グリーン水素の製造方法
グリーン水素の製造方法（Green hydrogen production methods）
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Contents
1. はじめに
皆様も御存じのように地球温暖化やエネルギー問題が喫緊の課題になっています。その中で、太陽光発電、風力発電などの再生可能エネルギーとともに、水素エネルギーに注目が集まっています。その理由は水素を燃焼させると、地球温暖化の原因といわれている二酸化炭素（CO2）を発生させずに、熱エネルギーや力学的エネルギーを得ることができるためです。
水素エネルギーの製造過程で、CO2を発生させない、再生可能エネルギーを用いて水を分解して得られる水素を、「グリーン水素」といい、最もクリーンなエネルギーとして、期待されています。
2. 水素製造の背景
現在、私たちが消費しているエネルギーの大部分は化石燃料（石油、石炭、天然ガス）から得られています。これらの化石燃料を燃焼させると、エネルギーと共にCO2が発生し、地球温暖化の大きな原因になっているといわれます。水素は、CO2を発生する化石資源からも得られます。化石燃料から水素を製造する方法は、大きく二つに分類されます。
（１）ブルー水素： 化石燃料は石炭を用いる場合もあるが、主として天然ガスを使用して水素を製造する方法です。発生したCO2を捕集・貯蔵（CCS：Carbon dioxide Capture and Storage）や利用（CCUS：Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage）することで、CO2の排出を抑えた方法です。
（２）グレー水素： 化石燃料（主として天然ガス）を用いて、水素を製造する方法で、CO2は大気中に放出されます。もう少し詳しく分類すると、グレー水素は、天然ガス（メタン）を用いて製造されるものをいいますが、褐炭を原料にしたものをブラウン水素、石炭を原料にしたものをブラック水素に分類されることが多いです。
何れも、CO2は外部に放出されます。
ブルー水素、グレー水素とも何れの方法でも、CO2の排出がゼロにはなりませんが、技術革新によってブルー水素の排出量削減が期待されています。
3. グリーン水素の製造方法
3.1 はじめに
前述したようにグリーン水素は、化石燃料を使用せずに再生可能エネルギー（風力、太陽光、水力、地熱など）を利用して製造される水素で、CO2を排出しないクリーンなエネルギー源として注目されています。特に地球温暖化やエネルギー問題が深刻化している現在、グリーン水素の重要性はますます大きくなっています。以下に、主なグリーン水素の製造方法について示します。
3.2 水の電気分解
グリーン水素の最も代表的な製造方法は、水の電気分解法です。電気分解は、水（H2O）に電気エネルギーを加えることで水素（H₂）と酸素（O₂）を生成するプロセスです。このプロセスに使用する電力を再生可能エネルギー（風力、太陽光、水力、地熱など）から供給することで、CO₂を排出しないグリーン水素が得られます。
3.2.1 アルカリ水電解：
アルカリ水電解は、歴史的にも最も普及している方法です。電解質として濃厚（30%）な水酸化カリウム（KOH）や水酸化ナトリウム（NaOH）の水溶液を使用し、通電することにより正極で酸素、負極で水素が生成されます。この方法の利点は、技術が成熟しており、比較的安価に大規模なシステムを構築できる点です。しかし、システムの効率は他の電解法と比べてやや劣るため、さらなる効率向上が求められています。
アルカリ水電解の模式図を図1 に示します。電気分解では正負極間でpHこう配が大きくなりますが、それを防止するために、両極間に隔壁を設けたり、アルカリ水溶液の流動等、工夫されています（図 1）。
図1アルカリ水電解の模式図 出典・参考：グリーン水素の製造法とその理由,水電解法による水素製造とそのコスト
3.2.2 固体高分子形水電解：
固体高分子形水電解（PEM：Proton Exchange Membrane）は、アルカリ水電解発法ともに近年注目されている技術で、固体の高分子膜を電解質として使用します。PEMの特徴は、電解質として酸性のプロトン交換膜を用いることで、より高効率で水素を生成できる点です。
プロトン交換膜は隔壁と電解質と役割を兼用しています。通常は、プロトン交換膜を挟んで正極（酸素を発生）と負極（水素発生）触媒が膜に直接接合されています。これらの触媒掻は、水分子や水素・酸素分子が透過可能です。それらの外側に多孔質の給電体、生成気体の流路と主電極が配置されています（図2 ）。
プロトン交換膜は、強い酸性の性質を持っているため、酸素および水素生成触媒は酸性条件下で安定な物質である必要があります。通常は IrO2 やPt等の貴金属が用いられます。
このため、固体高分子水分解法は、高い電解効率で純度の高い水素が得られます。一方、貴金属を触媒として使用しているため、製造装置のコスト低減が課題として挙げられます。
図2 固体高分子水電解の模式図 参考：グリーン水素の製造法とその理由
3.2.3 高温水蒸気電解：
高温水蒸気電解（SOEC：Solid Oxide Electrolysis Cell）は、700℃から1000℃程度の高温水蒸気を電気分解する技術です（図3 ）。この高温環境下では、熱エネルギーを水電解に用いることが出来たため、電気分解に必要な電圧を低く抑えることができるため、効率的に水素を生成できます。ただし、グリーン水素として製造するために。風力、太陽光などの再生可能エネルギーと水の電気分解装置との組合わせでの製造なので、グレー水素と比較して製造価格がかなり高価になる問題があります。
酸化物イオン（O2-）導電性を持つイットリア安定化ジルコニア（YSZ：ZrO2に少量のY2O3を固溶させて高温での結晶構造を安定化させたもの）などを電解質、正極にはランタンストロンチウム肝がん酸化物等の導電性酸化物、負極にはニッケルとYSZトン複合体であるニッケルサーメットなどが用いられます。現状では、過酷な熱・腐食環境で作動されるため、腐食、熱拡散による性能劣化、熱履歴に対する強度など多くの問題があり、さらなる技術開発が必要とされます。
図3 高温水蒸気電解の模式図 参考：水電解法による水素製造とそのコスト
3.3 光電気化学的水分解
光電気化学的水分解は、光エネルギーを直接利用して水を分解し、水素を生成する技術です。この技術は、自然の光合成に似たプロセスを持ち、光エネルギーを化学エネルギーに変換することができます。半導体電極を水溶液中に浸漬すると、電極表面に電場こう配が発生し、この表面に光を照射すると表面近傍で励起された電子と正孔とが分離し、太陽電池と類似の機構で光エネルギー変換が可能なことが知られていました。
1967年に東京大学の本田・藤嶋氏が、正極にルチル型二酸化チタン、負極に白金を用いて、正極に紫外線を照射すると、正極には酸素、負極の白金上に水素が発生する、ホンダ・フジシマ効果と呼ばれる現象を発見しました。
光電気化学的水分解の最大の魅力は、太陽光という無限のエネルギー源を直接利用できる点です。しかし、太陽光エネルギーの5%程度のエネルギーしかない紫外光しか利用できる材料がなかなか見つからず、大部分（54%）を占める可視光のエネルギーの利用可能な、効率的な光電極材料を開発する研究が継続されています。
3.4 人工光合成
人工光合成は、光エネルギーを直接的に化学エネルギーに変換し、水素や有機化合物を生成する技術です。太陽エネルギーを利用して水を分解し、水素と酸素を生成するこのプロセスは、植物の光合成を模倣しており、太陽光を最大限に活用できる点が特徴です。
人工光合成は、水分解光触媒を用いて水素を生成しますが、光触媒の効率や耐久性が現段階では不十分であり、実用化に向けた研究が進んでいます。解決すべき課題は大きいですが、成功すれば非常に低コストで大量の水素を生成することが可能となり、エネルギー問題の解決に貢献できる技術となるでしょう。
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4. 他の水素製造方法
グリーン水素は、CO2の発生をもたらさない原料である水を用いて、水素生成も再生可能エネルギーを使用して製造されるのですが、原料として炭化水素を用いるブルー水素、グレー水素についても、その製造方法について簡単に示します。これらの製造方法で生成された水素を、CO2回収工程を含む場合はブルー水素、CO2の排出を許容する場合はグレー水素（化石燃料の種類により細分化して、ブラウン水素、ブラック水素と呼ばれることもあります。）と、細分化されます。
・水蒸気改質法： メタン（天然ガス）を高温で水蒸気と反応させて水素を生成する方法。
・部分酸化法： メタンや石油を部分的に酸化させて水素を生成する方法。
・石炭ガス化法： 石炭を高温でガス化し、水素を生成する方法。
5. グリーン水素の課題と展望
グリーン水素の最大の課題は、その製造コストの高さです。再生可能エネルギーを使用して水素を製造するには、まだコストがかかり、化石燃料由来の水素と比べて経済的に競争力がありません。しかし、技術革新やエネルギーコストの低減が進むにつれて、グリーン水素の普及が期待されています。
また、水素の貯蔵や輸送に関する技術的な課題も解決される必要があります。水素は非常に軽く、貯蔵や輸送が難しいため、これを効率的に行うための新しい技術が求められています。
6. グリーン水素の利用
グリーン水素は、さまざまな分野での利用が期待されています。例えば、燃料電池車（FCV）や水素エンジン車において、グリーン水素を燃料として使用することで、ゼロエミッションの移動手段が実現可能です。また、産業分野においても、鉄鋼製造や化学製品の製造において、化石燃料の代替として水素を使用することで、CO₂の排出を削減できます。
さらに、電力の安定供給においても、グリーン水素を使用した水素タービンなどが将来普及する可能性があります。特に、再生可能エネルギーの不安定さを補完するエネルギーキャリアとして、グリーン水素の役割が期待されています。
7. まとめ
グリーン水素は、化石資源に代わるクリーンなエネルギー源として、地球温暖化やエネルギー問題の解決に向けて大きな期待が寄せられています。再生可能エネルギーを活用した水素製造技術は既に実用化されつつありますが、コストや技術的な課題を克服するためのさらなる研究開発が必要です。
参考文献
水電解法による水素製造とそのコスト 阿部勲夫、オフィス テラ 水素エネルギーシステムVol.33,No.1 2008年
グリーン水素の製造法とその利用 堂免一成 化学と教育 70巻9号 2022年
引用図表
図 1 アルカリ水電解の模式図 出典・参考：グリーン水素の製造法とその理由,水電解法による水素製造とそのコスト
図 2 固体高分子水電解の模式図 参考：グリーン水素の製造法とその理由
図 3 高温水蒸気電解の模式図 参考：水電解法による水素製造とそのコスト
ORG:2024/09/16
