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 期研究開発においては、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、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、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期研究開発の実施期間中に生じた結果を十分に折り込みつつ、平成１１年度以降の第 II 期研究開発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期研究開発は９つのサブタスクに分けて実施されており、各サブタスク毎の開発目標は以下の通りである。
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の水素製造、水素輸送・貯蔵技術、水素燃焼タービンを含む水素利用技術等の各システムを構成する個別技術開発についてプロジェクト全体の恒常的な総合調整、開発成果の総合評価及び開発計画最適化のための検討を行う。併せて内外の技術開発動向を調査し、今後のプロジェクトに反映させる。
2.2 サブタスク２ 国際協力推進のための調査・検討
世界的規模のシステムを目指して国際機関、関係各国との定期的情報交換等を行うと共に、国際的共同研究として発展させていくための進め方・方策等の検討を行う。
2.3 サブタスク３ 全体システム概念設計
再生可能エネルギー利用発電設備、水素製造設備、輸送媒体製造設備、貯蔵設備、輸送設備、水素利用設備から構成される全体システムの概念設計を行い、技術的・経済的評価を実施する。また、一国規模、都市規模等での水素エネルギー導入による効果を推定する。さらにＷＥ－ＮＥＴシステム全体からみた安全対策・安全評価技術の開発を行う。
2.4 サブタスク４ 水素製造技術の開発
水電解による水素製造技術としては、商業化されているアルカリ水電解法、将来有望な固体高分子電解質水電解法、原理実証段階にある高温水蒸気水電解法等があるが、第Ⅰ期では、高効率化、高電流密度化が期待できる固体高分子電解質水電解法について、大規模化、長寿命化を達成させるために必要な調査を行い、固体高分子電解質膜（イオン交換膜）、陽・陰極触媒、電解槽部品の材質等の要素技術開発を行い、ベンチスケールプラント開発のために必要な技術を確立する。
2.5 サブタスク５ 水素輸送・貯蔵技術の開発
水素輸送媒体としては、液体水素、水素ガス、アンモニア、メタノール、シクロヘキサン等が考えられているが、このうち液体水素の大量輸送・貯蔵は国内外において技術開発に着手されておらず、ＷＥ－ＮＥＴの柱となる主要技術開発項目であること、かつ大量に輸送できること、変換技術が単純なこと、消費地で利用する際に便利であること等といった点が挙げられる。これらのことから、近未来技術として液体水素を対象に研究開発を行うものとする。
なお、研究開発・実用化の状況を勘案して他の水素輸送媒体については、上記2.3項の全体システム概念設計で検討するものとする。
このため、液体水素製造技術、輸送・貯蔵技術等に関する以下の項目について必要な調査、基礎的研究及び要素技術開発等を行い、水素の大量輸送及び分散貯蔵・輸送のための最適システム決定に必要な知見を得る。
- 大型水素液化設備の開発
- 液体水素輸送タンカーの開発
- 液体水素貯蔵設備の開発
- 各種共通機器類の開発
- 分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発
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、電力用、産業用、輸送用、民生用の分野毎に、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、液体水素の冷熱利用技術に関する調査を行い、冷熱利用技術に関する評価を行う。
検討した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
水素利用技術のひとつとして、画期的高効率が期待できる水素燃焼タービンについて、以下の項目について必要な調査、要素技術開発等を行う。
- 燃焼制御技術の開発
- タービン翼、ロータ等主要構成機器の開発
- 主要補機類の開発
- 超高温材料の開発
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技術から外れる革新的・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構成技術のひと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、必要に応じて最小限度の要素研究をも行うことにより、有望技術をＷＥ－ＮＥＴプロジェクトに反映させる。
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９年度の成果概要
平成９年度は各研究開発項目とも既存技術の調査と要素技術研究を行った。以下に主な成果概要を記す。
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年度で終了した。
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評価を行うとともに、各開発項目間の全体調整、および第 II 期研究開発の進め方について検討を実施した。
3.2 サブタスク２ 国際協力推進のための調査・検討
- 海外機関との研究協力を実施し、技術交流及び情報交換を行った。
- ＷＥ－ＮＥＴホームページ（英文、和文）の開設の準備を行った。
3.3 サブタスク３ 全体システム概念設計
- 水素の製造から利用までのシステムについて、代替水素製造方法、中距離パイプライン及び分散利用の基礎データを検討し、液体水素、メタノール、アンモニアによる輸送貯蔵システムと比較検討した。
- 既存シュミレーションモデルの改造・整備を行い、一国規模及び都市規模での水素エネルギー導入による効果を評価した。
- 液体水素拡散コード及び圧縮水素爆発コードについて更なる高度化を図った。水素の安全に関するミニワークショップを米国で開催し、海外の専門家との情報交換を行なった。
3.4 サブタスク４ 水素製造技術の開発
平成８年度に選定された無電解メッキ法及びホットプレス法の２方式について、ラボセル（電極面積50cm2）での3,500時間の水電解を行い、エネルギー交換効率が90％で安定していることを確認した。さらに電極面積2,500cm2の単セルを試作して電解実験を行い、80℃、１A/cm2の条件下でエネルギー変換効率90％が達成できた。
数種類の耐高温固体高分子電解質を合成した。200℃でのイオン電導度は、0.52S/cmの結果を得た。図2に固体高分子電解質水電解法による耐久性試験の結果を示す。
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
平成９年度に絞り込んだ２つの水素液化サイクルを検討し、水素クロードサイクルを大型水素液化設備の液化サイクルとして選定した。
- 液体水素輸送タンカーの開発
液体水素タンクに関して、断熱要素試験用の断熱材試験体を設計し、断熱構造システム全体の課題及びその解決方法等を検討した。
- 液体水素貯蔵設備の開発
断熱性能試験および断熱構造強度試験を実施するために、試験装置の製作並びに試験体の設計を行った。
- 各種共通機器類の開発
大型液体水素ポンプの要素試験として、磁気浮遊ベアリング単体試験を液体水素環境下で実施して、設計の妥当性の確認と問題点の抽出を行った。
- 分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発
潜在的に水素吸蔵能力の高いマグネシウム系合金に関して、アモルファスおよびナノクリスタル化による水素吸蔵に関する特性改善及び新しい結晶構造を有する三元系の新規水素吸蔵合金の開発を進めた。
3.6 サブタスク６ 低温材料技術の開発
代表的な既存の構造材料のうちステンレス鋼（SUS304L、SUS316L）及びアルミ合金（Ａ5083）に関して、新設の液体水素雰囲気下材料試験装置を用いて実条件下における母材並びに溶接部の引張強度等の材料特性試験及び評価を実施した。また、材料への水素侵入挙動調査、極低温材料データベースの構築を進めた。
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（コージェネレーション）分野では、水素ディーゼルエンジンによるコージェネレーションを対象とし、システム及び、水素噴射系・水素着火系等の各要素技術の検討を実施した。また、各要素技術のシステムへの適用性を確認するため、燃焼試験装置を製作し、予備的なデータ収集を開始した。
- 輸送機関（自動車）分野、水素供給システム（供給ステーション）分野では、国内外の研究開発動向を調査するとともに、水素自動車及び水素供給ステーションの仕様検討を実施した。図３に海外で試験的に使用されている水素自動車及び水素供給ステーションの例を示す。
- 燃料電池（固体高分子型）分野、冷熱利用（酸素製造）分野では、それぞれ、純水素燃料の固体高分子型燃料電池、深冷分離法による酸素製造等の各要素技術の検討を実施した。
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
平成１０年度に予定される評価試験に供する燃焼器の詳細設計・製作を完了するとともに、大気圧条件下における予備燃焼試験を実施し、基本性能を確認した。また、評価試験の試験条件・方法等詳細内容を検討するとともに、試験設備の製作及び試運転・調整を実施した。図4に燃焼器評価試験設備の全体図を示す。
- タービン翼・ロータ等主要構成機器の開発
平成１０年度に予定される冷却翼評価試験に供する試験翼の詳細設計・製作を完了し、試験の基本的な要領を定めるとともに、評価試験装置の試設計及び一部製作を実施した。また、翼内外面熱伝達特性試験設備（要素試験）等の設計・製作及び一部試験を実施した。
- 主要補機類の開発
平成８年度に最適システムが選定されたことを受けて、高温熱交換器の伝熱管最適化、チューブパネル、ケーシングの強度検討及び高温熱交換器の概念設計を実施するとともに、平成１０年度に実施する技術評価項目を検討した。また、酸素製造装置を含む液体水素冷熱利用システムの概念設計及び主要構成機器の仕様を再検討した。_
- 超高温材料の開発
水素燃焼タービン部品への適用が期待される耐熱合金、セラミック系複合材料及び炭素系複合材料を対象に、材料の設計・試作及び基本特性（物理特性・化学特性・力学特性）について試験・評価を行い、基本特性の把握と検討課題を明らかにした。
2.9 サブタスク９ 革新的・先導的技術に関する調査・研究
提案された革新的・先導的技術の評価を行い、概念検討を行った。
4. 今後の展開
引き続き調査研究及び要素技術開発を行い、全体システムの最適化設計、中核的要素技術の確立を図るとともに、平成１１年度以降の第Ⅱ期研究開発の内容を具体化する。
なお、巻末にＮＥＤＯ及び・エネルギー総合工学研究所・ＷＥ－ＮＥＴセンターで作成した「ＷＥ－ＮＥＴ第 II 期研究開発の進め方（案）」を参考資料として添付した。
