 水素貯蔵技術として、アンモニアをはじめとした水素キャリアの製造技術ならびに水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵装置や新しい水素精製・圧縮技術の開発に取り組み、海外および国内での容易な水素輸送と身近なところでの水素利用普及に貢献する技術を開発しています。
  • 建築物のゼロエミッション化を目指して、水素製造貯蔵技術を導入したBEMS(ビルディングエネルギーマネジメントシステム)を、清水建設株式会社との共同研究で進め(清水建設-産総研 ゼロエミッション・水素タウン連携研究室)、共同開発した建物付帯型水素エネルギー利用システム「Hydro Q-BiC🄬」の郡山市総合地方卸売市場内での実証(2019年7月~2021年6月)を経て、社会実装に向けた研究開発を進めています。
<関連情報>産総研プレス発表:「清水建設-産総研 ゼロエミッション・水素タウン連携研究室」を設立(2018/10/1)

 

各種の水素貯蔵体とその特性
【図1】各種の水素貯蔵体とその特性
FREAに再構築したHydro Q-BiC🄬(清水建設‐産総研ゼロエミッション・水素タウン連携研究室)
【図2】FREAに再構築したHydro Q-BiC🄬
(清水建設‐産総研ゼロエミッション・水素タウン連携研究室)

主な研究成果

1.アルカリ水電解のダイナミックシミュレーションとMCH製造プラントのリアルタイム制御

 変動電力の入力に対して、応答の異なる電圧、圧力、流量、温度、濃度等の時間経過を精緻に予測することが可能なシミュレーターを開発するとともに、水素製造のリアルタイムデータを入力値として、MCH触媒合成の定常反応データからMCH製造最適条件をリアルタイムで求めて合成反応を制御する技術を作りました。

ダイナミックシミュレーションによるMCH製造
【図3】ダイナミックシミュレーションによるMCH製造

2.アンモニア合成技術

 アンモニア合成の原料として再生可能エネルギーにより製造された水素を用いる場合、太陽光や風力発電の影響で、原料供給も変動してしまうため、最適条件で運転できる通常の化学プラントとは状況が異なります。このため変動する諸条件下でも活性を維持できる触媒と、それに適合する反応プロセスの開発が必要となります。これらの研究開発を進めることにより、再生可能エネルギーや水素の効率的な貯蔵技術の発展に貢献します。

<関連情報>産総研プレス発表:低温・低圧でアンモニアを合成する触媒の開発(2018/5/28)
<関連情報>産総研マガジン:再生可能エネルギーからCO2フリーのアンモニアを大量製造(2020/3/31)

アンモニア合成触媒活性の反応条件マッピング
【図4】アンモニア合成触媒活性の反応条件マッピング

3.安全な水素貯蔵技術(燃えない水素吸蔵合金)

 非レアアースからなる安価な水素吸蔵合金を開発しました。写真の様に、水素吸蔵・放出を繰返した後でも着火せず、消防法危険物非該当の合金です(認証取得:2554X015085および2554X015363)。

<関連情報>産総研マガジン:CO2フリー水素を街で安全に使いこなす(2020/3/31)

金属粉の危険物判定(着火試験)
【図5】金属粉の危険物判定(着火試験)

4.高温高圧域PCT測定技術

 最高100MPa、200℃の高温高圧域における合金のPCT(Pressure-Composition- Temperature)特性の取得が可能となりました。非危険物の熱駆動水素昇圧合金として期待されるBCC(Body-centered-cubic)合金の水素圧縮性能評価を実現しています。

高温高圧域における合金の水素吸蔵放出特性
【図6】高温高圧域における合金の水素吸蔵放出特性

主な研究設備

アンモニア合成・利用実証試験装置

アンモニア合成装置:再生可能エネルギーを利用して製造した水素と大気中の窒素を原料にアンモニアを合成。1日に20kgのアンモニアを合成できる。
アンモニアガスタービン:アンモニアの専焼、およびメタンとの混焼が可能であり、出力は40kW以上。

アンモニア合成実証試験装置
【図7】アンモニア合成実証試験装置

高圧水素設備

高圧水素供給ブースター(≦90MPa)、蓄圧器(≦90MPa, 200L)、水素カードル(≦19.6MPa、1,250L)、高圧・高温対応反応容器(≦100MPa, ≦200°C, 1L)等を備えて、水素吸蔵合金や熱駆動水素昇圧の実証試験を行っています。
また再生可能エネルギーで製造した水素をカードルに充填します。

太陽熱供給設備(左)と高圧水素設備(右)
【図8】太陽熱供給設備(左)と高圧水素設備(右)

100kW級系統連系試験設備・模擬負荷装置

単相3線200V、3相200V及び400V系の系統を模擬でき、周波数や電圧を変化させたり短絡を模擬することもできます。

系統連携模擬負荷装置
【図9】系統連携模擬負荷装置

メンバー

役職 氏名  
研究チーム長 難波 哲哉 NANBA Tetsuya
主任研究員 小島 宏一 KOJIMA Hirokazu
主任研究員 遠藤 成輝 ENDO Naruki
主任研究員 眞中 雄一 MANAKA Yuichi
主任研究員 小林 靖和 KOBAYASHI Yasukazu
主任研究員 長澤 兼作 NAGASAWA Kensaku
研究員 五舛目 清剛 GOSHOUME Kiyotaka
研究チーム付 金久保 光央 KANAKUBO Mitsuhiro
研究チーム付 津田 勇希 TSUDA Yuki
研究チーム付 田中 洋平 TANAKA Yohei
研究チーム付 倉田 修 KURATA Osamu
研究チーム付 松沼 孝幸 MATSUNUMA Takayuki
研究チーム付 望月 剛久 MOCHIZUKI Takehisa
研究チーム付 西 政康 NISHI Masayasu
研究チーム付 高木 英行 TAKAGI Hideyuki
研究チーム付 井上 貴博 INOUE Takahiro
国立研究開発法人 産業技術総合研究所