片山研はエネルギー化学工学分野の教育と研究を行う九大のまじめな研究室です.
九州大学大学院総合理工学府・先端エネルギー理工学専攻
先端エネルギーシステム開発学講座・エネルギー化学工学教育分野
先端エネルギーシステム開発学講座・エネルギー化学工学教育分野
水素エネルギー
水素利用
| 環境負荷が小さく、クリーンな二次エネルギーとして水素が注目されています．水素を燃焼させると水とエネルギーが取り出せ、有害な副産物は排出されません．余剰エネルギーの大量貯蔵手段としても有効と考えられています．水素エネルギーを利用する方法には、水素エンジンや燃料電池があります．水素エンジンは、水素をガソリンのように利用する方法です．燃料電池は、水素と酸素を化学反応させ、熱エネルギーと電気エネルギーを取り出す方法です．熱と電気を利用することで高いエネルギー利用効率が期待できます．燃料電池には、固体高分子型や固体酸化物型などさまざまな種類があります． 本研究室(旧西川研、旧深田研)では、これまでに『水素導電性固体酸化物における物質輸送現象に関する研究』『固体高分子型燃料電池用電解質膜における水蒸気挙動に関する研究』などを行ってきました．さらに遡ると、『水素吸蔵合金を利用したヒートポンプに関する研究』や『水素化物を用いた水素同位体分離』など水素利用に関わる研究も積極的に行ってきました.最近では、プラズマを用いた水素の抽出・製造に関わる研究に取り組んでいます. |
 資源エネルギー庁の資料より |
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カーボンニュートラル
| 2050年までに温室効果ガスの排出をゼロにする「カーボンニュートラル」への取組が各国で始まっています．日本の主要な成長戦略として位置づけられており、原子力分野においては、以下のような取組が掲げられています． ・ITER計画等の国際連携を通じた核融合研究開発を着実に推進する． ・2030年までに高温ガス炉における水素製造に係る要素技術を確立する． ・2030年までに国際連携により小型モジュール炉技術を実証する． ・国際連携を活用して高速炉開発を着実に推進する． 水素利用社会の構築のためには大量の水素を安定的に生産する必要があります．現在、日本で流通している水素は、主に製鉄プロセス等で発生する副次的な水素ですが、水素の需要が高まると供給が全く足りません．現状での主要な製造プロセスは、化石燃料である天然ガス（メタンガス）から水素を製造する方法ですが、二酸化炭素を発生するため、カーボンニュートラルにはそぐわない技術です．次世代の水素製造技術として、下記の３つが挙げられます． ・アルカリ水電解 ・固体高分子水電解(PEM) ・固体酸化物型水電解(SOEC) アルカリ水電解では、水酸化カリウム(KOH)を水(70-90℃)に溶かした強アルカリの液に直流電流をながすことで、陰極で水素、陽極で酸素を発生させるしくみのため、電力と多少の熱を必要とします．固体高分子水電解では、高分子膜(60-80℃)に電力を供給し、陽極側に水蒸気を流通させて、陽極に酸素、陰極側に水素を発生させる方法です。この方法も電力と多少の熱が必要です．固体酸化物型水電解では、高温(500-1000℃)の固体酸化物(安定化ジルコニア)に電極材料を取り付け、陰極側に水蒸気を流通させて固体酸化物に電流を印加すると水素が発生し、陽極側に酸素が発生する仕組みです．高温にすることで高い水素製造効率が得られます．この方法では、高温の熱源と電力が必要となります．先進型の核融合炉や高温ガス炉では、現在の核分裂炉よりも高温の熱を取り出せるため、SOECと組み合わせることで、高効率な水素製造が期待できます． |
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| カーボンニュートラルや水素利用社会を目指す近い将来の日本は、太陽光や風力などの再生可能エネルギー、核融合炉や高温ガス炉などの原子力エネルギー、貯蔵水素エネルギーなど脱炭素エネルギーをIA技術で上手くコントロールしながら、システム全体として高効率なエネルギー生産と利用が達成されているはずです．そのためには、核融合炉や高効率水素製造など、他国に先駆けて先進技術を開発していくことが重要となります． 下図は、経済産業省が公開したカーボンニュートラルを実現する社会のシステムをイメージ化したものです．核融合炉は、電気だけでなく水素を製造するエネルギー源として位置づけられています． |
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プラズマを用いた水素抽出・製造技術
| 夜間等の余剰電力を用いてプラズマを点火し、水素化合物ガスから直接水素を製造する方法の開発研究を進めています．原理は極めて簡単で、水素化合物ガスをプラズマに導入することにより、水素化合物分子と高エネルギー電子の衝突によって、水素とその他の成分に直接分解するいうものです．理想的にいうと、プラズマ反応器の入口に水素化合物ガスを導入すると出口から水素が出てくる、というものです．これまでにプラズマ分解装置を製造し、メタンガスに対してこの装置における水素製造速度をプラズマ印加電力、ガス流量、入口水素濃度の関数として定式化しています．生成された水素は、Pd-Ag膜で分離回収します． メタンガスは天然ガスの主成分であり、現在多く流通している天然ガスから水素を抽出する際に有効な技術と考えています．実用化には、投入エネルギーに対する水素抽出効率を高める必要があります．現在は、脱炭素技術として、水蒸気あるいはアンモニアからの水素製造を視野に研究を進めています． これらの技術は、核融合炉プラズマから排出される多様な水素化合物ガスから、燃料となる重水素及び三重水素を回収するプロセスに応用することができると考えています． |
 左)プラズマ分解による水素製造概念図 右)作製したプラズマ分解装置(経産省支援) |
左)プラズマ点火とともにメタン信号が低下し、水素信号が増加する様子 中)メタン分解中のプラズマの様子 右)メタン分解・Pd-Ag水素透過原理実証装置 |