International Institute for Carbon-Neutral Energy Research 1 水電解による水素製造の展望九州大学カーボンニュートラルエネルギー国際研究所電気化学エネルギー変換研究部門松本広重

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しのぶこいたばし
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1 International Institute for Carbon-Neutral Energy Research 1 水電解による水素製造の展望九州大学カーボンニュートラルエネルギー国際研究所電気化学エネルギー変換研究部門松本広重

2 WPI プログラムの目標 ( 世界トップレベル研究拠点プログラム (WPI)) きわめて高い研究水準を誇る目に見える研究拠点の形成を目指して - (1) 2 対象 : 基礎研究分野目的 : 世界から目に見える国際的に開かれた拠点新しいマネージメントと雇用システムで運営される国際研究所 4 つの基本目標 : 1. 世界最高レベルの研究水準 2. 国際的な研究環境の実現 3. 研究組織の改革 4. 融合領域の創出期間 :10-15 年支援額 : 年間 13 ~14 億円研究費は含まない I²CNER & ACT-C ジョイントシンポジウム集合写真

3 I 2 CNER エネルギービジョン 3 トータルエネルギーシステム年の CO₂25% 削減の実現を目指して - 水素科学技術 CO 2 回収貯留利用太陽光風力熱燃料電池車人工光合成水電気未利用熱利用 CO₂ 分離水素ステーション H2 水素貯蔵技術水素構造材料 H2 H2 H2 水素 CO2 熱 CO 2 CO2 CO2 CO2 地中貯留燃料電池次世代燃料電池水蒸気改質技術革新的物質変換 H2 Iron worksthermal Power 物質化学的固定石炭石油天然ガス等化石燃料 H2 CO2 の熱物性熱流動特性水素 H2 炭素 C 酸素 O の界面現象

4 4 お話しする内容水電解による水素製造の展望 1. 水電解による水素製造とその意味他の水素製造法との比較エネルギー変換の原理 2. 水電解の手法 3 つの異なる水電解の比較 3. 水電解の使い方再生可能エネルギーからの水素製造エネルギー貯蔵 4. 展望 ( まとめ )

5 1. 水電解による水素製造とその意味水素社会年 = 水素元年 Hyundai fuel cell vehicle Lease in the US Toyota fuel cell vehicle On Sale from Dec WHTC2015 にて ( シドニー )

6 1. 水電解による水素製造とその意味現在の主な水素製造法 6 炭化水素の改質水蒸気改質 CH 4 +H 2 O CO+3H 2 ( 吸熱反応 ) シフト反応 CO+H 2 O CO 2 +H 2 ( 発熱反応 ) 部分酸化 CH 4 +1/2O 2 CO+2H 2 ( 発熱反応 ) 副生水素ソーダ工業 : 食塩電解製鉄プロセスにおけるコークス製造石油化学石油精製水素は化学原料として利用今後水素のエネルギーとしての利用が開始拡大

7 1. 水電解による水素製造とその意味再生可能エネルギーを利用した水素製造 7 バイオマス木質バイオマス炭化水素改質下水汚泥消化ガス改質熱化学水素 IS サイクル : ヨウ化水素硫酸分解を利用した化学サイクルにより 900 程度の熱から水素を製造することができる例 > 日本原子力機構 : 高温ガス炉光触媒 ( 水分解 ) 本多藤島効果現在性能として変換効率 2% 水 / 水蒸気電解アルカリ水電解高分子電解質水電解高温水蒸気電解電気から水素を作る手法 CO 2 (GHG) 排出抑制の観点から上記の水素製造法の技術的な発展が重要

8 1. 水電解による水素製造とその意味水電解 8 DC power 電池 source 陰極 O 2 電子 electron H 2 2H + +2e - =H 2 陽極 H 2 O=2H + +1/2O 2 +2e - H + 全反応 H 2 O=1/2O 2 +H 2

9 1. 水電解による水素製造とその意味水電解の原理意味 9 水電解はなぜ起きるのでしょうか? 水素と酸素の混合ガス触媒水 : H 2 O H 2 O 2?

10 1. 水電解による水素製造とその意味反応の方向を決めるのは何でしょうか? 10 答え : 自由エネルギーの変化 ( ギブズエネルギー変化 ) が物事の方向を決めるもしその反応のギブズエネルギー変化が負であれば反応は自発的に進行する 2H2(g) + O2(g) = 2H2O(l) T deltah deltas deltag K Log(K) C kj J/K kj E

11 1. 水電解による水素製造とその意味水電解はなぜ起きる? 11 水の分解反応 : Δ f G > 0 (uphill) H 2 O H 2 +1/2O 2 アノード反応水水蒸気電解 : カソード反応 H 2 O 1/2O 2 +2H + +2e - & 2H + +2e - H 2 電極電位アノード電解質カソード

12 1. 水電解による水素製造とその意味電気分解の進行 : 12 陰極 2H + +2e - =H 2 H 2 eē- e - e - 陽極電解質 e - e - H + 電位陰極水電解の意味 : 水電解は自発的には進まない水の分解を進行させうる実用的な方法として重要有用

13 2. 水電解の手法実用開発段階の水電解 13

14 2. 水電解の手法固体高分子膜水電解 14 水 + 酸素水 + 水素 H + プロトン伝導性高分子膜水,H 2 O 水,H 2 O

15 2. 水電解の手法水蒸気電解 15 酸素イオン伝導体プロトン伝導体 Anode O 2- Cathode H 2 O Anode H 2 O H + Cathode O 2 H 2 H 2 O 2 e - e - D.C. power source e - e - D.C. power source

16 2. 水電解の手法 Energy efficiency 水電解と水蒸気電解の比較 16 liquid water electrolysis steam electrolysis(600 ) H O 2 heat η H O 2 heat T S T S η H kj/mol (1.48 V) HHV G kj/mol 1.23 V H kj/mol (1.29 V) LHV G kj/mol 1.02 V H 2 O( 液体 ) (Efficiency)=1.48/(1.23+η) H 2 O( 気体 ) Vapolization heat 40.9 kj/mol 0.21 V (Efficiency)=1.48/( η) 水蒸気電解水蒸気が手に入れば熱力学的にも有利作動温度以上の排熱が利用できればなお有利

2. 水電解の手法水電解と水蒸気電解の比較 17 Current density / ma cm -2 30 20 10 25 o C Cell using Nafion

electrode 水電解平衡電圧 0 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.

17 2. 水電解の手法水電解と水蒸気電解の比較 17 Current density / ma cm o C Cell using Nafion electrolyte / commercial electrode Cell using hydrous titania electrolyte / commercial electrode 水電解平衡電圧 Voltage / V Voltage / V 平衡電圧 SSC SZCY(film 22µm) Ni/SZCY SSC SZCY(0.5mm) Ni/SCY 水蒸気電解 600 o C Current density / ma cm -2

18 3. 水電解の使い方水素循環によるエネルギーシステム 18 風力太陽光電気エネルギー水電解 No CO 2 emission! 水素水素化合物電気エネルギー家庭用燃料電池燃料電池自動車

19 3. 水電解の使い方再生可能エネルギーからの水素製造 19 水電解は電気エネルギー水素エネルギーの変換を担う唯一の方法再生可能エネルギー = 需要と供給があわない余剰電力による水素製造調整電源的機能 ( 火力発電の代替 ) 海外における水素製造例えばオーストラリアの太陽電池による水素製造

20 3. 水電解の使い方 20 日立造船熊谷様 12/18 講演資料

21 3. 水電解の使い方エネルギー貯蔵 ( 蓄電 ) 22 再生可能エネルギー等由来の余剰電力を水素として貯蔵類似の例 : 東芝 H2 One( 本日のご発表 ) 調整電源的機能 ( 火力発電の代替 ) 蓄電としてのエネルギー効率 Li 電池 NaS 電池 :90% 超揚水発電 :~70% 電解 + 燃料電池 :50% かそれ以下 PEM: 電解 1.6V 発電 0.8V 50% SOFC/SOEC: 電解 1.3V 発電 0.8V 燃料利用率 90% 55%

22 3. 水電解の使い方アルカリ水電解装置 23 ソース : 福島再生可能エネルギー研究所 at.html

23 25 4. 展望 ( まとめ ) 水電解による水素製造の展望 1. 水電解による水素製造とその意味アップヒルな水分解反応を電気化学的に進行再生可能エネルギーと組み合わせることで CO 2 排出を伴わない水素製造 2. 水電解の手法 3 つの異なる水電解 : エネルギー密度的には PEM エネルギー効率的には水蒸気電解が有利 ( 裏を返せば ) それぞれの短所を補う技術開発が必要 3. 水電解の使い方再生可能エネルギーからの水素製造エネルギー貯蔵

PowerPoint プレゼンテーション

PowerPoint プレゼンテーション水素製造システム ( 第 7 回 ) 熱化学水素製造松本第 3 回 2 本日の講義の目的水の熱分解熱化学水素製造の考え方エネルギー効率実際の熱化学水素製造プロセス UT-3 IS 本スライドには以下の資料を参考にした : 吉田エクセルギー工学 - 理論と実際原子力辞典 ATOMICA http://www.rist.or.jp/atomica/index.html 再生可能エネルギーを利用した水素製造

International Institute for Carbon-Neutral Energy Research 1 水電解による水素製造の展望 九州大学カーボンニュートラルエネルギー国際研究所 電気化学エネルギー変換研究部門 松本広重

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