平 成 2８ 年 ７ 月 １ ９ 日 国立大学法人 広島大学 昭和電工株式会社 大陽日酸株式会社 国立研究開発法人 科学技術振興機構（ＪＳＴ） アンモニアから燃料電池自動車用水素燃料を製造 ア ン モ ニ ア か ら 燃 料 電 池 自 動 車 注 1) 用 高 純 度 水 素 を 製 造 す る 実 用 可 能 な 技 術 の 開 発 に 世 界 で 初 め て 成 功 し 、ア ン モ ニ ア を 原 料 と し た 水 素 ス テ ー シ ョ ン（ ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョン）の実現に向け大きく踏み出しました。 内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム （ SIP） 「エネルギーキャリア」 （ 管 理 法 人：国 立 研 究 開 発 法 人 科 学 技 術 振 興 機 構【 理 事 長 濵 口 道 成 】）の 委 託 研 究 課 題「 ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョ ン 基 盤 技 術 」に お い て 、国 立 大 学 法 人 広 島 大 学 、昭 和 電 工 ㈱ 、国 立 研 究 開 発 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 、㈱ 豊 田 自 動 織 機 、 大 陽 日 酸 ㈱ は 共 同 研 究 に よ り 、ア ン モ ニ ア か ら 燃 料 電 池 自 動 車 用 高 純 度 水 素 を 製 造 す る 技 術の開発に成功しました。 ア ン モ ニ ア は NH 3 で 示 さ れ る よ う に 、 多 く の 水 素 を 含 ん で お り エ ネ ル ギ ー キ ャ リ ア 注 2 ） と し て 期 待 さ れ て い ま す 。し か し な が ら 、ア ン モ ニ ア 水 素 ス テ ー シ ョ ン 実 現 の た め に ブ レ イクスルーしなければならない大きな技術障壁としては次の 3 点がありました。 ①高活 性 高 耐 久 性 ア ン モ ニ ア 分 解 触 媒 ② 残 存 ア ン モ ニ ア 濃 度 を 0.1ppm 以 下 に で き 、 再 生 が 容 易 な ア ン モ ニ ア 除 去 材 料 ③ 水 素 純 度 99.97%を 達 成 で き る 精 製 技 術 今 回 、世 界 ト ッ プ レ ベ ル の ア ン モ ニ ア 分 解 用 ル テ ニ ウ ム 系 触 媒 の 調 製 、ア ン モ ニ ア 除 去 材 料 の 作 製 及 び 水 素 精 製 技 術 を 確 立 す る こ と に よ り 、そ れ ら を 用 い た ア ン モ ニ ア 分 解 装 置 、 残 存 ア ン モ ニ ア 除 去 装 置 及 び 水 素 精 製 装 置 を 実 証 シ ス テ ム の 1/10 ス ケ ー ル で 開 発 し ま し た 。こ れ ら の 装 置 を 組 み 合 わ せ る こ と で 、世 界 で 初 め て ア ン モ ニ ア を 原 料 と し た 燃 料 電 池 自 動 車 用 水 素 燃 料 製 造 注 3 ） が 可 能 と な り ま し た 。現 在 、当 チ ー ム で は 昭 和 電 工 ㈱ 川 崎 事 業 所においてシステムの実証を行うべく、プロセスの検討を行っています。 今 回 の 成 功 は 、ア ン モ ニ ア を 燃 料 電 池 自 動 車 用 水 素 燃 料 へ 利 用 す る た め の 技 術 の 大 き な 進 展 で あ り 、将 来 、ア ン モ ニ ア を 利 用 す る 燃 料 電 池 自 動 車 用 水 素 ス テ ー シ ョ ン の 実 現 が 期 待 さ れ 、 ひ い て は CO 2 削 減 に 大 き く 貢 献 す る こ と に な り ま す 。 こ の 技 術 の 詳 細 は 、2016 年 7 月 20 日 に 日 本 科 学 未 来 館 で 開 催 さ れ る SIP エ ネ ル ギ ー キ ャリア公開シンポジウムで発表されます。 ＜開発の社会的背景＞ 化石燃料の枯渇に伴うエネルギー問題、大量のエネルギー消費による環境汚染問題を解 決するため、燃焼後には水しか出ない水素が、クリーンエネルギー源として期待されてい ます。常温では気体である水素は、その効率的な貯蔵・輸送技術の開発が大きな課題とな っ て き ま し た 。常 温 、10 気 圧 程 度 の 条 件 で 容 易 に 液 体 と な る ア ン モ ニ ア（ NH 3 ) 1 分 子 は 3 原子の水素をもつため水素量が多く、水素エネルギーのキャリアとして魅力的な化学物質 です。アンモニアは燃料電池自動車用水素源として注目されています。 ＜研究の経緯＞ 広島大学 先進機能物質研究センターの小島 由継 教授を研究責任者とするアンモニ ア水素ステーションチームは、アンモニアから水素燃料を製造するための、アンモニア分 解・高純度水素供給システムの開発に取り組んでいます。アンモニア分解・高純度水素供 給システムは、図 1 に示すように、主にアンモニア分解装置、アンモニア除去装置、水素 精製装置から構成されます。アンモニアはアンモニア分解装置で分解され、水素、窒素の 混合ガスが生成されるものの、微量のアンモニアガスが残存します。この混合ガス中の微 量のアンモニアや窒素はアンモニア除去装置と水素精製装置で除去され高純度水素が製造 されます。 本 研 究 開 発 は 平 成 26 年 度 か ら ス タ ー ト し た 内 閣 府 総 合 科 学 技 術 ・ イ ノ ベ ー シ ョ ン 会 議 の 戦 略 的 イ ノ ベ ー シ ョ ン 創 造 プ ロ グ ラ ム （ SIP）「 エ ネ ル ギ ー キ ャ リ ア 」 の 一 課 題 と し て 実 施 さ れ て い ま す 。 (本 研 究 開 発 の 一 部 は 平 成 25 年 度 Ｊ Ｓ Ｔ 戦 略 的 創 造 研 究 推 進 事 業 先 端 的 低 炭 素 化 技 術 開 発（ Ａ Ｌ Ｃ Ａ ）の 委 託 研 究「 エ ネ ル ギ ー キ ャ リ ア と し て の ア ン モ ニ ア 高 効 率 利 用 に 関 す る 革 新 的 基 盤 技 術 」 において行われました。) ＜研究の内容＞ 燃料電池自動車や燃料電池フォークリフトはパーフルオロスルホン酸系プロトン交換 膜注 4) などから構成される固体高分子形燃料電池注 5) を利用しています。プロトン交換膜な どにおいてアンモニア分子はアンモニウムイオンの形で蓄積し、燃料電池の性能が低下す る 問 題 が あ り ま す 。 燃 料 電 池 自 動 車 用 水 素 中 の ア ン モ ニ ア 濃 度 は 国 際 規 格 （ ISO14687-2） に よ る と 0.1ppm 以 下 と 決 め ら れ て い ま す 。 産業技術総合研究所 触媒化学融合研究センターでは、汎用のステンレス材料の使用が 期 待 さ れ る 550℃ 以 下 に お い て 、ア ン モ ニ ア を 化 学 平 衡 濃 度 注 6 )（ 理 論 値 ）ま で 分 解 す る 世 界 ト ッ プ レ ベ ル の 高 性 能 ル テ ニ ウ ム 系 触 媒 （ Ru/MgO） を 開 発 し ま し た 。 550℃ に お い て 、 従 来 の ル テ ニ ウ ム 系 触 媒 で は 残 存 ア ン モ ニ ア 濃 度 が 約 70,000ppm で あ っ た も の が 、今 回 開 発 し た ル テ ニ ウ ム 系 触 媒 で は 1,000ppm 以 下 ま で ア ン モ ニ ア を 分 解 で き る こ と を 見 出 し ま し た （ 図 2）。 そして、昭和電工㈱と㈱豊田自動織機では、この触媒を用いたアンモニア分解装置を実 証 シ ス テ ム の 1/10 ス ケ ー ル で 開 発 し ま し た（ 図 3）。ア ン モ ニ ア ガ ス を 1Nm 3 /h の 流 量 で ア ン モ ニ ア 分 解 装 置 に 供 給 し 、550℃ で ア ン モ ニ ア 濃 度 1,000ppm 以 下 の 分 解 ガ ス（ 水 素 75％ 、 窒 素 25%） が 2Nm 3 /h の 流 量 で 得 ら れ る こ と を 達 成 し ま し た 。 広 島 大 学 先 進 機 能 物 質 研 究 セ ン タ ー で は 、 加 熱 再 生 が 容 易 で 、 0.1ppm 以 下 の 濃 度 ま で ア ン モ ニ ア を 除 去 で き る 無 機 系 除 去 材 料 を 世 界 に 先 駆 け て 見 出 し ま し た（ 図 4）。従 来 の 硫 酸 水 素 ア ン モ ニ ウ ム（ NH 4 HSO 4 ）系 除 去 材 料 を 用 い た 場 合 、体 積 当 た り の ア ン モ ニ ア 除 去 量が少なく、可熱再生が困難であったものが、今回開発した無機系除去材料を利用するこ とにより、除去量を 3 倍に増加でき、加熱再生も可能になりました。これにより、無機系 除去材料は繰り返し利用できることがわかりました。 さ ら に 、昭 和 電 工 ㈱ で は 、こ の 除 去 材 料 を 用 い た 実 証 シ ス テ ム の 1/10 ス ケ ー ル の ア ン モ ニ ア 除 去 装 置 を 開 発 し ま し た 。ア ン モ ニ ア 分 解 装 置 に よ り 得 ら れ た ア ン モ ニ ア 分 解 ガ ス（ ア ン モ ニ ア 1,000ppm 以 下 、水 素 75％ 、窒 素 25%）を 2Nm 3 /h の 流 量 で ア ン モ ニ ア 除 去 装 置 に 供 給 す る こ と に よ り 、 ア ン モ ニ ア 残 存 濃 度 を 国 際 規 格 で あ る 0.1ppm 以 下 ま で 低 減 で き る ことを確認しました。また工業的に加熱再生が容易であり、かつ体積あたりのアンモニア 除去量が多いため、この除去材料が実用可能レベルにあることを確認しました。今回行っ た 、実 証 シ ス テ ム の 1/10 ス ケ ー ル に お け る ア ン モ ニ ア 分 解 反 応 か ら 残 存 ア ン モ ニ ア 除 去 ま での一気通貫での実証実験の成功は世界初であり、アンモニアを燃料電池自動車用水素燃 料へ利用するための技術の大きな進展となりました。 大 陽 日 酸 ㈱ で は 、窒 素 等 の 不 純 物 を 除 去 す る 水 素 精 製 装 置 を 開 発 し ま し た（ 図 5）。ア ン モ ニ ア を 除 去 し た 水 素 、窒 素 の 混 合 ガ ス に は 高 濃 度 の 窒 素 や 微 量 不 純 物 が 含 ま れ て い ま す 。 こ の ガ ス を 2Nm 3 /h の 流 量 で 水 素 精 製 装 置 に 送 り 、窒 素 を 1ppm 以 下 ま で 、そ の 他 不 純 物 も ppm か ら ppb の オ ー ダ ー ま で 同 時 に 一 段 で 除 去 す る 技 術 を 確 立 し 、 世 界 で 初 め て ア ン モ ニ ア由来水素から燃料電池自動車用水素燃料の国際規格をクリアする水素が製造出来る事を 明らかにしました。 今回開発した、アンモニア分解装置、アンモニア除去装置と水素精製装置を組み合わせ ることで、燃料電池自動車用水素燃料製造が可能となります。現在当チームでは、昭和電 工 ㈱ 川 崎 事 業 所 に お い て 10Nm 3 /h ス ケ ー ル の シ ス テ ム 実 証 を 行 う べ く 、プ ロ セ ス 検 討 を 行 っています。 ＜今後の予定＞ ア ン モ ニ ア 分 解 装 置 、 ア ン モ ニ ア 除 去 装 置 、 水 素 精 製 装 置 を 連 結 さ せ 、 10Nm 3 /h で 水 素 を供給できる実証システムの開発を経て、アンモニア水素ステーションの実現を目指しま す（ 図 1）。ア ン モ ニ ア か ら の 高 純 度 水 素 は 燃 料 電 池 自 動 車 や 燃 料 電 池 フ ォ ー ク リ フ ト へ の 利 用 が 期 待 さ れ 、 ひ い て は CO 2 削 減 に 大 き く 貢 献 す る こ と に な り ま す 。 アンモニア分解・高純度水素供給システム 分解装置 NH3 除去装置 高純 度H2 精製装置 H2 O N2 NH3 図1 H2 ア ンモ ニア 水 素 ステ ーシ ョ ンの 概 念図 残存アンモニア濃度 /ppm 106 従来触媒 105 開発触媒 104 103 理論値 102 Ru/MgO (Ru: 3wt%) 10 400 450 図2 500 550 温度 /℃ 600 650 ル テニ ウム 系 触 媒の アン モ ニア 分 解活 性 （理論値：化学平衡濃度） アンモニア除去装置 アンモニア分解装置 図3 アンモニア分解装置・除去装置の概観 アンモニア除去濃度 /ppm 1000 800 従来材料 加熱再生： 困難 開発材料 加熱再生： 実用可能 600 400 200 NH4HSO4系除去材料 無機系除去材料 ≤0.1 0 10 20 30 40 50 アンモニア累積供給量 /gNH3/L 図4 ア ン モ ニ ア 除 去 材 料 の 除 去濃 度 と累 積 供給 量 （除 去濃 度 ：ア ン モニ ア除 去後 の 残存 ア ンモ ニア 濃度 ） 図5 水素精製装置の概観 用語解説 注 1) 燃 料 電 池 自 動 車 ： 搭 載 し た 固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 で 燃 料 （ 水 素 ） と 空 気 中 の 酸 素 か ら 発 電 し 電 動 機 を 動 か し て 走 行 す る 自 動 車 で あ る 。2014 年 12 月 に ト ヨ タ 自 動 車 ㈱ か ら 、 世 界 初 の 量 産 型 燃 料 電 池 自 動 車 MIRAI が 発 売 さ れ 、 2016 年 3 月 に は 本 田 技 研 工 業 ㈱ か ら 、 新 型 燃 料 電 池 自 動 車 CLARITY FUEL CELL が 発売された。 注 2) エ ネ ル ギ ー キ ャ リ ア ： 液 体 水 素 や メ チ ル シ ク ロ ヘ キ サ ン 、 ア ン モ ニ ア な ど 水 素 を 多 く 含 む 物 質 の こ と で 、エ ネ ル ギ ー 生 産 地 で 合 成 し て 、化 学 的 に 安 定 な 液 体 と し て 保 存 、運 搬 し 、エ ネ ル ギ ー 消 費 地 で 水 素 を 取 り 出 す か 直 接 エ ネ ル ギ ー に 変換して使用する。 注 3) 燃 料 電 池 自 動 車 用 水 素 燃 料：2012 年 12 月 に 燃 料 電 池 自 動 車 用 の 水 素 燃 料 の 国 際 規 格 (ISO14687-2)が 発 効 さ れ て い る 。こ の 規 格 に よ る と 水 素 中 の ア ン モ ニ ア 濃 度 は 0.1 ppm 以 下 、窒 素 濃 度 は 100ppm 以 下 、水 素 純 度 は 99.97%以 上 に 決 め ら れている。 注 4) パ ー フ ル オ ロ ス ル ホ ン 酸 系 プ ロ ト ン 交 換 膜 ： ス ル ホ ン 酸 基 を 持 つ パ ー フ ル オ ロ （ 全 フ ッ 素 置 換 ）側 鎖 と フ ッ 素 系 主 鎖 か ら 構 成 さ れ る プ ロ ト ン 交 換 膜 で あ り 、プ ロトン交換膜はプロトンのみを通過させる。 注 5) 固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 ： 電 解 質 に 高 分 子 電 解 質 膜 を 用 い て い る タ イ プ の 燃 料 電 池 。 作 動 温 度 が 低 い こ と や 起 動 が 速 い な ど と い っ た メ リ ッ ト か ら 、家 庭 用 燃 料 電 池や燃料電池自動車に使われている。 注 6) 化 学 平 衡 濃 度 ： 正 反 応 （ ア ン モ ニ ア 分 解 ） の 反 応 速 度 と 逆 反 応 （ ア ン モ ニ ア 合 成 ） の反応速度が釣り合っている状態でのアンモニア濃度である。 ＜お問い合わせ先＞ ＜研究に関すること＞ 小島 由継 〒 739-8530 広島大学 先進機能物質研究センター長・教授 東 広 島 市 鏡 山 1-3-1 TEL： 082-424-3904 FAX：082-424-5744 E-mail： [email protected] 昭和電工株式会社 広報室 〒 105-8518 東 京 都 港 区 芝 大 門 1-13-9 TEL： 03-5470-3235 FAX：03-3431-6215 E-mail： [email protected] 大陽日酸株式会社 国 際 ・ 経 営 企 画 本 部 広 報 ・ IR 部 鎌 田 ・ 田 代 〒 142-8558 東 京 都 品 川 区 小 山 1-3-26 東 洋 Bldg. TEL： 03-5788-8015 ＜ＪＳＴ事業に関すること＞ 国立研究開発法人 科学技術振興機構 環境エネルギー研究開発推進部 〒 102‒0076 東 京 都 千 代 田 区 五 番 町 ７ TEL： 03‒3512‒3543 Ｋ ’ｓ 五 番 町 FAX：03‒3512‒3533 E-mail： [email protected] ＜報道担当＞ 広島大学 社会産学連携室 広報部広報グループ 〒 739-8511 東 広 島 市 鏡 山 1-3-2 TEL： 082-424-6762 FAX：082-424-6040 E-mail： [email protected] 昭和電工株式会社 広報室 〒 105-8518 東 京 都 港 区 芝 大 門 1-13-9 TEL： 03-5470-3235 FAX：03-3431-6215 E-mail： [email protected] 大陽日酸株式会社 国 際 ・ 経 営 企 画 本 部 広 報 ・ IR 部 鎌 田 ・ 田 代 〒 142-8558 東 京 都 品 川 区 小 山 1-3-26 東 洋 Bldg. TEL： 03-5788-8015 国立研究開発法人 科学技術振興機構 広報課 〒 102-8666 東 京 都 千 代 田 区 四 番 町 5-3 TEL： 03-5214-8404 FAX：03-5214-8432 E-mail： [email protected]
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