< 開発の社会的背景 > 化石燃料の枯渇に伴うエネルギー問題 大量のエネルギー消費による環境汚染問題を解決するため 燃焼後に水しか出ない水素がクリーンエネルギー源として期待されています 常温では気体である水素は その効率的な貯蔵 輸送技術の開発が大きな課題となってきました 常温 10 気圧程度の条件

平 成 ３ ０ 年 １ ０ 月 １ １ 日 大 陽 日 酸 株 式 会 社 国 立 大 学 法 人 広島 大学 国 立 研 究 開 発 法 人 科学 技術振 興機 構（ ＪＳＴ ）

アンモニア分解ガスから燃料電池自動車の燃料水素を

高効率で回収する水素精製装置を開発

ア ン モ ニ ア 分 解 ガ ス か ら 燃 料 電 池 自 動 車注 1)_{用 高 純 度 水 素 を 高 効 率 で 回 収 す る 水 素 精 製} 装 置 を 10Nm3 /h の 規 模 で 開 発 し 、 水 素 回 収 率注 2)90%を 初 め て 達 成 し ま し た 。 ま た 、 10% の オ フ ガ ス を ア ン モ ニ ア 分 解 用 熱 供 給 装 置 に 供 給 す る こ と が で き 、エ ネ ル ギ ー 効 率注3) 80% 以 上 で 高 純 度 水 素 の 製 造 が 可 能 と な り ま し た 。本 成 果 に よ っ て 、ア ン モ ニ ア か ら 安 価 な 高 純 度 水 素 を 製 造 で き 、燃 料 電 池 自 動 車 や 燃 料 電 池 フ ォ ー ク リ フ ト の 燃 料 と し て 供 給 す る こ と が 可 能 と な り ま す 。 内 閣 府 総 合 科 学 技 術 ・ イ ノ ベ ー シ ョ ン 会 議 の 戦 略 的 イ ノ ベ ー シ ョ ン 創 造 プ ロ グ ラ ム （ SIP）「 エ ネル ギ ー キ ャ リア 」（ 管 理 法 人：国 立 研究 開 発 法 人 科 学 技 術振 興 機 構【 理 事長 濵 口 道 成 】） の 委 託 研 究 課 題 「 ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョ ン 基 盤 技 術 」（ 研 究 責 任 者 ： 広 島 大 学【 教 授 小 島 由 継 】）に おい て 、大 陽 日 酸 ㈱は 、アン モ ニ ア分 解 ガス か ら 燃 料電 池 自 動 車 用 高 純 度 水 素 を 高 効 率 で 回 収 す る 技 術 を 開 発 し ま し た 。 ア ン モ ニ ア は NH3で 示 さ れ る よ う に 、 多 く の 水 素 を 含 ん で お り エ ネ ル ギ ー キ ャ リ ア注4） と し て 期 待 さ れ て い ま す 。 し か し 、 ア ン モ ニ ア の 分 解 （ 脱 水 素 ） 反 応 は 吸 熱 反 応 で あ り 、 反 応 熱 を 供 給 す る 必 要 が あ り ま す 。開 発 し た 水 素 精 製 装 置 は 、4 塔 式 の圧 力 変 動 吸着 法注5） （ PSA 法 ）を 用 い た 水 素 精製 装 置 に 新プ ロ セ ス を組 み 合 わ せる こ と に より 、精製 時 に 発生 す る オ フ ガ ス を 一 定 の 流 量 か つ 一 定 の 水 素 濃 度 で 供 給 す る こ と が 可 能 と な り ま す 。こ の オ フ ガ ス を 空 気 と 触 媒 で 燃 焼 さ せ る こ と で 、効 率 的 に ア ン モ ニ ア 分 解 熱 を 供 給 す る こ と が 可 能 と な り 、 高 水 素 回 収 率 か つ 高 エ ネ ル ギ ー 効 率 で の 水 素 製 造 を 実 現 す る こ と が で き ま す 。 今 回 、10Nm3 /h 規 模 で の ア ン モ ニ ア 分 解 模 擬 ガ ス を 用 い た 水 素 精 製 装 置 の パ イ ロ ッ ト 試 験 に 成 功 し（ 図 1,2）、300~1,000Nm3 /h の 実 用 化 規 模 の 精 製 装 置 製 作 に 目 途 を 付 け る こ と が で き ま し た 。「 ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョ ン 基 盤 技 術 」 で 並 行 し て 開 発 が 進 め ら れ て い る ア ン モ ニ ア 分 解 装 置 、熱 供 給 装 置 や ア ン モ ニ ア 除 去 装 置 と 組 み 合 わ せ る こ と で 、ア ン モ ニ ア よ り 高 純 度 水 素 を 効 率 的 に 製 造 す る こ と が 可 能 に な り ま す 。 今 回 の 成 功 は 、ア ン モ ニ ア を 燃 料 電 池 自 動 車 用 水 素 燃 料 へ 利 用 す る た め の 技 術 の 大 き な 進 展 で あ り 、将 来 、燃 料 電 池 自 動 車 や 燃 料 電 池 フ ォ ー ク リ フ ト 用 の 水 素 ス テ ー シ ョ ン の 原 料 と し て カ ー ボ ン を 含 ま な い ア ン モ ニ ア が 利 用 で き る よ う に な り 、CO2削 減 に 大 き く 貢 献 す る こ と に な り ま す （ 図 3）。 開 発 内 容 の 詳 細 は 、 10 月 31 日 に米 国 ピ ッ ツ バ ーグ で 開 催 され る 2018 AIChE Annual Meeting（ 米 国 化 学 工 学 会 年 次 大 会 2018） で 発 表 い た し ま す 。

＜ 開 発 の 社 会 的 背 景 ＞ 化 石 燃 料 の 枯 渇 に 伴 う エ ネ ル ギ ー 問 題 、 大 量 の エ ネ ル ギ ー 消 費 に よ る 環 境 汚 染 問 題 を 解 決 す る た め 、燃 焼 後 に 水 し か 出 な い 水 素 が ク リ ー ン エ ネ ル ギ ー 源 と し て 期 待 さ れ て い ま す 。 常 温 で は 気 体 で あ る 水 素 は 、 そ の 効 率 的 な 貯 蔵 ・ 輸 送 技 術 の 開 発 が 大 き な 課 題 と な っ て き ま し た 。常 温 、10 気 圧 程度の 条件 で容 易に液 体とな るア ンモ ニア（ NH3) 1 分 子 は 3 原 子 の 水 素 を も つ た め 水 素 量 が 多 く 、 水 素 エ ネ ル ギ ー の キ ャ リ ア と し て 魅 力 的 な 化 学 物 質 で す 。 ア ン モ ニ ア は 燃 料 電 池 自 動 車 用 水 素 源 と し て 注 目 さ れ て い ま す 。 ＜ 研 究 の 経 緯 ＞ ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョ ン 基 盤 技 術 で は 、 ア ン モ ニ ア か ら 水 素 燃 料 を 製 造 す る た め の 、 ア ン モ ニ ア 分 解 ・ 高 純 度 水 素 供 給 シ ス テ ム の 開 発 に 取 り 組 ん で い ま す 。 こ の シ ス テ ム は 、 図 3 に 示す よう に、主 にアン モニ ア分 解装置 、アン モニ ア除 去装置 、水素 精製 装置 から構 成 さ れ ま す 。 ア ン モ ニ ア は ア ン モ ニ ア 分 解 装 置 で 分 解 さ れ 、 水 素 、 窒 素 の 混 合 ガ ス が 生 成 さ れ る も の の 、 微 量 の ア ン モ ニ ア ガ ス が 残 存 し ま す 。 こ の 混 合 ガ ス 中 の 微 量 の ア ン モ ニ ア や 窒 素 は ア ン モ ニ ア 除 去 装 置 と 水 素 精 製 装 置 で 除 去 さ れ 高 純 度 水 素 が 製 造 さ れ ま す 。 大 陽 日 酸 で は 、 ア ン モ ニ ア 分 解 ・ 高 純 度 水 素 供 給 シ ス テ ム の 中 の 水 素 精 製 装 置 の 研 究 開 発 を 担 当 し て お り 、 2016 年度 には高 純度 水素 発生 量 1.05Nm3 /h（ ア ン モ ニ ア 分 解 原 料 ガ ス 2Nm3/h（ 75％ 水 素 ＋ 25％ 窒 素 ）） の ラ ボ ス ケ ー ル の 水 素 精 製 装 置 を 開 発 し ま し た 。 ＜ 研 究 の 内 容 ＞ 大 陽 日 酸 ㈱ で は 、 窒 素 な ど の 不 純 物 を 除 去 す る 水 素 精 製 装 置 の 研 究 開 発 を 発 展 さ せ 、 従 来 の 装 置 で は 水 素 回 収 率 が 70%であ った もの を、初め て 90%まで 向 上させ るこ とが できま し た 。 こ れ に よ り 同 規 模 の 水 素 精 製 装 置 で 、 水 素 発 生 量 を 約 3 割多 く取り 出す こと が可能 に な り （ 1.05Nm3 /h を 1.35Nm3/h に 改 善 ）、 ア ン モ ニ ア か ら 水 素 を 取 り 出 す エ ネ ル ギ ー 効 率 は 78%か ら 82%に 向 上 し ま し た 。 こ の 成 果 に 伴 い 水 素 製 造 コ ス ト の 低 減 が 期 待 で き ま す 。 こ れ は 、 以 前 の 2 塔式 の VPSA（真 空再生 型 圧力変 動吸 着） 式精製 装置 を 4 塔式 に変 更 し 、 再 生 工 程 に お け る ガ ス の 流 れ を コ ン ト ロ ー ル す る こ と に よ っ て 、 排 気 さ れ て い た 水 素 ガ ス 量 を 減 少 さ せ る こ と に よ り 達 成 さ れ ま し た 。 ま た 、 VPSA 式精製装置 の排 気ガ ス の流 れ に も 改 良 を 加 え 、 変 動 の 大 き か っ た 排 気 ガ ス の 流 量 や 水 素 濃 度 の 変 化 を 一 定 に す る こ と に も 成 功 し 、 触 媒 燃 焼 さ せ る こ と で ア ン モ ニ ア の 分 解 反 応 熱 に 利 用 で き る よ う に な り ま し た 。 ア ン モ ニ ア の 分 解 反 応 は 、 吸 熱 反 応 の た め に 反 応 熱 の 供 給 が 必 要 で す が 、 従 来 で あ れ ば 都 市 ガ ス や LPG ガスの 燃焼に より 熱供 給をし ていま した 。今 回の研 究開 発 によ り、精製装 置 の 排 気 ガ ス を 燃 焼 ガ ス に 使 う こ と が 可 能 に な り 、 エ ネ ル ギ ー 効 率 を 上 げ る こ と が で き る と 共 に 、 CO2を 排 出 し な い ア ン モ ニ ア 分 解 反 応 が 可 能 に な り ま し た 。 今 回 研 究 開 発 さ れ た 上 述 の 新 技 術 を 組 み 入 れ た パ イ ロ ッ ト 装 置 （ ア ン モ ニ ア 分 解 原 料 ガ ス 20Nm3 /h（ 75％ 水 素 ＋ 25％ 窒 素 ）、 高 純 度 水 素 13.5Nm3/h） を 製 作 し て 実 証 試 験 に 成 功 し （ 図 1,2）、実 用規 模の 300～1,000Nm3 /h 水 素 精 製 装 置 の 製 作 に 目 途 を 付 け る こ と が で き ま し た 。

＜ 今 後 の 予 定 ＞ 今 回 開 発 さ れ た 水 素 精 製 装 置 は 、「 ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョ ン 基 盤 技 術 」 チ ー ム の 他 機 関 で の 開 発 成 果 で あ る ア ン モ ニ ア 分 解 装 置 や ア ン モ ニ ア 除 去 装 置 、 熱 供 給 装 置 と 連 結 さ せ る こ と に よ り 、 ア ン モ ニ ア か ら 直 接 高 純 度 水 素 を 発 生 さ せ る こ と が 可 能 と な り ま す （ 図 3）。 ア ン モ ニ ア か ら の 高 純 度 水 素 は 燃 料 電 池 自 動 車 や 燃 料 電 池 フ ォ ー ク リ フ ト へ の 利 用 が 期 待 さ れ 、 ひ い て は CO2削 減 に 大 き く 貢 献 す る こ と に な り ま す 。 図１ ．水 素 精 製 装 置 の 概 観 図 ２ ． 水 素 精 製 装 置 の フ ロ ー シ ー ト の 一 例

図３ ．ア ン モニ ア 水素 ステ ーシ ョ ンの 概 念図

用 語 解 説

注 1) 燃 料 電 池 自動 車 ： 搭載 し た 固 体 高分 子 形 燃料 電 池 で 燃 料（ 水 素 ）と 空 気 中 の 酸素 か ら 発 電 し 電 動 機 を 動 か し て 走 行 す る 自 動 車 で あ る 。2014 年 12 月 に トヨタ 自 動 車 ㈱ か ら 、 世 界 初 の 量 産 型 燃 料 電 池 自 動 車 MIRAI が 発売 され 、2016 年 3 月 に は 本 田 技 研 工 業 ㈱ か ら 、 新 型 燃 料 電 池 自 動 車 CLARITY FUEL CELL が 発 売 さ れ た 。 注 2) 水素 回収 率（水 素 精製 効率 ）： 高純 度水 素量 /アン モニア に含 ま れる水 素量 。 注 3) エネル ギー 効率 ： アン モニ ア分 解によ って 得 られ た高 純度水 素の燃 焼エ ネル ギー /投 入 ア ン モ ニ ア の 燃 焼 エ ネ ル ギ ー 。 注 4) エ ネ ル ギ ーキ ャ リ ア： 液 体 水 素 やメ チ ル シク ロ ヘ キ サ ン、 ア ン モニ ア な ど 水 素を 多 く 含 む 物 質 の こ と で 、エ ネ ル ギ ー 生 産 地 で 合 成 し て 、化 学 的 に 安 定 な 液 体 と し て 保 存 、運 搬 し 、エ ネ ル ギ ー 消 費 地 で 水 素 を 取 り 出 す か 直 接 エ ネ ル ギ ー に 変 換 し て 使 用 す る 。

注 5) 4 塔式の 圧力 変 動吸着 法：圧力 変動 吸 着法（Pressure Swing Adsorption 法：PSA 法と 略 す ）と は 、精 製 す る ガ ス を 高 い 圧 力 で 吸 着 剤 に 接 触 さ せ る こ と で 不 純 物 を 選 択 的 に 吸 着 除 去 し て ガ ス を 精 製 し 、不 純 物 を 吸 着 し た 吸 着 剤 は 圧 力 を 下 げ る こ と で 不 純 物 を 脱 離 さ せ る こ と で 再 利 用 す る 方 法 で あ る 。こ の 精 製 工 程 と 脱 離 工 程 を 交 互 に 繰 り 返 す こ と で 、連 続 的 な ガ ス の 精 製 が 可 能 と な る 。こ の PSA 法 は 2 塔 の シ ス テ ム で 可 能 で あ る が 、本 開 発 で は 4 塔 式 に し て ガ ス 流 れ を 詳 細 に コ ン ト ロ ー ル す る 事 で 高 い ガ ス 回 収 率 と 高 純 度 化 が 達 成 で き た 。

＜ お 問 い 合 わ せ 先 ＞ ＜ Ｓ Ｉ Ｐ の 事 業 に 関 す る こ と ＞ 内 閣 府 政 策 統 括 官 （ 科 学 技 術 ・ イ ノ ベ ー シ ョ ン 担 当 ） 付 エ ネ ル ギ ー ・ 環 境 グ ル ー プ 〒 100-8914 東京都 千代 田区永 田 町 1-6-1 中央 合同庁 舎 第 8 号 館 6 階 TEL： 03-6257-1337 http://www8.cao.go.jp/cstp/gaiyo/sip/ ＜ ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョ ン 基 盤 技 術 に 関 す る こ と ＞ 広 島 大 学 自然 科学 研究 支援 開 発セ ンタ ー 先進 機能物 質部 門長 ・教授 小島 由 継 〒 739-8530 広島県 東 広島市 鏡 山 1-3-1 TEL： 082-424-3904 FAX： 082-424-5744 E-mail： kojimay@hiroshima-u.ac.jp ＜ Ｊ Ｓ Ｔ 事 業 に 関 す る こ と ＞ 国 立 研 究 開 発 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構 環 境エ ネルギ ー研 究開 発推進 部 〒102‒0076 東京都 千代 田区五 番町 ７ Ｋ’ｓ 五 番町 TEL： 03‒3512‒3543 FAX： 03‒3512‒3533 E-mail： sip_energycarrier@jst.go.jp ＜ 報 道 担 当 ＞ 大 陽 日 酸 株 式 会 社 管 理 本 部 広 報・ IR 部 鎌 田・田 代 〒 142-8558 東京 都品 川 区小 山 1-3-26 TEL： 03-5788-8015 E-mail： Tnsc.Info@tn-sanso.co.jp 広 島 大 学 財 務 ・ 総 務 室 広 報 部 広 報 グ ル ー プ 佐 々 木 和人 〒 739-8511 広 島県 東 広島市 鏡 山 1-3-2 TEL： 082-424-3749 FAX： 082-424-6040 E-mail： koho@office.hiroshima-u.ac.jp 国 立 研 究 開 発 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構 広 報課 〒 102-8666 東京都 千代 田区四 番 町 5-3 TEL： 03-5214-8404 FAX： 03-5214-8432 E-mail： jstkoho@jst.go.jp