水素製造装置とは
水素製造装置とは、水素を作り出せる装置です。
水素は地球上に豊富に存在する元素で、軽くて無色・無臭の気体です。水素は、水から作られることが多く、環境に優しいエネルギーとして注目されています。水素製造装置は、この水素を効率よく作るために開発された技術です。
製造方法は大きく分けて2通りあります。1つ目は、LPガス等の水蒸気改質です。原料はLPガスのみではなく褐炭と言った化石燃料やメタンなど炭化水素も使用できますが、実用化されている水素製造装置の原料にはLPガスが使用されています。
2つ目が水の電気分解で、アルカリ性の水を電気分解して作り出します。水をアルカリ性にする際には一般的に水酸化カリウム及び水酸化ナトリウムが添加されます。
水素製造装置の使用用途
水素製造装置で作られた水素は、さまざまな用途で利用されています。主な使用用途は、以下の通りです。
1. 燃料電池
水素と酸素を化学反応させて電気を作り出す燃料電池は、自動車や家庭用の発電など、幅広い分野で利用されています。エネファームなどの家庭用のコージェネレーションシステムは水素を燃料として使用し、燃料電池により発電が行われます。
このコージェネレーション用の燃料である水素を作り出すために、機器内で都市ガスから水蒸気改質で水素が作り出されています。
2. 工業用途
水素は化学工業や鉄鋼業などで、原料や還元剤として使われています。ガラス製造や金属処理用の還元剤用に水素は使用されているため、これらの用途にも水素製造装置は用いられています。
3. ロケット燃料
水素は、液体状態でロケットの燃料としても使われています。
水素製造装置の原理
1. 水蒸気改質法
高温の水蒸気を炭化水素に吹きかけることで水と炭化水素を反応させ、反応後のガスとして水素が得られます。炭化水素中の炭素は水の酸素と結びついて一酸化炭素を形成するため、炭化水素と水の両方から水素分子が分離されます。
2. 電気分解法
2つの電極をアルカリ性の液体に入れ、両方の電極に電圧をかけることで、電気分解反応が始まります。水素は陰極から発生し、陽極からは酸素が発生します。
純粋な水はイオンを含まないので電流が非常に流れにくく、電解質の水酸化ナトリウムを添加します。水酸化ナトリウムを使用すると、陰極から水素、陽極から酸素と単純に水が電気分解され、水酸化ナトリウムを追加せず電気分解をし続けることが可能です。
水素製造装置の種類
水素製造装置には、いくつかの種類があります。それぞれの特徴や用途によって使い分けられています。
1. 水蒸気改質装置
天然ガスや石油を使った水素製造装置で、これらの化石燃料と蒸気を反応させて水素を取り出す方法です。現在、水素の大部分はこの方法で作られています。効率が良く、大量の水素が得られることが利点ですが、化石燃料を使うため、環境負荷があります。
2. 電気分解装置
電気分解の原理を使った水素製造装置で、水を電気で分解して水素を作る方法です。この装置は、環境に優しいエネルギー源 (太陽光や風力など) から得られる電気を使うことができるため、環境負荷が低いとされています。ただし、効率や規模面で課題があり、改善が求められています。
水素製造装置のその他情報
1. 再生可能エネルギーによる水素製造装置
水素エネルギーの活用は、今後の脱炭素化にむけた取り組みとしてエネルギー分野を中心に国内外で導入が進み、今後も利用の拡大が予想されます。2017年12月には、国が水素基本戦略を策定し、国全体として水素社会実現のための取り組みを広げているためです。
今後のエネルギー対策の一環として、再生エネルギー (太陽光、風力発電、地熱発電など) の電気を利用した純粋な水素を取り出すことが期待されます。既に太陽光を使ったアルカリ水電解によって水素を製造する技術等が開発されており、水素自動車の燃料電池等の開発に向けられています。
2. 製油所で用いられる水素製造装置
現在の石油精製工場での製油では、水素は欠かせない存在になっています。製油の工程の中で、原料や製品に含まれる硫黄分を除去する「脱硫」と呼ばれる工程で水素が用いられます。
また、水素ガスを用いた触媒反応により良質な石油などの製品を作る水素化分解装置などにも有用です。特に重油の製油の工程では水素を大量に使うため、様々な工業プロセスから副次的に生産された水素 (副生水素) のみでは不足してしまうことから、石油精製工場では水素製造装置が併設されることが多いです。
炭化水素を用いた水素製造の方法としては、スチームから触媒上で熱化学反応を進めるスチームリフォーミング法と、無触媒で反応を進める部分酸化法の2種類があります。
参考文献
https://www.awi.co.jp/business/industrial/plant/vh.html
https://oilgas-info.jogmec.go.jp/termlist/1000971/1000981.html
https://oilgas-info.jogmec.go.jp/termlist/1001150/1001222.html
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https://www.eneos.co.jp/business/hydrogen/supply_chain.html
https://www.env.go.jp/seisaku/list/ondanka_saisei/lowcarbon-h2-sc/about-hydrogen/
https://www.nedo.go.jp/content/100639757.pdf