水素の製造方法
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水素の製造方法（Hydrogen production method）
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近年クリーンエネルギー源として水素が着目されていますが、水素の製造自体は古くから行われています。水素の代表的な用途は、石油精製プロセスからの発生ガスをユーティリティとしてや、製鉄プロセスの副生物として発生するコークス炉ガス（COG：Coke Oven Gas）を製鉄所内の燃料としての利用です。
近年は、水素の製造自体でもCO2の発生を低減させるため、再生可能エネルギーを積極的に利用して水素を製造する試みが提唱され実践もされています。
ここでは、主要な水素の製造方法について概観しましょう。水素の製造方法には大きく分類すると4つあります。
（１）化石燃料を触媒を用いて改質する方法
（２）製鉄所や化学工場などのプラントから発生する副生ガスを分離・生成する方法
（３）水を電気分解して水素を取り出す方法
（４）バイオマスの発酵で発生するバイオガスから水素を取り出す方法
1. 化石燃料を触媒を用いて改質する方法
水素を大量に安価に製造する方法です。① 水蒸気改質反応と、② 水性ガスシフト反応とから構成されています。
① 水蒸気改質反応（Steam reforming）
例えば、もっとも単純な炭化水素であるメタン（CH4）を事例にして説明します。
高温の水蒸気（500 ～ 1 100℃）とメタンとが混合された状態で、ニッケル系触媒に接触すると、水蒸気とメタンが反応して、水素と一酸化炭素とになります。
CH4 + H2O → CO + 3H2
② 水性ガスシフト反応（water gas shift reaction）
一酸化炭素と水蒸気が混合された状態で酸化鉄（Fe3O4；マグネタイト）系触媒に接触すると、水素と二酸化炭素とになります。
CO + H2O → CO2 + H2
メタンガス以外の炭化水素（CnHm）も同様のプロセスで水素を得ることができます。
CnHm + nH2O → nCO2 + ( m/2 + n ) H2
この製造プロセスの特徴を整理すると、以下のとおりです。
（１）大量の水素を他の製造方法と比較して、最も安価に製造することができる。
特に、メタン（天然ガス）の水蒸気改質は、工業的なアンモニア合成に用いられるなど、商用向けに大量の水素を製造する最大の方法です。（２）高温の水蒸気と改質炉が必要となる。
（３）水素だけでなく、二酸化水素も産出する。
2. 製鉄所や化学工場などのプラントから発生する副生ガスを分離・生成する方法
製鉄プロセスや工業化学プロセスにおいて副次的に発生するガスを、副生ガスといいます。副生ガス中に水素が多く含まれる場合は、水素以外のガスを分離・精製することで、高純度の水素が得られます。
ここでは、製鉄プロセスにより副生ガスの発生から水素を得るまでの過程を示します。
製鉄プロセスでは、溶解・還元のために石炭が欠かせません。石炭には、鉄鋼製品の品質や製造プロセスに悪影響を及ぼす、硫黄、コールタール、ピッチ、硫酸、アンモニアなどが含まれます。これらの不純物を除去するために石炭を乾溜（空気を遮断して、1 300℃以上で加熱）します。石炭を乾溜したものはコークス（cokes）と呼ばれます。コークスは、石炭よりも炭素の純度が高いので、より高温での燃焼が可能になり製鉄プロセスに適した燃料です。
石炭の乾溜プロセスで発生する副生ガスを、コークス炉ガスといいます。コークス炉ガスはCOG（coke oven）ともいわれます。コークス炉ガスの組成は、水素（52％程度）、メタン（32％程度）、一酸化炭素（7％程度）、炭化水素（3％程度）です。
コークス炉ガスは、主として製鉄所内で乾溜工程やボイラーなどの燃料として、自家消費されています。近年半導体製造や燃料電池用に必要な高純度の水素ガスの供給源としてコークス炉ガスからPSA方式（圧力変動吸着法；Pressure Swing Adsorption）で水素を分離・精製して外販されています。
なお、製鉄プロセスでは、高炉や転炉でも水素を含んだ副生ガスが発生しますが、水素含有量は数％程度と少ないため、水素を分離・精製せず製鉄所内の燃料として消費されています。
この製造プロセスの特徴を整理すると、以下のとおりです。
（１）製鉄プロセスにおいて副次的に発⽣するので、⽔素の製造コストとしては⽐較的安価である。
（２）⽔素を外販する場合、コークス炉ガスから⽔素を分離・精製する設備が、別途必要となる。
（３）コークス炉ガスの発⽣量は、鉄鋼⽣産量に依存する（コークス炉ガス発生量 ≒ コークス消費量）
（４）コークス炉ガスは、通常製鉄所内の燃料として使⽤しているので、⽔素を抽出すると代替となる燃料が必要となり、⼆酸化炭素の発⽣量が増加する。
3. 水を電気分解して水素を取り出す方法
我々には一番なじみが深い方法かもしれません。小学生の理科の実験で、水を電気分解して試験管に水素を捕集して、火をつけて「ポン」と音が鳴る実験を憶えておられる方も多いのではと思います。水の電気分解により水素を取り出す方法は、技術的には古くから確立されています。
水素の製造に伴って、二酸化炭素の発生は有りませんが、電力会社からの系統電力を使用する場合は、火力発電所では発電時に二酸化炭素が発生しており、必ずしもクリーンとはいえないとも考えられます。
太陽光発電や風力発電では、発電時には二酸化炭素の発生がありませんので、これらの電力により製造される水素は、グリーン水素と呼ばれますが、太陽光パネルの製造や風力発電装置を建設する際には、大量の二酸化炭素が発生し、廃棄時も多くのエネルギーを消費するので、ライフサイクル全体でみれば、これら再生可能エネルギーにより製造された水素が、全く二酸化炭素フリーと言えるかどうかは微妙な所があります。
また、変換効率もそれほどは良くは無く、水の電気分解による水素の製造コストは、化石燃料や製鉄プロセスから得られる水素の製造コストと比較して、現状では2 ～ 3倍程度になるといわれています。
今後の改善への取組みの継続が必要です。
この製造プロセスの特徴を整理すると、以下のとおりです。
（１）製造コストは、他の製造方法と⽐較して⾼価である。
（２）再⽣可能エネルギーを⽔素に置換・貯蔵し、必要な時に電気に再変換すればメリットは出易い。
（３）再⽣可能エネルギーを活⽤する場合、天候により発電量（＝⽔素発⽣量）が変動する。
4. バイオマスの発酵で発生するバイオガスから水素を取り出す方法
バイオマス（家畜の糞尿、⾷品残渣物など）の発酵により得られるバイオガス（メタノールやメタン）を、触媒などにより改質して水素を製造する⽅法です。
バイオガス中には、炭化⽔素成分（メタンやメタノールなど）だけでなく、⼆酸化炭素や硫⻩などの不純物が含まれています。バイオガスから不純物を除去した残りの炭化⽔素分を ① 水蒸気改質反応と、② 水性ガスシフト反応により、⽔素中⼼の組成ガスを得ます。さらに、⽔素濃度を⾼めるためには、PSA方式（圧力変動吸着法；Pressure Swing Adsorption）により、水素を分離・精製する必要があります。
例えば、牛1頭から1日で得られる糞尿から得られる水素は、燃料電池車を約20km走行させることが可能といわれています。
この製造プロセスの特徴を整理すると、以下のとおりです。
（１）究極のエコシステムと言える。
（２）⼈⼝密度が低くてバイオマスエネルギー密度が⾼い地域では、エネルギーの地産地消が可能となり、地域経済の活性化が得られる可能性がある。
（３）⽔素の製造コストは、他の⼿法と⽐較すると⾼価である。
5. まとめ
⽔素は、いろいろな方法で製造することができますが、製造⽅法により製造コスト、製造量、環境負荷などに差異があります。現状の⼯業プロセスで採用されている製造⽅法は商業ベースで成⽴していますが、カーボンニュートラルの立場から多くの問題があります。太陽光や風力などの再⽣可能エネルギーを用いた水の電気分解による水素製造や、バイオガスからの⽔素製造コストが削減できれば、エネルギー⾃給率が⾼まります。経済的に成立するための新たな手法の探索・改善が進められています。
図 いろいろな水素の製造方法 ORIGINAL
参考文献
水素の製造方法 2020.04.01 水素エネログHP https://www.suisoenelog.com/20200401/351/
水蒸気改質 Wikipedia
圧力変動吸着法（PAS法）によるガス分離技術 春名一生 J. Vac. Soc.（真空）Vol.43 No.12 2000年
引用図表
図 いろいろな水素の製造方法 ORIGINAL
ORG:2023/10/28
