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 （１）将来における水素エネルギーの利用技術および需要量について、水素ガス、液体水素等の利用形態別に調査・検討を行い、利用技術の提案を実施し、各技術の得失を明確にするとともに開発課題を抽出する。 （２）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。 平成10年度は、以上の目標を達成するため、利用技術分野毎に将来有望となる技術の調査を継続し、特に有望な利用技術については、要素技術開発を行った。 7.2 平成10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）システムの検証試験 　平成10年度は、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、工業技術院機械技術研究所に設置した急速圧縮・膨張装置を用いて、アルゴンー酸素および水蒸気―酸素雰囲気中に水素を噴射する燃焼試験を実施し、燃焼効率、図示熱効率などの基本性能を求めた。 　その結果、燃焼効率は95%以上が、図示熱効率はアルゴン循環型ではおおよそ45〜55%、水蒸気循環型では35%程度が得られ、水素ディーゼルコージェネレーションシステムの実現性が確認されたと同時に、平成11年度以降予定されている単筒機による実証試験、検証へ移行出来る目途を得た。 （２）要素技術の検証試験 重要な要素技術である水素噴射弁および水素着火装置に関する試験を行った。噴流形成に及ぼす噴口径、噴口数などの影響、自着火現象を可視化装置により観測するとともに火花点火装置およびレーザ着火装置による強制着火を試み、その着火条件を把握した。 噴流観察および自着火試験 高圧雰囲気下での水素燃焼を光学的観察手法のシュリーレン撮影により観察した結果、噴口径によらず噴流角はほぼ一定、噴口径が小さくなると噴流到達距離は小噴射弁に依存した噴流特性を把握した。また、雰囲気温度が950Kを越すと、自着火の確率が高くなるなどの自着火条件も明らかにした。 水素着火装置 スパークプラグを用いた点火により水素を確実に着火させる方式とし、着火条件を明らかにできるよう点火エネルギーが可変で、放電時の電流・電圧の計測が可能なものを試作した。 水素着火試験基礎燃焼試験 点火栓を用いて火花放電により水素を着火させる方式として、CDI（コンデンサー放電着火）方式および電流遮断方式を試験した。その結果、CDI方式は電流遮断方式に比べ、より安定した着火をもたらすとの観察結果を得た。 また、二噴口ノズル試験から、噴口間角度が30度以下では確実に火移りすることが観察された。非接触のため耐久性が高く、点火位置選択の自由度が高いレーザー着火方式を適用し、着火が安定して得られる条件を明らかにした。 7.2.2 輸送機関に関する調査・検討 　平成10年度は昨年度の報告内容を踏まえ、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（Life Cycle Assessment）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。 （１）導入シナリオ 　水素自動車の導入・普及について短期および中長期的観点からの導入の検討を行い、技術的、政策的な課題を抽出した。特に、水素自動車の本格的な普及には大臣認定等による水素自動車を早急に走行させ、この実証データを基に技術基準を整備することが重要との結論を得た。一般のユーザーが車両を購入し使用するためには、さらに大臣認定を解除するための規制緩和のプロセスを経ることが必要である。 　短期導入シナリオでは2010年までの期間において実証から実用、本格導入に至る過程でクリアーすべき事柄を整理し、技術基準の制定が本格普及の開始時期を決める大きな要因であることを明確にした。中長期の観点からは2030年に約500万台の普及を想定すると、乗用車とバンが大半を占めるものと考えられる。車両の増加と共に水素供給ステーションの設置数を増加させることが必要であり、低コストの水素供給装置の開発が重要との結論を得た。 （２）環境LCA 　再生可能エネルギーと天然ガスを一次エネルギーとした水素を搭載する水素燃料電池自動車について、フューエルサイクル（エネルギーフローに沿った分析）でのエネルギー効率や二酸化炭素の排出の検討を行った。 　検討対象は、排気量1500ccのガソリン自動車相当の乗用車またはワゴン車とした。燃料電池自動車の一次エネルギー消費はフューエルサイクル分析のでは現行車の半分以下そしてLCAでも約半分になる可能性があることを明らかにした。最も効率の高いエネルギーフローは太陽光発電で水素をオンサイト製造して燃料電池自動車に用いるフローで、ついでパイプラインで送られた天然ガスを消費地まで運んでステーションで改質して燃料電池自動車に用いるフローであるとの結論を得た。 　また、二酸化炭素の排出量は再生可能エネルギーを一次エネルギーとする場合は二酸化炭素の排出量は自動車製造段階のみと仮定したが、天然ガスを一次エネルギーとする場合でも現行車に対し約40％以下、LCAでも半分以下にに低減可能であるなどの結果を得た。 7.2.3 純水素利用燃料電池に関する調査・検討 　平成10年度は、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。 （１）純水素固体高分子型燃料電池の市場調査 　固体高分子膜の加湿法として、冷却水の一部を直接燃料極に供給する内部加湿方式を用いた発電システムを対象とし、燃料供給系統、空気供給系統、電池冷却水系統に分けて、システムの構成、フローの検討、今後の課題の抽出を行った。 電気事業用 電力事業用の大容量発電には水素燃焼タービン発電が適している。燃料電池の市場としてはMW級の分散発電用とピークカット用などが考えられるが、分散型の普及は将来の課題となっているため、現在その市場を予測することは困難との結論を得た。 産業用 100kWから5000kW級の燃料電池が考えられ、副生水素を発生する食塩電解、石油化学および鉄鋼などの工場への導入が考えられる｡ 民生業務用 プラントの70%は500kW以下で､燃料電池が既存設備と経済的に競合するには、水素価格25円/Nm3以下、設備価格が15万円/kW以下、そして発電単価が22円/kWh程度になる必要があるとの結論を得た。 移動用発電装置 既存の設備価格は4〜8万円/kW程度で安価であるが､夜間に使用する工事用電源に対する低騒音化の要求は非常に強いため、ある程度価格が高くても市場導入が期待できる｡ 自動車用 自動車駆動用として､現在､世界の自動車メーカーはメタノール改質型燃料電池自動車と純水素燃料電池自動車の開発に注力しているが、究極の車は後者とされている｡ 燃料電池自動車は2004年頃から市場導入が始まり、水素供給基盤（インフラストラクチュアー）の整備に応じて、2030年頃には数百万台になると想定される。 その他の市場 その他の市場として、船舶推進用、宇宙用、家庭用などがある｡ （２）燃料電池自動車のLCAのための燃料電池データの調査 　バラード社がダイムラーベンツ社のNECAR�UやNECAR�Vに搭載したと見られる最新のスタックMark7型をモデルに、膜加湿方式を前提に、25kWスタックの仕様を推定した｡ 　更に、膜･電極接合体やセル部セパレータや加湿部セパレータの製法を想定し、セル部や加湿部､端板など各部の材質、寸法やスタック当たりの使用量を試算した。 7.2.4 冷熱利用に関する調査・検討 （１）液体水素冷熱利用He（ヘリウム）ブレイトンサイクル発電と酸素製造装置の複合サイクルの検討 　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。 　酸素製造装置とHeブレイトンサイクル冷熱発電の組み合わせの最適化を行うためにHeの条件を3ケース（供給／返送温度：140.7/199.4、152.7/217.3、166.6/232.7K）想定し、酸素製造装置の製造動力原単位を算出した。また、通常プロセスとの経済性の比較を行った。 製造動力原単位の試算結果の例 　　　製品酸素濃度 ： 96.0 %、 生産量 ： 1,651Nm3/h（100%酸素換算） 　　　製造動力原単位 ： 0.330 kWh/Nm3 -純酸素 （２）液体水素利用低温ＶＳＡの検討 　実装置規模のシュミレーション解析を実施して仕様を確定し、製品酸素濃度に対する製造電力原単位を試算した。この結果製品酸素濃度の低下とともに製造動力原単位は減少することを確認した。 製造電力原単位の試算結果の例 　　　製品酸素濃度 ： 93.0 %、 生産量 ： 484Nm3/h（100%酸素換算） 　　　製造動力原単位 ： 0.66 kWh/Nm3-　純酸素 （３）液体水素利用空気分離装置の検討 　液体水素の冷熱を利用し酸素ガスを製造する空気分離装置において､製造規模､酸素純度､ 酸素圧力を変えたときの製造電力原単位と概略製造コストを試算した。 製造電力原単位の試算結果の例 　　　製品酸素濃度 ： 96.0 %、 生産量 ： 1,651Nm3/h（100%酸素換算） 　　　製造電力原単位 ： 0.411 kWh/Nm3 -純酸素 （４）固化空気の熱伝導率測定法の検討 　細線加熱法、強制レーリー散乱法および径方向定常熱流法について、特徴、構成機器、設備価格などを検討した。細線加熱法、強制レーリー散乱法および径方向定常熱流法の順序で固化窒素の熱伝導率測定に適切なことがわかった。 　以上の（１）から（４）の検討の結果、水素冷熱の利用や本WG独自の複合サイクルの提案によって、酸素製造装置が小規模であるにもかかわらず酸素製造動力単位に向上が見込めることを確認したものの、通常の酸素製造プロセスと比べると、現状では経済性の面でメリットは見出せない結果となった。また、今後の課題としては、コスト削減方法も含めて、水素・酸素の直接熱交換の設計を可能とする固化空気（窒素）の熱物性値や基本伝熱メカニズム等の基礎研究、ＶＳＡにおいて指摘するように物質移動係数の温度依存性などの研究室段階での基礎試験が重要な課題であることを明確にした。 7.2.5 水素供給ステーションに関する調査・検討 　平成10年度は、昨年度の水素供給システムの検討とその課題の報告を受け、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。 水素製造技術、輸送技術、貯蔵技術および充填技術を調査・検討し、各種課題、効率、圧力等の性能、BOG（ボイルオフガス）発生策の抑制をまとめた。 水素供給ステーションの形態 供給サイトで水素を製造する方式：5方式（天然ガス改質、メタノール改質、アルカリ水電解、固体高分子電解質型水電解、太陽光発電に固体高分子電解質型水電解の組み合せ）を調査・検討した。 供給する場所以外で集中的に水素製造する方式：水素貯蔵基地で集中製造された液体水素または高圧ガスをタンクローリ等で輸送し水素供給ステーションに供給する方式を調査・検討した。なお、液体水素は現状の配送方式で可能であることを示した。 各種供給ステーションのコスト分析結果 水素供給ステーションの価格について、理想条件の下で想定される供給コストを比 較・検討した。この結果、価格構成の内訳を明確にし、例えば高圧水素では輸送コストの比重が高い、水電解方式においては製造費における電気料金が大きな比重を占める等の現状の経済的な問題点を明らかにした。水素供給ステーションの方式の選択は設置する場所のインフラ整備状況等を考慮し検討することが重要であり、多くの選択枝に対する一つの判断材料となると考えられる。 7.3 今後の進め方および課題 　平成11年度は、WE-NET全体が第�U期として活動する初年度である。従ってプロジェクトを再構築し新たに調査・検討を進める。 （１）動力発生技術 　環境影響物質無排出、送電端効率45％程度及び総合効率85%以上（高位発熱量基準）を達成しうるコージェネレーション用の、単筒機で100kW級水素ディーゼルエンジンを開発する。 　100kW級ディーゼル単筒機の開発　連続運転試験を実施し、実用化のための研究開発課題を抽出する。 （２）水素自動車システム 　水素供給ステーションからの供給を考慮した水素燃料電池自動車の燃料系システムの要素技術開発を行う。水素供給ステーションと組み合わせた水素自動車システムの技術検証を行うとともに、エネルギー効率等について評価を行う。 （３）純水素供給固体高分子型燃料電池 　送電端効率45％程度（高位発熱量基準、低位発熱基準で50%程度）を達成しうる純水素燃料に適合した燃料電池発電システムの要素技術を確立し、定置用30〜50kW級発電システムの実証を行う。 （４）水素供給ステーション 　水素自動車への燃料供給を目的としたスタンドアローンタイプの水素供給ステーションの要素技術及びシステム化技術を確立するため、実用規模の水素供給能力の10分の1程度に相当する30Nm3/時の省規模試験システムの開を行う。