7．サブタスク７　水素利用技術に関する調査・検討 7.1 研究開発目標 7.1.1 第I期の研究開発目標 　第I期の研究開発目標は次の通りである。 (1)　現状の水素利用形態の調査 　国内外の関連調査、学識経験者、研究機関、メーカー等への取材による最新技術情報の収集と体系的整理を行う。 (2)　将来の水素利用形態及び需要量の調査 　(1)と同じ方法で水素利用可能性の情報収集と評価を行う。 (3)　水素導入条件の検討 　利用分野別の水素利用システムを中心に製造、輸送、貯蔵を考慮したトータル水素利用システムや導入条件について検討する。 7.1.2 平成７年度の研究成果 　平成７年度は、平成６年度に調査検討した水素利用技術を拡大し、また新たに利用面からみた供給システムを加え調査・検討を行った。調査項目は次のとおりである。 (1)　利用技術の検討 (I)　動力発生　　(II)　輸送機関　　(III)　酸水素利用燃料電池 (IV)　個別技術に対応した冷熱利用 (2)　利用面からみた供給システム 　動力発生、輸送機関、酸水素利用燃料電池の利用技術分野については導入のための条件、今後の見通しなど水素利用の可能性を調査した。動力発生は本年度の重点テーマで基本的な設計検討を行った。輸送機関については自動車の調査に加え鉄軌道方式およびインフラ等を検討した。個別技術に対応した液体水素の冷熱利用の検討および利用面からみた供給システムの検討も行った。なお、各検討は、個々にワーキンググループ（ＷＧ）を設置して実施した。 　平成７年度成果の概要を以下に示す。 7.2 平成７年度の研究開発成果 7.2.1 動力発生に関する調査検討 (1)　水素ディーゼル・コージェネレーションシステムの提案 　単原子作動ガス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システムの概念設計並びに開発計画の立案を行った。ディーゼルエンジンはガスエンジン、ガスタービンより発電効率が高く、水素ディーゼルはさらに高率となる。 　単原子作動ガス循環型水素ディーゼル・コージェネレーションシステムは、比熱比の高い単原子ガスを作動ガス（アルゴンガス）として用い、高い発電効率を得るシステムである（図７−１）。エンジン出力552kWの場合、発電効率（ＬＨＶ）は44.5％ であり、発電効率（ＨＨＶ）は33.5％である。 　水蒸気循環型水素ディーゼル・コージェネレーションシステムは、水蒸気を作動ガスとして用い、排気タービン（復水蒸気タービン）によって排気エネルギーの回収を効率よく行い、高い発電効率を得るシステムである（図７−２）。エンジン出力982kWの場合発電効率（ＬＨＶ）は49.9％であり、発電効率（ＨＨＶ）は42％である。 (2)　酸素純度の影響の検討 　酸素製造の際に、不純物としてN2、Arが含まれることを想定し、それら不純物の濃度がエンジンの効率に及ぼす影響を検討した。 　単原子作動ガス循環型：高い比熱比により熱効率が向上しているため、本システムは酸素中のN２の濃度の影響を強く受けるが、作動ガス中のN２濃度を10％程度に抑えれば熱効率の低下は１％程度に留めることができる。 　水蒸気循環型：不凝縮ガスの混入により比熱比が上昇するため、エンジンの熱効率は向上する一方で余剰ガスの排出に用いる真空ポンプの動力が必要となり、これらがほぼバランスして熱効率には大きな変化は見られない。 7.2.2 輸送機関に関する調査検討 (1)　水素自動車の性能分析 　20人以上のミニバス（車両総重量５トン、最高速度120km/h、一充填走行距離300km以上、水素搭載重量7.5kg、排ガスＥＺＥＶ以上）を想定して、エンジン車と燃料電池車の性能分析を行った。エンジン車では水素搭載重量で300km以上走行するには、現状エンジン熱効率では7.5kgの水素搭載重量では難しく、燃料電池では熱効率は現状でも克服できるものの、エネルギー出力密度で総重量５トン程度を克服できないなど両自動車の各技術課題を数値的に把握した。これらの課題が解決されるために必要な各部の技術開発目標の目安を把握した。 (2) 　水素供給ステーションの検討 　液体水素タンクまたは水素吸蔵合金タンクを搭載した水素自動車に供給できる市街地用供給ステーションについて試設計を行った。今回は液体水素タンクおよびそのボイルオフガスをガス貯蔵するタンク設置を想定し、各種構成設備や付帯設備などを検討し、高圧取締法等も考慮して、設備配置を検討した。これらの一連の試設計から各プロセスでのデータ不足を含めた課題を抽出した。その他、空港内供給ステーションの概念設計を実施した。 (3) 　鉄軌道における再生型燃料電池システム 　鉄軌道におけるピークバックアップ車上用電源として再生型燃料電池システムを電気機関車へ適用する場合について試算した。その結果、現行技術レベルでは貨物牽引車への適用が考えられることがわかった。また、将来的には水電解と燃料電池の同一装置両用による旅客機関車や変電所への適用性も考えられる。 (4) 　その他の自動車用機関 　その他の自動車用機関として最近のエネルギー回生型、内燃機関搭載型等のハイブリッド電気自動車やソーラカーの開発動向を調査整理した。 7.2.3 酸水素利用燃料電池に関する調査検討 　平成６年度の調査検討結果から、固体高分子型燃料電池におけるオンサイト用、自家発電用、自動車用の３つの燃料電池システムについて、燃料電池本体を主体に基本仕様の検討、概略の基本設計を行った。 　システム容量として、オンサイト用は代表機種として200kWを採用した。また自家発用は代表機種として5,000kWを採用した。自動車用については、輸送機関ＷＧの要請により20人〜30人乗りバス用の120kW/h走行時最高出力92kW(60km/h定速走行時21.2kW）を検討した。 　燃料電池全体の整合性を取るために、固体高分子型燃料電池の電池特性を統一しておき、この電池特性を基に上記３つの燃料電池システムを検討した。固体高分子型燃料電池は、現在数kW級セルスタックの開発段階であり、今後の研究開発により電池特性の向上が見込まれる。WE-NETは将来の水素エネルギー時代を想定したプロジェクトであり、近い将来可能と考えられる電池特性を前提に動力発生ＷＧの検討を進めることにした。前提とした電池特性は、酸化剤として酸素を用いる場合と空気を用いる場合に分け、圧力、温度、膜厚をパラメーターとした電流・電圧特性式で示した。各システム検討において使用した電池特性はこの電流・電圧特性式から求めた。 　各システムについての検討結果は、次の通りである。 (1) オンサイト用200kW燃料電池発電システムは、常圧（ブロアで昇圧する程度）で運転し、酸化剤を空気としてＡＣ送電端効率（ＬＨＶ）で50％になり、（ＨＨＶ）で42％になった。排熱回収については、吸収式および吸着式冷凍機による冷熱変換を検討したが、排熱温度が80℃と低く設備が大きくシステム構成が複雑になり稼働の自由度に対する制約も大きくなることから暖房、給湯用に利用する方が良いと判断された。 (2) 自家用5,000kW燃料電池発電システムは、加圧状態で運転し、酸化剤を酸素 （液体水素の冷熱利用による酸素製造装置の酸素で賄う）として、ＡＣ送電端効率（ＬＨＶ）で約63％になり、（ＨＨＶ）で53％になった。 (3) 自動車用燃料電池システムは、加圧状態で運転し、酸化剤を空気として、電池システム効率（ＬＨＶ）で120km/h走行時（最大出力時）に約35％、60km/h走行時に約53％になり、（ＨＨＶ）で120km/h走行時に約30％、60km/h走行時に45％になった。また、燃料電池本体重量は111W/kgで、ディーゼルエンジンの約３倍の重量になることから、さらなる電池出力密度の向上および軽量・コンパクト化が必要である。 7.2.4 個別技術に対応した冷熱利用技術に関する調査検討 　動力発生、酸水素利用燃料電池の検討と連携して、LH２の冷熱利用技術として、酸素分離技術を中心に調査検討を行った。 　動力発生に関する調査検討で検討した単原子作動ガス（Ar）循環型水素ディーゼルコージェネレーションシステム（610kW級）及び水蒸気循環型水素ディーゼルコージェネレーション（1,044kW級）、加えて酸水素利用燃料電池に関する調査検討で提案されている5,000kW級固体高分子燃料電池への供給必要酸素量、圧力、酸素純度などの要望諸元を以下のように決定した。（表７−１） 　この諸元に対して、(1)深冷分離法、(2)ＰＳＡ併用一段凝縮法、(3)ＶＳＡ、Ｖ−ＰＳＡ、３種類の酸素供給装置について検討した。どの技術もコストを無視すれば、上記の諸元を満足できるが、深冷分離法ではLH２のもつ-200℃以下の冷熱を利用できず、動力低減のメリットはほとんどない。このため、Neを中間媒体とする可能性も検討された。同様に、ＰＳＡ併用一段凝縮法においても、凝縮器温度制御の困難さが指摘され、この解決案にArの三重点を用いる、スラッシュアルゴン利用酸素凝縮器が考案されている。ＶＳＡおよびＶ−ＰＳＡ法では空気の予冷にLH２の冷熱を利用し、動力原単位の試算が行われたが、基礎的な物理データに試算方法が見出せないなどの課題も残っている。中でも、深冷冷却法は小容量の酸素供給には不向きで、プラントサイズにコストが依存する。すなわち分散利用には困難が予想される。 　以上のことを鑑みて、小容量分散型の酸素供給にはロおよびハの方式に期待が寄せられるが、両者とも今後検討すべき技術開発課題を残している。さらに、動力コストのみの比較でなく、プラントコストを考慮した上での議論が必要である。 7.2.5 利用面から見た供給システムの調査検討 　将来の水素利用社会においては、水素燃焼タービンによる電力供給以外にも多様な水素利用形態が考えられる。技術的、経済的に可能な分野から徐々に導入され、技術の進歩、経済性の向上により、他の分野へ波及していくものと考えられる。 　供給システムに関する調査検討の目的は、多様な水素利用形態に対し、利用技術や利用サイドの面から実現性のある水素供給システムを総合的に検討し水素利用社会像のイメージを描き、実現に必要な技術的検討課題を抽出しサブタスク７の動力発生、輸送機関等の検討に対して、問題提起を行うことである。 　今年度は、水素利用のモデル都市を想定するため、国内の中規模都市である豊橋市と佐賀市を対象に、エネルギー需要状況を調査した。その結果、昭和57年度ではあるがエネルギー需要統計が整備されており、人口が35万人で地方の中核として独立した都市機能を有している豊橋市を水素利用のモデル都市として選定した。 　豊橋市における水素エネルギーシステムへの転換可能性を検討するにあたって、水素を動力発生、輸送機関、燃料電池、冷熱利用に用いる上での具体的な各個別技術の導入形態や水素供給システムについて、可能ならばどのようなインフラストラクチャーが必要であるかの検討を行った。 　この検討をふまえて、水素エネルギーが新しいエネルギー源として導入されていくとき、そこで期待される水素利用社会の形態がどのようなシステムになるのかあるいはその水素利用社会が経済的あるいは技術的にどのように実現されていくのかを利用面から供給システムについて以下の手順で検討を行った。 国内の中規模都市の中から二つのモデル都市として、豊橋市（人口35万人規模）と佐賀市（17万人規模）を選定した。 二つの都市におけるエネルギーの需給状況を調査した。 モデル都市のエネルギー需要を全て水素エネルギーシステムへ移行させた場合、需要種毎に想定される水素供給システムについて検討した。特に、基礎データがより整備されていた豊橋市のデータを基に、人口35万人規模の都市での水素エネルギーへの転換の可能性について検討した。 水素供給システムに必要なインフラストラクチュアーと想定される社会構造について検討した。 水素利用社会の展望について検討した。 　その結果、 　人口35万人規模のモデル都市において必要なエネルギー需要とその需要に対応可能な水素エネルギーシステムの全体像を具体的に描くことができた。更に、水素エネルギーシステムが導入された時の最大のメリットは、発電効率が高まることとその際に発生する熱を有効利用することによって、１次エネルギーの需要量を大幅に減少できることが明らかになった。１次エネルギーの需要量の大幅な減少を実現するためには、コージェネレーションや一般熱需要の小規模・分散需要へ対応できる供給システムの構築も必須となる。これと並行して、小規模利用の典型となる運輸（自動車）向けの供給システムの構築も重要な問題となることを指摘した。また、モデル都市の比較から、水素エネルギーシステムをより詳細に検討するためには、その都市構造を考慮したシステムを考えることも必要であることを指摘した。必要な水素供給システムの具体的な仕様を提案した。 　水素利用社会における水素供給システムを利用面からより詳細に検討していくためには、各利用技術の検討で得られた結果を反映させながら水素供給システムについて、関連するインフラストラクチュアーと想定される社会構造を含めて今後更に検討を進めていくことが必要である。また、平成７年度は、モデル都市のエネルギー需要を100％水素エネルギーに変換することを想定したが、各エネルギー形態間の最適割合（部分導入）についても今後検討を進める必要がある。 7.3 今後の進め方及び課題 　平成７年度の成果をふまえ、平成８年度は利用技術分野毎に将来有望となる技術の調査検討を継続する。 　(1)　主要な水素利用技術の検討 　次の４分野毎に将来有望な技術の導入条件、今後の見通し等について検討するとともに具体的利用技術に関するケーススタディーを実施する。動力発生および輸送機関（水素自動車）については基本設計に基づき要素研究のための詳細検討を開始する。 (I) 動力発生に関する調査および検討 　単原子作動ガス循環型、水蒸気循環型水素ディーゼル・コージェネレーションシステムのサイクル最適化、基本設計、実験計画の検討を行う。 (II) 輸送機関に関する調査検討 　水素自動車（ミニバス）の概念設計および水素供給ステーションの最適化を検討する。 (III) 酸水素利用燃料電池に関する調査検討 　200kWオンサイト用、5,000kW分散電源用プラント、および自動車用の基本システムを明らかにする。 (IV) 冷熱利用に関する調査検討 　分散型酸素供給装置の検討、採算の検討とシステムの絞り込みを検討する。また広範囲な冷熱利用の検討を行う。 　(2)　水素供給システムの検討 　水素利用技術を考慮した水素供給システムのインフラ整備の基礎検討や中規模都市を想定した供給システムを検討する。イメージ作成と技術開発課題の抽出を行う。