脱炭素社会実現への貢献が大きく期待される水素エネルギー!

水素の製造,水素キャリア・水素貯蔵材料,水素の利活用に関する最新技術や材料開発の動向を詳しく解説!

水素エネルギーの利活用・市場の動向や水素社会構築に向けた取り組み例も紹介!

監修

小島由継

著者一覧

小島由継　　　広島大学
西脇文男　　　武蔵野大学
吉野正人　　　東芝エネルギーシステムズ(株)
松本広重　　　九州大学
立川貴士　　　神戸大学
南　祐輔　　　大阪市立大学
天尾　豊　　　大阪市立大学
阿部　竜　　　京都大学
鈴木　肇　　　京都大学
児玉竜也　　　新潟大学
市川貴之　　　広島大学
久保真治　　　(国研)日本原子力研究開発機構
河村浩次　　　(株)トクヤマ
宮岡裕樹　　　広島大学
花田信子　　　早稲田大学
中川鉄水　　　琉球大学
伊藤直次　　　宇都宮大学
佐藤剛史　　　宇都宮大学
阿部孝之　　　富山大学
小林大祐　　　東京電機大学
岡田佳巳　　　千代田化工建設(株)
神谷宏治　　　(国研)物質・材料研究機構
亀川厚則　　　室蘭工業大学
近藤亮太　　　関西大学
阿部真丈　　　那須電機鉄工(株)
河野龍興　　　東北大学;東京大学
礒部繁人　　　北海道大学
高野俊夫　　　JFEコンテイナー(株)
田村元紀　　　横浜技術士事務所
坂田憲泰　　　日本大学
竹市信彦　　　(国研)産業技術総合研究所
高井健一　　　上智大学
圓島信也　　　三菱重工業(株)
菊地隆司　　　東京大学
首藤登志夫　　東京都立大学
中村暢伴　　　大阪大学
鈴木健吾　　　新コスモス電機(株)
山根史之　　　東芝エネルギーシステムズ(株)
藤村　靖　　　日揮グローバル(株)

目次

【第1編　概論】
第1 章　再生可能エネルギーを取り込むための水素貯蔵材料,液体水素と高圧水素
1　はじめに
2　エネルギー貯蔵システムと水素貯蔵材料
3　水素エネルギーキャリア
3. 1　水素貯蔵材料の水素密度
3. 2　水素貯蔵材料の水素エネルギーキャリアへの利用
3. 3　水素エネルギーキャリアのエネルギー効率と実証事業
3. 3. 1　アンモニア
3. 3. 2　液体水素
3. 3. 3　有機ハイドライド
4　二次電池
4. 1　ニッケル水素電池用高解離圧水素吸蔵合金の特性
4. 2　ハイブリッド水素電池
4. 3　高解離圧MH電池
5　水素・燃料電池システム(FC)
6　おわりに

第2 章　水素エネルギーの利活用・市場の最新動向　　
1　カーボンネットゼロ実現の鍵握る「水素」
2　燃料電池トラック・バス開発・量産化に向けた世界の動向
2. 1　米国で燃料電池トラックのビッグプロジェクトが進行中
2. 2　欧州では多くの都市で燃料電池バスの導入計画
2. 3　EVで世界市場を席巻する中国はFCVでも覇権を狙う
2. 4　FCV世界シェア1位を目指す韓国
2. 5　日本はFCV世界トップを守れるか?
3　FCV 以外にも広がる水素燃料
3. 1　フォークリフト
3. 2　鉄道車両
3. 3　船舶・航空機
4　発電部門の脱炭素化
5　産業部門の脱炭素化
5. 1　鉄鋼業…水素還元製鉄
5. 2　化学工業…カーボンリサイクル化学原料
6　普及に向けた課題と展望
6. 1　実用化にはコスト低減が必要
6. 2　大量かつ低コストの再エネ水素が必要

【第2編　水素の製造】
第3 章　電解法
1　固体酸化物形電解セルを用いた高温水蒸気電解による水素製造
1. 1　はじめに
1. 2　高温水蒸気電解による水素製造原理
1. 3　固体酸化物形電解セル材料および構造
1. 4　高温水蒸気電解の特徴
1. 4. 1　吸発熱特性
1. 4. 2　水素製造原単位
1. 4. 3　高温水蒸気電解の応用:H2OとCO2の共電解
1. 5　実用化に向けた課題
1. 6　おわりに
2　プロトン伝導性酸化物を用いた水蒸気電解
2. 1　イントロダクション
2. 2　プロトン伝導性酸化物
2. 3　水蒸気電解特性
2. 4　課題と今後の展望

第4 章　人工光合成
1　ヘマタイトメソ結晶光電極を用いた太陽光水素製造
1. 1　はじめに
1. 2　メソ結晶
1. 3　ヘマタイトメソ結晶光電極の作製と光水分解性能
1. 4　効率向上のメカニズム
1. 5　おわりに
2　高分子分散型金属微粒子によるギ酸分解に基づく水素生成
2. 1　はじめに
2. 2　白金微粒子を用いたギ酸分解反応
2. 2. 1　白金微粒子
2. 2. 2　ギ酸分解反応条件
2. 2. 3　Pt-PVPが触媒するギ酸分解に基づく水素生成速度のpH依存性
2. 2. 4　赤外分光法を用いたギ酸と白金微粒子の結合状態の特定
2. 2. 5　エタノール及び酢酸に対するPt-PVPの触媒活性の評価
2. 2. 6　反応機構
2. 2. 7　律速段階の検討
2. 2. 8　副反応の検討
2. 3　まとめ
3　高効率可視光水分解に向けた半導体光触媒の開発
3. 1　はじめに　～光触媒水分解のメカニズム～
3. 2　可視光利用の重要性
3. 3　水分解用光触媒材料開発の歴史と可視光利用における課題
3. 4　可視光利用を可能とする複合アニオン型半導体
3. 5　安定な可視光応答型光触媒:Sillén-Aurivillius型酸ハロゲン化物
3. 6　Sillén-Aurivillius型酸ハロゲン化物におけるバンド制御

第5 章　熱化学水素
1　太陽集光システムによる水熱分解サイクル
1. 1　はじめに
1. 2　金属酸化物による水熱分解サイクル
1. 3　ソーラー反応器の開発状況
2　ナトリウムを用いた熱化学水素製造
2. 1　はじめに
2. 2　熱化学水素製造
2. 3　酸化ナトリウムからのナトリウム分離反応
2. 4　様々な材料と酸化ナトリウムの反応性
2. 5　腐食を回避する反応器
2. 6　大量製造時のコスト見積もり
2. 7　おわりに
3 膜分離新ISプロセス
3. 1　太陽エネルギーを熱源とするアンモニア(水素)製造
3. 2　膜分離新ISプロセスの基盤となるISプロセス
3. 3　膜分離新ISプロセスの概要
3. 4　SO3分解反応(O2生成)への膜分離技術の適用
3. 5　ヨウ化水素分解(H2の生成)への膜分離技術の適用
3. 6　ブンゼン反応(H2SO4とHIの生成)への膜分離技術の適用
3. 7　膜分離新ISプロセスのシステム構成

第6 章　苛性ソーダ由来の副生水素の生成とその利活用　
1　苛性ソーダの製造と副生水素
2　イオン交換膜法食塩電解槽の反応原理
3　副生水素の品質
4　副生水素の用途
4. 1　無機化学品
4. 2　石油化学品
4. 3　圧縮水素
4. 4　液化水素
4. 5　燃料
4. 6　燃料電池
5　副生水素の需給バランス調整
6　副生水素の電力原単位
7　まとめ

【第3編　水素キャリア・水素貯蔵材料】
第7 章　有機/無機材料と液体水素
1　アンモニアからの高純度水素製造
1. 1　はじめに
1. 2　研究背景と目的
1. 3　アンモニア除去材料の研究開発
1. 4　アンモニアからの高純度水素製造システム
1. 5　まとめ
2　電気分解によるアンモニアからの水素生成
2. 1　エネルギーキャリアとしてのアンモニアからの電気分解による水素生成
2. 2　水溶液系でのアンモニアの電気分解
2. 3　液体アンモニアの電気分解
2. 4　おわりに
3　分散型燃料電池システム水素源としてのアンモニアボラン
3. 1　はじめに
3. 2　アンモニアボランの基礎知識
3. 3　DOEプロジェクト「CHSCoE」「HSECoE」
3. 3. 1　CHSCoE
3. 3. 2　HSECoE
3. 4　LANLの研究を引き継いだ研究の発展
3. 4. 1　分散型電源用水素源として
3. 4. 2　新規AB合成法の開発
3. 5　アンモニアボランの水素放出技術
3. 5. 1　熱分解
3. 5. 2　加水分解
3. 5. 3　NEDO事業
3. 6　まとめと今後の展望
4　ケミカルハイドライドによる水素貯蔵製造
4. 1　はじめに
4. 2　水素貯蔵材料
4. 2. 1　直接貯蔵
4. 2. 2　間接貯蔵
4. 2. 3　水素貯蔵材料間の比較
4. 3　ケミカルハイドライド
4. 4　ケミカルハイドライドからの水素取り出し法
4. 4. 1　3つの問題点
4. 4. 2　同時解決のためのメンブレンリアクター
4. 5　水電解水素とケミカルハイドライド同時製造プロセス
4. 5. 1　高分子固体電解質膜を利用する場合
4. 5. 2　パラジウム膜電極を利用する場合
5　水素キャリアとしてのメタン活用(メタネーション及び脱水素触媒)
5. 1　はじめに
5. 2　水素キャリアとしてのメタン利用
5. 3　高活性CO2メタネーション反応触媒の創成
5. 4　メタン脱水素反応触媒の高活性化
5. 5　高活性ナノ触媒を用いたメタンを基軸とする水素キャリアシステムの実用化像
6　メタノール水溶液改質水素発生装置の開発
6. 1　はじめに
6. 2　再生可能エネルギーキャリア
6. 3　過熱液膜状態
6. 4　流通式反応器を用いた脱水素反応
6. 5　二重円筒型水素発生装置の開発
6. 6　おわりに
7　有機ケミカルハイドライド法水素貯蔵輸送技術の最新動向
7. 1　はじめに
7. 2　SPERA水素システム
7. 2. 1　システムの概要
7. 2. 2　SPERA水素システムの特長
7. 3　開発の歴史
7. 4　“SPERA 水素Ⓡ ”システムによる国際間水素サプライチェーン実証
7. 4. 1　実証の全体工程と各工程の概要
7. 5　Hydrogenious による有機ケミカルハイドライド法の実用化状況
7. 6　有機ケミカルハイドライド法のコストダウンの可能性
7. 7　まとめ
8　磁気熱量効果を利用した液体水素製造
8. 1　磁気冷凍とは
8. 2　カルノー磁気冷凍(CMR)による水素液化
8. 2. 1　パルスマグネット式CMR
8. 2. 2　磁性体駆動式CMR
8. 3　能動的蓄冷式磁気冷凍(AMRR)による水素液化
8. 3. 1　磁性体駆動式AMRR
8. 3. 2　パルスマグネット式AMRR

第8 章　水素吸蔵合金
1　高性能V 系水素吸蔵合金の開発
1. 1　はじめに〜水素吸蔵合金〜
1. 2　バナジウム(V)の水素化特性
1. 3　V 系水素吸蔵合金
1. 4　V-Ti-Cr合金の高性能化
1. 5　その他のV系水素吸蔵合金の高機能
1. 5. 1　水素透過能
1. 5. 2　同位体効果
1. 5. 3　水素昇圧への応用
1. 6　さいごに
2　Mgの水素貯蔵材料としての利用
2. 1　はじめに
2. 2　Mg系水素貯蔵材料の熱力学と速度論
3　Liの水素貯蔵材料としての利用
3. 1　はじめに
3. 2　アラネート系材料
3. 3　アミド-イミド系材料
3. 4　ボロハイドライド
3. 5　シリコン-リチウム系材料
3. 6　おわりに
4　Ti系水素吸蔵合金とその実用化例
4. 1　はじめに
4. 2　Ti系水素吸蔵合金
4. 2. 1　チタン水素化物
4. 2. 2　各種Ti系水素吸蔵合金の特性
4. 2. 3　Ti-Fe系水素吸蔵合金
4. 3　Ti系水素吸蔵合金の実用化例
4. 3. 1　再生可能エネルギー由来の水電解水素貯蔵システム
4. 3. 2　熱利用
4. 3. 3　昇圧機
4. 4　おわりに
5　La-Mg-Ni系超格子水素吸蔵合金
5. 1　はじめに
5. 2　Mg-Ni系合金
5. 3　La-Mg-Ni系超格子水素吸蔵合金
5. 3. 1　結晶構造解析
5. 3. 2　気相吸蔵特性
5. 3. 3　充放電特性
5. 4　今後の展望
6　ハイエントロピー合金による水素吸蔵
6. 1　ハイエントロピー合金
6. 2　水素吸蔵ハイエントロピー合金

第9 章　水素貯蔵容器
1　燃料電池自動車・小型移動体搭載用 CFRP複合容器の設計要求
1. 1　はじめに
1. 2　車両搭載用高圧水素容器の概要
1. 2. 1　燃料電池自動車搭載用高圧水素容器の種類
1. 2. 2　CFRP高圧複合容器の製造方法
1. 2. 3　車両搭載用容器の要求事項
1. 2. 4　CFRP複合材料を用いた高圧水素容器の構成要素と設計上考慮すべき特性
1. 3　FCV搭載用容器とFCドローン搭載用容器の相違点
1. 3. 1　使用中の容器単体の扱い
1. 3. 2　落下衝撃
1. 3. 3　水素の空までの消費時間
1. 4　FCドローンの市場導入に向けて
1. 4. 1　ドローン搭載用高圧水素容器に係るガイドライン
1. 4. 2　ドローン搭載用高圧水素容器の大臣特認を取得した容器について
2　ステンレス基材への多層硬質膜生成による水素バリア機能向上
2. 1　序言
2. 2　実験方法
2. 2. 1　皮膜の特性
2. 2. 2　水素透過試験
2. 3　実験結果と考察
2. 3. 1　水素透過挙動
2. 3. 2　皮膜の微細結晶構造と水素透過挙動
2. 4　結言
3　CFRP複合容器の補強技術
3. 1　はじめに
3. 2　形状記憶合金ワイヤによる補強技術
3. 2. 1　形状記憶合金ワイヤで補強したCFRP複合容器
3. 2. 2　形状記憶合金ワイヤによる補強効果
3. 3　グリッド構造による補強技術
3. 3. 1　グリッド構造で補強したCFRP複合容器
3. 3. 2　グリッド構造による補強効果
3. 4　おわりに
4　ハイブリッド水素貯蔵システム
4. 1　まえがき
4. 2　水素貯蔵システム
4. 3　高圧圧縮水素貯蔵システム
4. 4　ハイブリッド水素貯蔵システム
4. 5　水素貯蔵材料の性質とハイブリッド水素貯蔵容器の特性
4. 6　まとめ

第10 章　金属材料の水素脆化感受性評価方法　　
1　はじめに
2　水素脆化とは
3　水素脆化感受性評価
4　水素脆化感受性に及ぼす因子
5　おわりに

【第4編　水素利活用の技術動向】
第11 章　水素発電へ向けた取り組み　　
1　水素サプライチェーンと発電利用
2　水素ガスタービン
3　アンモニア利用ガスタービン
4　固体酸化物形燃料電池(SOFC)
5　海外のサプライチェーン構築と発電利用の事例

第12 章　定置型燃料電池の研究・開発動向　
1　燃料電池の開発動向
2　定置型燃料電池の研究
2. 1　固体高分子形燃料電池(PEFC)用燃料改質触媒
2. 2　固体酸化物形燃料電池(SOFC)用電極触媒
3　まとめ

第13 章　自動車動力システムにおける水素利用
1　自動車用燃料電池の技術的課題と発電出力向上
1. 1　電動車両用エネルギーキャリアとしての水素と燃料電池自動車の利点
1. 2　自動車用燃料電池の基本構造と技術的課題
1. 3　全面供給型流路による燃料電池の発電出力向上
1. 4　直接メタノール燃料電池を用いた自動車の可能性
1. 5　まとめ
2　自動車用水素エンジンの技術的課題と熱効率向上
2. 1　燃料電池自動車と比較した水素エンジン自動車の利点と課題
2. 2　水素エンジンの出力特性と熱効率の向上
2. 3　水素エンジンにおける窒素酸化物の生成とその低減策
2. 4　メタノール改質と新たな燃焼方式による高効率自動車エンジンシステムの可能性
2. 5　まとめ

第14 章　低濃度水素ガスを検出するためのパラジウムナノ粒子の開発
1　はじめに
2　パラジウムナノ粒子の体積変化を利用した水素センサ
3　抵抗スペクトロスコピー法を用いた粒子間隔の調整
4　ナノ粒子を使った水素検出実験
5　まとめ

第15 章　水素センサとその応用技術　　
1　はじめに
2　水素ガスの物性から見た各種センサの分類
3　実用化されている水素センサ
3. 1　熱線型半導体式ガスセンサの原理と特徴
3. 2　熱線型半導体式ガスセンサの応用例
3. 3　接触燃焼式ガスセンサ
3. 4　接触燃焼式センサの応用例
3. 5　車載用水素ディテクタへの応用
3. 6　気体熱伝導式ガスセンサ
3. 7　気体熱伝導式センサの応用例
4　おわりに

【第5編　水素社会構築へ向けた各社の取り組み】
第16 章　福島水素エネルギー研究フィールド(FH2R)における取組み
1　はじめに
2　概要
3　水素エネルギー運用システム
3. 1　運転計画機能
3. 2　制御機能
4　実証運用
4. 1　制御機能確認試験
4. 2　再生可能エネルギー有効利用率
5　安全対策
5. 1　プラント保護機能
5. 2　水素漏洩対策
6　おわりに

第17 章　CO2フリーアンモニアを用いたエネルギーサプライチェーンの実証
1　CO2フリーアンモニアを用いたエネルギーサプライチェーンの全体像
2　ブルーアンモニア製造技術
3　グリーンアンモニア製造技術
4　グリーンアンモニア製造実証
4. 1　実証試験装置の概要
4. 2　触媒性能の評価
4. 3　負荷変動運転試験
4. 4　グリーンアンモニア製造試験
5　CO2フリーアンモニアを用いたエネルギーサプライチェーンの社会実装に向けて