カーボンニュートラルな次世代エネルギー「水素」についてご紹介します。水素は「緑色水素」「青色水素」「灰色水素」の3種類に分けられ、それぞれ製造方法が異なります。それぞれの製造方法、要素としての物性、保管・輸送方法、使用方法などについても解説します。そしてなぜそれが次世代の有力なエネルギー源なのかについても紹介します。
水の電気分解によるグリーン水素の生成
水素を利用する場合には、とにかく「水素を発生させる」ことが重要です。一番簡単な方法は「水を電気分解する」ことです。もしかしたら小学校の理科でやったかもしれません。ビーカーに水と電極を水で満たします。電池を電極に接続して通電すると、水中および各電極内で次のような反応が起こります。
カソードでは、H+ と電子が結合して水素ガスが生成され、アノードでは酸素が生成されます。それでも、このアプローチは学校の理科の実験には問題ありませんが、工業的に水素を製造するには、大規模製造に適した効率的なメカニズムを準備する必要があります。それが「高分子電解質膜（PEM）電解」です。
この方法では、水素イオンの通過を可能にするポリマー半透膜がアノードとカソードの間に挟まれます。装置の陽極に水を注ぐと、電気分解によって生成された水素イオンが半透膜を通って陰極に移動し、そこで水素分子になります。一方、酸素イオンは半透膜を通過できず、陽極で酸素分子になります。
また、アルカリ水の電気分解では、水酸化物イオンのみが通過できるセパレーターを介して陽極と陰極を分離することで、水素と酸素を生成します。このほか、高温水蒸気電解などの工業的な方法もあります。
これらのプロセスを大規模に行うことで、大量の水素を得ることができます。このプロセスでは、大量の酸素も生成されます (生成される水素の体積の半分)。そのため、大気中に放出されても環境に悪影響を与えることはありません。しかし、電気分解には多くの電力が必要となるため、風力発電や太陽光パネルなど化石燃料を使わない電力で製造すればカーボンフリー水素を製造できます。
クリーンエネルギーを利用して水を電気分解することで「グリーン水素」が得られます。
このグリーン水素を大規模に製造するための水素発生装置もあります。電解槽部にPEMを使用することで、連続的に水素を製造することができます。
化石燃料から作る青い水素
では、水素を作る他の方法にはどのようなものがあるのでしょうか?水素は水以外の物質として天然ガスや石炭などの化石燃料中に存在します。たとえば、天然ガスの主成分であるメタン (CH4) について考えてみましょう。ここには水素原子が4つあります。この水素を取り出すと水素が得られます。
その一つが、水蒸気を利用した「水蒸気メタン改質」と呼ばれるプロセスです。この方法の化学式は次のとおりです。
ご覧のとおり、一酸化炭素と水素は単一のメタン分子から抽出できます。
このように、天然ガスや石炭の「水蒸気改質」や「熱分解」などのプロセスを経て水素を製造することができます。このようにして生成される水素を「青い水素」といいます。
ただし、この場合には一酸化炭素や二酸化炭素が副生します。したがって、大気中に放出される前にリサイクルする必要があります。副生成物の二酸化炭素が回収されないと、「灰色水素」として知られる水素ガスになります。
水素ってどんな元素？
水素は原子番号 1 を持ち、周期表の最初の元素です。
原子の数は宇宙で最も多く、宇宙の全元素の約90％を占めます。陽子と電子からなる最小の原子は水素原子です。
水素には 2 つの同位体があり、中性子が原子核に結合しています。中性子が結合した「重水素」が 1 つと、中性子が結合した「三重水素」が 2 つです。これらは核融合発電の材料でもあります。
太陽のような星の内部では、水素からヘリウムへの核融合が起こっており、それが星が輝くためのエネルギー源となります。
しかし、水素が地球上に気体として存在することはほとんどありません。水素は、水、メタン、アンモニア、エタノールなどの他の元素と化合物を形成します。水素は軽い元素であるため、温度が上昇すると水素分子の移動速度が速くなり、地球の重力から宇宙へと逃げていきます。
水素はどうやって使うの？燃焼による使用
では、次世代エネルギーとして世界的に注目されている「水素」はどのように使われるのでしょうか？用途は主に「燃焼」と「燃料電池」の2つです。まずは「burn」の使い方から見ていきましょう。
使用される燃焼には主に 2 つのタイプがあります。
一つ目はロケット燃料として。日本のH-IIAロケットは、水素ガス「液体水素」と同じく極低温状態の「液体酸素」を燃料として使用します。この二つが組み合わさって、その時に発生する熱エネルギーによって生成された水分子の射出が加速され、宇宙に飛び立ちます。しかし、技術的に難しいエンジンであるため、この燃料の組み合わせに成功しているのは、日本を除けば、米国、欧州、ロシア、中国、インドだけだ。
2つ目は発電です。ガスタービン発電も水素と酸素を組み合わせてエネルギーを生み出す方式です。つまり、水素が発生する熱エネルギーに注目する方法です。火力発電所では、石炭、石油、天然ガスの燃焼による熱で蒸気が発生し、タービンを駆動します。水素を熱源として使用すれば、発電所はカーボンニュートラルになります。
水素はどうやって使うの？燃料電池として使用される
水素を直接電気に変換する燃料電池としての水素の使用方法もあります。特にトヨタは地球温暖化対策の一環としてガソリン車の代替として電気自動車（EV）ではなく水素燃料車を宣伝し、日本でも注目を集めている。
具体的には、「グリーン水素」の製造方法を導入する場合は、その逆の手順を行っています。化学式は以下の通りです。
水素は発電と同時に水（熱水や蒸気）も生成でき、環境に負荷がかからない点が評価されます。一方で、この方法は発電効率が30～40％と比較的低く、触媒として白金を必要とするためコストが高くなる。
現在、固体高分子形燃料電池（PEFC）とリン酸形燃料電池（PAFC）を使用しています。特に燃料電池車にはPEFCが使用されており、今後の普及が期待されています。
水素の貯蔵と輸送は安全ですか?
ここまでで、水素ガスがどのように作られ、使用されるかについて理解できたと思います。では、この水素はどうやって貯蔵するのでしょうか？必要な場所にどうやって届けるのですか？その時のセキュリティはどうなるのでしょうか？説明していきます。
実際、水素は非常に危険な元素でもあります。 20世紀初頭、水素は非常に軽いため、気球や気球、飛行船を空に浮かべるための気体として利用されていました。しかし、1937年5月6日、アメリカ・ニュージャージー州で「飛行船ヒンデンブルク号爆発事故」が発生。
事故以来、水素ガスが危険であることは広く認識されるようになりました。特に引火すると酸素とともに激しく爆発します。したがって、「酸素を避ける」または「熱を避ける」ことが重要です。
こうした対策を講じた上で、配送方法を考え出しました。
水素は室温では気体なので、気体であっても非常にかさばります。 1つ目は、炭酸飲料を作るときに高圧をかけてシリンダーのように圧縮する方法です。専用の高圧タンクを用意し、45Mpaなどの高圧条件下で保管します。
燃料電池車（FCV）を開発するトヨタは、70MPaの圧力に耐えられる樹脂製の高圧水素タンクを開発している。
−253℃まで冷却して液体水素を作り、専用の断熱タンクに貯蔵・輸送する方法もあります。天然ガスを海外から輸入する際のLNG（液化天然ガス）と同様に、水素も輸送中に液化し、気体状態の1/800まで体積が減ります。 2020年には世界初の液体水素運搬船が完成しました。ただし、このアプローチは冷却に多くのエネルギーを必要とするため、燃料電池車には適していません。
このようにタンクに貯蔵して輸送する方法もありますが、それ以外の水素貯蔵方法も開発中です。
貯蔵方法には水素吸蔵合金を使用します。水素は金属を貫通して劣化させる性質があります。 1960年代にアメリカで開発された開発チップです。 JJ ライリーら実験により、マグネシウムとバナジウムの合金を使用して水素を貯蔵および放出できることが示されました。
その後、自身の体積の935倍の水素を吸収できるパラジウムなどの物質の開発に成功した。
この合金を使用する利点は、水素漏洩事故（主に爆発事故）を防止できることです。したがって、安全に保管および輸送できます。ただし、注意を怠って間違った環境に放置すると、水素吸蔵合金から時間の経過とともに水素ガスが放出される可能性があります。まあ、小さな火花でも爆発事故を起こす可能性があるので注意しましょう。
また、水素の吸蔵・放出を繰り返すと脆化し、水素吸蔵速度が低下するという欠点もあります。
もう一つはパイプを使う方法です。配管の脆化を防ぐために非圧縮かつ低圧であるという条件はあるが、既存のガス配管を利用できるのがメリットだ。東京ガスは、都市ガスパイプラインを利用して燃料電池に水素を供給する「晴海FLAG」の建設工事を実施した。
水素エネルギーが創る未来社会
最後に、水素が社会で果たせる役割について考えてみましょう。
さらに重要なことは、私たちは脱炭素社会を推進したいと考えており、水素を熱エネルギーとしてではなく発電に利用していることです。
大型火力発電所の代わりに、天然ガスを改質して得られる水素を利用して必要な電力を発電するエネファームなどのシステムを家庭に導入しているところもあります。しかし、改質プロセスの副産物をどうするかという問題は残ります。
将来的には、水素ステーションを増やすなど、水素そのものの流通が増えれば、二酸化炭素を排出せずに電気を使うことが可能になります。もちろん電気はグリーン水素を作るので、太陽光や風力で発電した電気を使います。電気分解に使用する電力は、発電量を抑えるか、自然エネルギーによる余剰電力がある場合に二次電池を充電するための電力とします。つまり、水素は二次電池と同じ位置にあるのです。そうすれば、最終的には火力発電を削減することが可能になります。クルマから内燃機関が消える日も近い。
水素は別のルートでも入手できます。実際、水素は依然として苛性ソーダ製造の副産物です。とりわけ、製鉄におけるコークス製造の副産物です。この水素をディストリビューションに入れると、複数のソースを入手できるようになります。こうして製造された水素ガスは水素ステーションからも供給されます。
さらに未来を見てみましょう。電線を使って電力を供給する伝送方式では、エネルギーの損失も問題となります。そこで将来的には、炭酸飲料を作る際の炭酸タンクと同じように、パイプラインで運ばれてくる水素を利用し、家庭に水素タンクを購入して各家庭で発電することになります。水素電池で動作するモバイル機器が普及しつつあります。そんな未来を見るのは興味深いでしょう。
投稿時間: 2023 年 6 月 8 日
