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に、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、水素エネルギーシステムの全体概念設計及び中核的要素技術の開発を実施することを目的としている。
平成５年度から６年間の第Ⅰ期計画においては、調査研究、基礎研究及び要素技術研究を行うことにより、実用化に長期を要す大規模な水素製造技術、水素輸送･貯蔵時術、水素利用技術に関する基礎的技術の確立を図り、実証試験のために必要な基盤を充実させた。
平成11年度から５年間の第Ⅱ期計画においては、当初計画を堅持しつつ、水素エネルギーの段階的導入を図るため、短期・中期で実用化を目指す水素自動車システム、水素供給ステーション、自動車用水素吸蔵合金、純水素供給固体高分子型燃料電池及び水素ディーゼルエンジンコージェネレーションの開発を盛り込み研究を推進している。以下に第Ⅱ期の各研究開発の目標を示す。
2. 開発目標
第Ⅱ期における研究開発は以下の１２のタスクに分けて実施している。なお、（ ）内は、水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術（ＷＥ－ＮＥＴ）第Ⅱ期研究開発基本計画に記述された研究開発項目の名称である。
2.1 タスク１ システム評価に関する調査・開発 （システム研究）
ＷＥ－ＮＥＴ研究計画を合理的に効率良く、しかも体系的に推進する上で、再生可能エネルギーとともに、化石燃料等から製造される水素も前提とした種々の水素利用システムのエネルギー効率、環境性及び経済性を評価し、水素導入のための戦略を検討する。更に、１２タスクの各研究開発項目間の調整等を行い、研究開発の統一的推進を図る。
2.2 タスク２ 安全対策に関する調査･研究 （システム研究）
水素の拡散及び爆燃等の実験による検証を元に、安全評価手法を確立する。また、予備的な安全評価を実施し、結果に基づき、安全設計指針の検討を行う。
2.3 タスク３ 国際協力に関する調査･研究 （システム研究）
ＷＥ－ＮＥＴと深く関連した水素エネルギー技術の標準化研究等に係る国際的な研究協力及び当該研究計画を効率良く行うために、国際的な情報交流を推進する。
2.4 タスク４ 動力発生技術の開発 （水素製造利用技術）
環境影響物質無排出、送電端効率45％程度(高位発熱量基準)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。また、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。
2.5 タスク５ 水素自動車システムの開発 （水素利用技術）
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。ここで、水素供給ステーションと組み合せた水素自動車走行システムの技術実証を行うとともに、エネルギー効率等について評価を行う。
2.6 タスク６ 純水素供給固体高分子型燃料電池の開発 （水素利用技術）
送電端効率45％程度(高位発熱量基準、低位発熱量基準で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。
2.7 タスク７ 水素供給ステーションの開発 （水素利用技術）
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/時の小規模試験システムの開発、実証を行う。
2.8 タスク８ 水素製造技術の開発 （水素製造技術）
固体高分子電解質水電解法に関する技術開発を行い、電流密度１Ａ/cm２以上、エネルギー変換効率90％以上の性能を有する電極面積2500cm２の積層化電解槽を実現する。また、既存材料と同等以上の性能を有する耐高温固体高分子電解質膜を開発する。ここで、水素供給ステーションの研究開発と連携して、小規模水素製造システム(電極面積1000cm２、積層型)の開発を行う。
2.9 タスク９ 液体水素輸送・貯蔵技術の開発 （水素輸送・貯蔵技術）
液体水素の輸送及び貯蔵に共通する断熱構造の開発を行うとともに、液体水素ポンプの要素技術開発、液化用水素圧縮機等の概念設計を実施する。
2.10 タスク１０ 低温材料の開発 （水素輸送・貯蔵技術）
液体水素雰囲気下での材料特性試験を行うとともに、最適溶接材料及び最適溶接法に係る要素技術開発を実施する。また、材料特性データベースの拡充を図る。
2.11 タスク１１ 水素分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発（水素分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金）
移動体及び定置式設備への適用を目的として、有効水素吸蔵量３重量％以上、放出温度100℃以下、5000サイクル時の吸蔵能力が初期の90％以上である水素吸蔵合金の開発を行う。
2.12 タスク１２ 革新的・先導的技術に関する調査・研究 （革新的・先導的技術）
水素利用、水素製造、水素輸送・貯蔵に係る技術のうち、上記タスク１～１１以外の革新的・先導的技術について並行的に調査及び基礎研究を行う。
なお、ＷＥ－ＮＥＴの目標としている概念図を図―１に、上記研究開発項目に係る研究開発のスケジュールを表―１に示す。
3. 平成11年度の成果概要
平成11年度の主な成果概要を以下に示す。
3.1 タスク１ システム評価に関する調査・開発
システム検討では、副生水素による水素の供給システム、離島における自立型風力発電―燃料電池コンバインドシステム等について、水素の供給能力及び経済性を評価した。
副生水素による水素の供給システムでは、ソーダ電解からの副生水素、コークス炉からの副生水素の年間生産量を把握した。経済評価では、ソーダ電解副生水素→近郊への配管輸送又は高圧水素トレーラ輸送→水素供給ステーション→水素吸蔵合金タンク車条件での水素供給コスト、コークス炉副生水素→近郊への配管輸送又は遠距離駅液体水素トレーラ輸送→水素供給ステーション→水素吸蔵合金タンク車条件での水素供給コストを明らかにした。また、離島における自立型風力発電と燃料電池のコンバインドシステムでは、発電コストを算出し、現状の離島でのディーゼル発電システムに対して経済的競争力に期待が持てることを確認した。その他、西欧の水素利用の先端を行くと思われる諸国の再生可能エネルギー利用に係る進展度合等の調査を実施した。
3.2 タスク２ 安全対策に関する調査･研究
安全に関する調査･研究では事故の要因分析のため、タスク7で検討されている水素供給ステーションの概念設計をベースに、潜在的な異常・事故等の起因事象と該当する安全対策の関連を整理し、安全設計上の考慮事項を検討した。また、定量的リスクアセスメントを実施する上で必要な、事故発生頻度を推定するための情報等を収集・整理するために、利用可能なデータベースの調査を実施した。
3.3 タスク３ 国際協力に関する調査･研究
国際的協力では、ＷＥ－ＮＥＴへの理解を深めてもらうために、国際会議での発表、International Energy Agency(ＩＥＡ)における研究協力等を推進した。また、国際的技術情報交換では、海外調査では、例えば、ＥＣにおける水素プロジェクトの調査、WE-NETホームページの更新、水素の安全性に関するビデオ製作を実施した。その他､水素エネルギー技術標準化研究では、米国／カナダにおいて作成された“Source-book
or Hydrogen Applicationsを参考に、日本版の法、規則に関するガイドラインを作成した。また､ISO/TC197に対応するとともにISO/TC197以外の水素に関連した他のグループからの規格案の検討依頼に対し国内WGにおいて検討を行った。
3.4 タスク４ 動力発生技術の開発
要素技術開発においては、水素噴射装置、排ガス凝縮器・気液分離装置、過給機・膨張タービンの開発を進めた。また、基礎試験では、自己着火及びレーザ着火の２つの方法による水素燃焼試験、ピストンリング・シリンダライナ潤滑試験、水素ディーゼル機関における筒内現象の解析を行った。その他､単筒実験機システム開発としては、燃料と作動ガス供給装置、ガス循環ライン及び実験室建家、装置配置に係る試験設備の基本計画、単筒実験機の設計検討を実施した。
3.5 タスク５ 水素自動車システムの開発
水素燃料電池自動車の燃料系システムの要素技術開発においては、燃料タンクに水素吸蔵合金を適用するにあたり、水素吸蔵合金の安全性を評価した。また、水素吸蔵合金を充填させた水素吸蔵合金タンクを試作し、このタンクを衝撃破壊したときの水素吸蔵合金の飛散状況及び水素を吸蔵・放出させたときのタンクの変形等を確認した。その他､水素燃料電池自動車の特徴に合わせた簡便かつ高精度な燃料消費率の計測手法を調査・検討した。
3.6 タスク６ 純水素供給固体高分子型燃料電池の開発
水素の利用が高い純水素供給固体高分子型燃料電池において、<1>水素回収サイクル<2>アノード出口封じ切り<3>アノードリサイクルの３種類の方式で、水素利用率が100％に近い領域までのセル電圧特性等を把握した。また、周辺システムに関しては､後年度に予定されている30kW級燃料電池の試験設備の改造点を摘出し、効果的な改造方法の検討及び安全対策等を調査・検討した。
3.7 タスク７ 水素供給ステーションの開発
水素供給ステーション全体システムの検討を行い、主要構成機器である、天然ガス改質型水素発生装置、固体高分子電解質水電解型水素製造方式、水素吸蔵合金貯蔵設備並びに水素ディスペンサーユニットに関し、それぞれの水素供給ステーションで設置・運用を前提として望ましい設備仕様を検討し明確にすると供に、全体設計を行った。
3.8 タスク８ 水素製造技術の開発
水素製造法２方式（無電解メッキ法、ホットプレス法）による大型セル積層化（電極面積 2,500cm2、10セル）の開発を実施すると共に、タスク7と連携し水素ステ－ション用のセル(電極面積
1,000 cm2)の開発にも着手した。また、平成10年度に引き続き水素製造法の実用規模における最適条件、概念設計を実施し、水素製造コストに与える影響を検討した。耐高温固体高分子電解質の研究においては、数種類の高分子電解質を合成し、その特性評価を実施した。更に、水電解に関する最新の文献の調査を行った。
3.9 タスク９ 液体水素輸送・貯蔵技術の開発
液体水素輸送･貯蔵設備の開発においては、平成10年度に引き続き、液体水素の輸送・貯蔵に共通するキーテクノロジーである断熱構造の要素試験を継続した。断熱構造試験体を設計製作し、熱伝導率を計測するための断熱性能試験と液体水素雰囲気下における低温強度試験を実施し、断熱構造試験体の基本的特性を把握した。
共通機器類の開発においては、磁気浮遊軸受けによる液体水素ポンプの液体水素雰囲気下における、回転試験を実施し、軸受け及びポンプの基本特性を確認した。
水素液化設備の概念設計では､高性能水素圧縮機の開発に必要な空力設計及びシール設計の基礎データの取得を目標とし、空力設計技術とシール技術の課題調査と開発計画の策定を行った。
3.10 タスク１０ 低温材料の開発
液体水素温度域で候補材に挙げられる母材および溶接部について、疲労強度試験、破壊靱性試験等を実施し、材料特性データの充実を図った。ここで、最適溶接材料および最適溶接法に係る要素技術として、従来の溶接法に加え、ステンレス鋼でのレーザ溶接、アルミニウム合金での摩擦攪拌接合等の新規溶接・接合法に関する評価を実施した。これらの試験で得られた特性データは、ＷＥ－ＮＥＴ第Ⅰ期で作成した低温材料特性データベースに追加するとともに、図表等の利用・解析が可能なようにシステムの改善を図った。また、母材および溶接部の低温脆化と水素脆化に関する現象のメカニズムについて解析・検討を行った。
3.11 タスク１１ 水素分散輸送・貯蔵用水素吸蔵合金の開発
Ｖ基合金でWE-NET有効水素量２.５mass%、Ｔｉ-Ｃｒ基合金で２.３mass%の、現時点で世界最高特性の合金を開発した。また、Ｃａ-Ｍｇ-Ｎｉ三元系合金では、優れた可能性を秘めた新しい材料が、いくつか見出された。ＮａＡｌ水素化物はWE-NET条件での水素吸放出が可能と判明され、Ｎａを他の基で置換した新しいアルミ水素錯体塩の合成に成功し、新規材料への道が開かれた。新炭素材料の調査研究を行い、多くの報告には問題が含まれており水素量測定方法の確立と水素吸蔵能力の実態把握が必要と判明。
3.12 タスク１２ 革新的・先導的技術に関する調査・研究
平成11年度の新規提案は８件あり、この内、３件について概念検討を実施した。また、基礎研究項目の選定においては、これまでの当該調査・研究により得られた新技術の概念検討及び評価の内容を踏まえて、ＷＥ－ＮＥＴプロジェクトを構成する技術を最適なもととするための将来的に有望な技術を検討した。その結果、第Ⅱ期研究開発期間中に基礎研究として着手すべき課題として、“磁気冷凍法による水素液化技術”を選定した。
4. 今後の展開
引き続き研究調査を行い､全体システムの最適設計等の検討を行うとともに､基礎的研究、要素技術研究及び実証試験・評価等を進め、WE-NET基本計画の開発目標の達成を図る。
