1. 研究開発の目的
水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術（WE-NET）は、地球上に豊富に存在する水力、太陽光、風力等のクリーンな再生可能エネルギーの大規模・有効な利用により、地球環境問題の解決に寄与するとともに、エネルギー需給を緩和するため、これらエネルギーから水素を製造し、必要に応じ転換し、輸送・貯蔵し、発電、輸送用燃料、都市ガス等の広範な分野で利用する国際エネルギーネットワークの導入を可能とする技術の確立を目指し、トータルシステムの概念設計を行うとともに、中核的要素技術を開発することを目的としている。
平成５年度から６年間の予定で実施しているWE-NET第 I 期においては、必要な調査研究、基礎的研究及び要素技術研究等を行うことにより、水素製造技術、水素輸送・貯蔵技術、水素利用技術に関する基礎的技術の確立を図り、全体システムの最適化設計に必要な情報を得るとともに、パイロットプラントの設計・製造に必要な技術を確立する。また、将来的に採用可能となる技術についての調査を併行して行うことにより、各研究開発項目に適宣反映させることとしている。
なお、第 I 期計画の実施期間中に生じた結果を十分に折り込みつつ、第 II 期の計画の具体化を実施する。図−１にWE-NETの概念図を示す。
2. 開発目標
第 Ｉ 期における研究開発を以下の9つのサブタスクに分けて実施している。
2.1 サブタスク１ 総合評価と開発計画のための調査・研究
WE-NETを構成する各要素技術の研究開発状況の現状整理、WE-NETプロジェクト全体の総合調整、第I期開発成果の横断的評価と第II期研究開発計画の検討を行う。
2.2 サブタスク２ 国際協力推進のための調査・検討
WE-NET計画への国際的な理解と協力を得るための施策の検討と推進を図るとともに、国際的技術情報交換を推進するための施策の検討と展開を行う。
2.3 サブタスク３ 全体システム概念設計
全体システム概念設計では、各サブタスクの要素技術研究開発の成果を踏まえ、下記の検討を行う。
- 液体水素輸送・貯蔵システム概念設計等の精緻化
- 代替水素製造方法と水素燃焼タービン発電システムでの経済性の検討
- 水素の分散利用システムでの経済性の検討
- 代替水素製造システムのCO2排出原単位の検討
一国規模の予測評価については、本年度が本研究の最終年度のため、昨年度までに機能向上を図って来たMARKALモデルを用い、COP3以降のエネルギー情勢の変化を考慮した前提条件に対し水素導入量の予測評価を行うとともに、エネルギー価格、環境規制などの外部要因、水素利用技術の特性が水素導入量におよぼす影響、およびメタノールなど水素導入の過渡期に期待できる技術の役割について考察する。
都市規模での予測評価については、これまでに実施した分析を完了するとともに、ロンドン及び東京の水素導入に関する最終比較を実施する。
安全対策・評価技術については、以下の研究項目を実施する。なお、分散利用に係わる調査を本年度より開始する。
- システム安全設計明確化
- 各種事故・安全解析の整備
- 分散利用時の保安技術調査
2.4 サブタスク４ 水素製造技術の開発
昨年度に引き続き水素製造法2方式（無電解メッキ法、ホットプレス法）による要素技術の開発及び大型セル積層化（電極面積2500cm2、5セル）の開発を実施する。また、昨年度に実施した水素製造法の実用規模における最適条件、概念設計を再整理し、水素製造コストに与える影響を検討する。耐高温固体高分子電解質の研究では、新たな数種類の高分子電解質を合成し、その特性評価を実施する。
更に、本製法に必要不可欠であるイオン交換膜の現状及び水電解に関する文献の調査を行う。
2.5 サブタスク５ 水素輸送・貯蔵技術の開発
大型水素液化設備の開発では、第 I 期で決定した最適な液化プロセスに基づき、その概念設計を実施する。
液体水素輸送タンカーの開発では、第 I 期で得られた研究成果を基に以下を実施する。
- ポリウレタンフォーム（PUF）の断熱要素試験を行い、PUFの液体水素温度下の熱伝導率を測定する。
- 今後の試験体設計にフィードバックするため、断熱要素試験で得られた知見をまとめる。
- 真空パネルおよびスーパーインシュレーション（SI）の断熱要素試験試験体の詳細設計を行う。
液体水素貯蔵設備の開発では、昨年度製作した大型断熱性能試験装置の性能確認を実施するとともに、サブタスク-6で製作された低温強度試験装置を用いて断熱材の低温強度試験を実施する。
各種共通機器類の開発では、昨年度に製作した大型液化水素ポンプの軸受け（磁気浮遊ベアリング）供試体にインデューサを組み込み、単体試験を行う。また、センサー用のフィールドスルーを開発し、液体水素中での単体試験を実施する。
分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発では、有効水素吸蔵量3wt%以上、水素放出温度100℃以下、寿命 5,000サイクル使用時の水素吸蔵能力が初期の90％以上の合金開発を開発目標とする。
2.6 サブタスク６ 低温材料技術の開発
液体水素の極低温（20Ｋ）領域で使用可能な材料は、既存材料である程度適用可能であるが、液体水素温度領域での靱性、疲労およびセレーションに関するデータが殆ど無いのが現状である。また、液体水素雰囲気で使われている構造材料は、常温状態において気体水素に接触することもあるため水素脆性に対する特性のよい材料を使用しなければならない。
一方、液体水素領域で使用可能な材料は溶接しにくく、溶接を行った場合にも溶接部の亀裂等といった問題が発生することになる。このため、既存材料について基礎データの取得を行うとともに、必要に応じ新規材料開発を行うことにより、液体水素条件で使用できる構造材料とその適正溶接法を検討する。また、上記2.5項の水素輸送・貯蔵技術の開発に関する材料側からの要求条件を決定する。
2.7 サブタスク７ 水素利用技術に関する調査・検討
将来における水素エネルギーの利用技術及び需要量について、水素ガス、液体水素、メタノール等の化学媒体等の各利用形態別に調査・検討、利用技術の提案を行い、各技術の得失を明確にするとともに、水素利用技術の開発課題を抽出する。また、開発目標達成のために、各水素利用技術について、必要に応じ要素技術開発を行う。
2.8 サブタスク８ 水素燃焼タービンの開発
開発した燃焼器評価試験設備および計測装置を用い、設計・製作した3方式の燃焼器について高圧燃焼試験（燃焼器評価試験）を実施し、燃焼器の基本性能を把握するとともに、計測装置の適用可能性と課題を検討する。また、燃焼器評価試験結果などを基に各方式の燃焼器について評価し、水素燃焼タービン用燃焼器として最適な燃焼器を選定する。
タービン翼、ロータ等主要構成機器の開発については、調査、要素技術開発を行い、実用化に必要な基礎技術を確立する。主要補機類の開発についても、調査、要素技術開発を行い、実用化に必要な基礎技術を開発する。
超高温材料の開発については、水素燃焼タービンへの適用可能性が期待される耐熱合金、セラミック系複合材料および炭素系複合材料を対象に、平成5年度に抽出した技術的課題を踏まえ、材料設計・試作ならびに試験・評価を行い、これら超高温材料の基本特性と今後改善すべき問題点を明らかにする。
2.9 サブタスク９ 革新的・先導的技術に関する調査・研究
WE-NETは長期プロジェクトであり、これを推進していく上で、将来的には有望ではあるものの当面の開発対象から外れている革新的・先導的技術が成熟してくることも大いに考えられる。また、在来型技術についても、その技術改良等の動向によっては、WE-NET構成技術の一つとして取り込みが必要となってくる。このような革新的・先導的技術、在来型技術についての調査・検討・評価を行い、必要に応じて更に研究することにより、WE-NETプロジェクトの方向性に有益な示唆・提案を行い、研究開発に資することを目的とする。
なお、上記研究開発項目に係る研究開発のスケジュールは、表-1の通りである。
3. 平成10年度の成果概要
平成10年度の主な成果概要を以下に記す。なお､事業の進展に伴い､所定の成果が得られたサブタスク3-2「グローバルネットワーク研究」とサブタスク8-1「水素燃焼タービン最適システムの評価」については、平成8年度で終了している。
3.1 サブタスク１ 総合評価と開発計画のための調査・研究
WE-NETプロジェクト全体の総合調整を行うとともに、WE-NET構成技術開発状況の現状整理を実施した。また、第 I 期研究開発成果の横断的評価を実施するとともに、第 II 期計画の検討を行った。
3.2 サブタスク２ 国際協力推進のための調査・検討
平成9年度の英文成果報告書概要集を恒常的情報交換の相手先としてリストアップした約170の海外関係機関へ配布した。また、WE-NETプロジェクトに対する理解を深めるために、本年度は下記の国際会議での発表を行った。
- 第12回世界水素エネルギー会議
- 米国機械技術者協会国際発電会議'98
- 第2回先端エネルギー変換システムおよび関連技術シンポジウム
3.3 サブタスク３ 全体システム概念設計
全体システム概念設計として、設備費等システム投入データの見直しや発電コスト等の試算を行うことにより、液体水素輸送・貯蔵システム概念設計の精緻化を行った。また、既存技術の延長線上で大量の水素が確保できる水素製造方法として、化石燃料改質からの水素製造の代表的な方法である石炭ガス化及び天然ガス改質により水素を製造し、水素燃焼タービンによる発電システムでの発電コストの試算、及び建設から運用までの素材インベントリー分析による二酸化炭素排出原単位の試算を行った。また、水素エネルギーを早期に社会に導入普及していく観点から水素の分散利用システムとして、水素ディーゼルシステム、燃料電池システム、自動車用燃料供給システムの経済性の概略検討を行った。
一国規模の予測評価として、本年度は、気候変動枠組条約第3回締約会議（COP3）で決まった京都議定書や、それ以降のエネルギー情勢の変化などを踏まえ、前提条件の見直しを行い、これに基づいてシナリオ解析を実施した。都市規模での予測評価では、燃料電池開発の急速な進展を考慮した水素導入に関する分析及び移行シナリオの検討を実施した。また、安全対策・評価技術としては、システム安全設計明確化、各種事故・安全解析の整備の他、分散利用時の保安技術の調査も行った。
3.4 サブタスク４ 水素製造技術の開発
イオン交換膜の現状として、本年度は、国内における膜メーカの情報を基に膜技術の現状を調査し、膜メーカー4社から提供された資料に基づいて各社の膜特性を纏めた。
昨年度選定された無電解メッキ法による水素製造技術の開発については、大面積セル製造技術の改良、大面積セルのスタック化技術の開発、スタックの高温高圧下の評価およびセル耐久性の評価を行った。同じく昨年度選定されたホットプレス法による水素製造技術の開発については、小型セルによる研究開発、大規模化のための大型セルの製作技術、大型積層技術、高温高圧基礎技術などの大型セルによる開発を実施した。
また、水電解による水素製造プラントの概念設計およびフィージビリティスタディの結果を再整理し、水素製造単価に関わる諸因子の感度分析を行った。また、第 II 期開発で予定されている「水素ステーションのシステム性能の検証」に関連して、パッケージ型の水素製造装置の検討を実施し、さらに、現在開発中の高温高強度高分子膜を念頭においた電解槽の高温運転についての検討も行った。
3.5 サブタスク５ 水素輸送・貯蔵技術の開発
- 大型水素液化設備の開発
昨年度実施した最終トレードオフ評価に従って、液化プロセスとして水素クロードサイクルを選択した。また、プラントの視覚的イメージが得られるように、重要な補機設備を含むプラント全体の概念設計を実施した。更に、大型水素遠心圧縮機の予備的検討を開始した。
- 液体水素輸送タンカーの開発
昨年度の研究から、側部からの侵入熱による測定誤差を許容値内に抑えるためには、アスペクト比が6以上必要との結果が得られた。これより最終的に直径1180mm、厚さ200mmのPUFパネルを製作し、各部温度を測定した。また、LNG船の設計に用いられているIGCコードの成り立ちを調査し、それに基づいた液体水素タンクに求められるタンク材の特性、今後必要な材料データについてタンカー部会としての見解をまとめた。
- 液体水素貯蔵設備の開発
昨年度製作した断熱性能試験装置の性能確認を目的に､「ヒータ熱特性試験」と「性能確認用試験体による断熱性能試験」を実施した。断熱構造については、断熱材の1つである硬質ウレタンフォーム材（PUF）の液体水素下における圧縮試験方法を検討し、試験を実施した。試験体の破壊形態は、載荷面での圧壊であることが確認された。
- 各種共通機器類の開発
新たに設計したインデューサを水素ポンプ入り口側に設置することにより、極低温環境下で24,000rpmまで安定に回転させることが出来た。また、今年度試作したフィールドスルーについて、液体水素温度環境下で機能要求を満たすことを確認した。
- 分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発
アモルファス・ナノクリスタル構造化マグネシウム系合金について、組織観察、熱分析等により、低温での水素放出メカニズムを実験的に検討すると共に、放出量向上を目的にMg/Ni比の水素放出特性への影響について考察した。また、三元系合金や新三元系金属間化合物の開発および新物質の探索を実施した。
3.6 サブタスク６ 低温材料技術の開発
昨年度に引き続き、候補材の液体水素雰囲気下での材料特性試験を中心に研究開発を実施し、極低温材料データベースへのデータ蓄積を行った。また、実際の材料利用状況を考慮して塑性加工による材料特性への影響、および材料への水素吸蔵挙動についての検討を行うとともに、液体水素ローリータンク解体材について材質調査を実施した。
3.7 サブタスク７ 水素利用技術に関する調査・検討
動力発生に関する調査・検討では、アルゴン循環型および水蒸気循環型水素ディーゼルコージェネレーションの2方式の実現性を実証するため、水素燃焼試験を行い、燃焼効率95％以上、図示熱効率45〜55％（アルゴン循環型）、35％（水蒸気循環型）が得られた。
輸送機関に関する調査・検討では、比較的短期間で水素自動車が市場へ導入されると予測されている水素自動車の導入シナリオおよび自動車の製造過程を含めた環境LCA（ライフサイクルアセスメント）を実施した。また、短期に導入を図る場合の課題、例えば法整備、インフラ整備および二酸化炭素の排出等の調査・検討を行った。
純水素利用燃料電池に関する調査・検討では、2010年〜2030年頃の純水素固体高分子型燃料電池の市場調査を行った。また、燃料電池自動車のLCAのために、固体高分子燃料電池の仕様、製造法および材料を調査した。
冷熱利用に関する調査・検討については、液体水素の冷熱を利用した分散型酸素供給装置について検討した。
水素供給ステーションに関する調査・検討については、昨年度の成果に基づき、多量の輸入水素が見込める迄の間の対応として、天然ガス等の再生可能エネルギー以外から水素を製造する分散型水素供給ステーションによる水素自動車への水素供給を前提とした各種の利用方式を想定し、具体的な課題について調査・検討を行った。
3.8 サブタスク８ 水素燃焼タービンの開発
- 燃焼制御技術の開発
燃焼器評価試験設備において3方式の燃焼器を高圧燃焼試験に供試し、水素燃焼タービンに最適な燃焼器として、酸素希釈燃焼方式によるアニュラー型燃焼器を選定した。また、開発した残存ガス濃度連続測定装置とガス温度プローブの適用可能性と課題を明らかにした。
- タービン翼・ロータ等主要構成機器の開発
冷却翼評価試験を実施し、プラント効率60％以上の達成を立証した。また、ロータ冷却シール機構と計算機予測手法の開発を実施した。
- 主要補機類の開発
液体水素冷熱利用技術開発において、空気分離装置、供給設備等全体システム設計の完了及び昨年度実施していない主熱交換器、非常用設備等の検討を行い、システム全体の経済性を検討するとともに、今後の課題を抽出した。また、高温熱交換器開発では、最適サイクルに選定されたトッピング再生サイクルの高温熱交換器の概念設計を行い、最終設計案の評価・選定を実施した。
- 超高温材料の開発
水素燃焼タービンへの適用が有望視される耐熱合金、セラミック系複合材料及び炭素系複合材料を対象に、材料設計・試作ならびに試験・評価を行い、これら超高温材料の基本特性と今後改善すべき問題点を明らかにした。
3.9 サブタスク９ 革新的・先導的技術に関する調査・研究
本年度は6件の新技術提案を収集し、昨年度下期の1件を併せ、合計で7件の採点評価を行い、新たに5件について概念検討を実施した。また、昨年度実施した3件の概念検討結果の評価を実施した。
4. 今後の展開
引続き調査研究、基礎的研究および要素技術研究等を行い、全体システムの最適設計に必要な情報を得るとともに、パイロットプラントの設計・製作に必要な技術の確立を図る。
