CM09-06 水素エネルギー応用と超伝導技術の収斂 （高エネルギー加速器研究機構にて実施） 槙田康博*、新冨孝和**、 （*高エネ研、**日本大学・高エネ研） Convergence of hydrogen energy technology and applied superconductivity (Be held at High Energy Accelerator Organization on April 15, 2005) Yasuhiro MAKIDA*, Takakazu SINTOMI** (* KEK, ** Nihon University, KEK) Environmental problems are an urgent subject to be solved for humankind. To solve this problem large efforts, hydrogen technology development is continued, because hydrogen is clean and carbon dioxide (CO2) free energy medium. On the other hand superconducting devices have been developed as a system without energy loss. Some of new superconducting materials, magnesium diboride or bismuth series, have higher critical temperature than liquid hydrogen temperature of 20 K. This means that liquid hydrogen works as cryogen for these superconducting devices. Prof. Hirabayashi proposed that the combination of liquid hydrogen (LH2) and superconducting devices produces synergic effect and provides environment-friendly systems. We have been considered LH2 cooled SMES system according to his wishes. Key Words: liquid hydrogen, high Tc superconductor, carbon dioxide free 1. はじめに 2001 年にジュネーブで開催されていた MT17 の会場 で、故平林先生から液化水素のエネルギー応用を考え ようと声をかけられたことがきっかけで、表題に記す 研究を始めた。液体水素は Table 1 にまとめるように、 高温超伝導体の臨界温度より低い約 20K の沸点を持つ こと、液体ヘリウムと比較して大きい潜熱、顕熱を持 ことなど、冷媒として優れた性質を持つ。また水素は 優れた 2 次エネルギー媒体であり、ヘリウムや窒素の ように吸熱・蒸発後、大気への放棄や、再液化（凝縮） されるのではなく、動力や電力へ変換することができ る。このような特徴をもつ液体水素は、超伝導にとっ て魅力的な冷媒であり、水素エネルギー応用との相乗 効果で、超伝導応用範囲をこれまでになく広げる可能 性を持つ。 Table 1. Basic cryogenic properties of hydrogen and helium H2 He Boiling temperature, B.T. (K) 22.78 4.22 3 Liquid density (kg/m ) 70.8 125.0 Latent heat (kJ/kg) 443.0 20.4 3.17 12.5 Viscosity (μPa•s) Enthalpy dif. b/w 300 K & B.T. (kJ/kg) 3510 1541 2. 液体水素と超伝導の収斂 液体水素冷却超伝導を語るとき、平林先生は「相乗 効果」ではなく、好んで「収斂」 （convergence）という 言葉を使われた。辞書を参照すると、生物学的に異な る進化をしてきたものが融合していくことを言う。超 伝導技術と液体水素技術は別個に進歩してきたが、そ れが如何に収斂していくのかを論じてみる。 2. 1 超伝導機器普及の現状 超伝導応用技術は、NbTi や Nb3Sn を素線にした優れ た線材が開発されたことで、強磁場応用の分野では不 可欠な存在となっている。またビスマス系を主に高温 超伝導線材の開発も進み、それを用いた強磁場発生装 置も稼動している(1)。 これらは、超伝導素線の持つ高電流密度特性を電磁 石に応用したものであるが、根本は抵抗ゼロで通電に よる発熱の除去を考えなくてよい電磁石が設計できる ことにある。一方で、低温保持のためには、真空断熱 容器（クライオスタット）に電磁石を収納し、極低温 の冷媒を供給しなければならず、装置としての集積度 を落とし、エネルギー効率を押し下げている。幸い強 磁場応用の分野ではライバルがいないので、これらの CM09-06 デメリットは超伝導普及の足枷にはなっていない。 一方、超高圧送電やバッテリー、フライホイルなど のライバルが存在し、装置全体でエネルギー効率や体 積効率、重量効率を考慮される超伝導応用、例えば送 電ケーブル、電力貯蔵、超伝導発電機などは、技術的 課題はおおむね克服されているものの、実機への適用 は見送られているのが実情である。 2.2 液体水素応用技術 水素エネルギー応用技術の歴史は長く、古くはエネ ルギーセキュリティの観点から、近年は温暖化防止の 観点からその普及が検討されてきた。近年は燃料電池 の開発が進み、それを用いた直接電力変換が容易にな り、Fig 1 に示すように、2 次エネルギーとして電力を 補完する媒体としての役割が期待されている。一方で、 水素の製造、貯蔵、消費（動力や電力への変換）とい う一連の流れの総合コストは、化石燃料のそれを下回 ることはなく、地球温暖化問題が顕在化するまでは実 社会での普及は図られなかったし、追風があるとして も水素エネルギー技術は常にエネルギー効率、集積率、 コストの評価にさらされている。 さらに水素の 1 形態である液体水素についてその現 状を簡単に述べる。 水素の貯蔵形態には，圧力容器，低温液化，吸蔵合 金などいくつかの方法があるが，液体水素は体積，重 量効率とも他の方法より優れる。従って一旦液化すれ ば、形態としては他のものより優れている。従ってロ ケット燃料など効率やコストを度外視できるものには 液体水素が使用されている。よくいわれるボイルオフ の問題は、蒸発ガスを電力変換して使用すれば、エネ ルギー効率的にはロスにはならない。 然しながら、液化効率 30％の現状は、エネルギー原 資がコストの安い自然エネルギーとしても、エネルギ ー効率上受け入れ難く、40～50％を目指した液化技術 が進められているが、現状では圧力容器方式や吸蔵合 金方式を凌駕するものではない。水素燃料車両を例に あげると、実車化されている車両のうち液体水素で充 填しているのは数例で、主は圧縮水素の状態で充填さ れている。 2.3 液体水素冷却超伝導装置 液体水素で超伝導機器を冷却する、このことでどの くらい効率があがるのだろうか？ 液体水素の持つ化学エネルギー密度は 7.8 GJ/m3 で 5 テスラの磁場空間の持つ 10MJ/m3 より、3 桁近く高く なる。これは、液体ヘリウムや液体窒素を使う場合、 単なる冷媒が充填されている体積が磁場よりはるかに 高いエネルギーを貯蔵する装置になることを意味する。 SMES や超伝導ケーブルのエネルギー密度すなわち体 積効率は液体水素で冷却することで飛躍的に高くなる。 また超伝導モーターとの組み合わせで、液体水素燃料 タンクは原動機となる。これも体積効率が重要視され る車載装置へ有利に働く。 逆に液体水素にとっても超伝導機器を冷却できるこ とが、他の貯蔵方法に勝る特徴になる。例えば水素か ら固体高分子型燃料電池を通して発電する場合、発電 開始まで数分かかるが、SMES と組み合わせることで 瞬時に対応できる電源となる(2)。 コストの視点から考察するが、装置の本当の原価と いうのはほとんど不明で、量産化によって大きく変動 するので、ここでは取り上げない。ここでは多少恣意 的な数字が混じっているが液体水素が燃料として決し てお話にならない媒体でないことを示す。 ガソリンの持つ化学エネルギーは 32GJ/m3 であり、 価格は 130 円/リットル（これが税金こみの恣意的な数 字）とする。ガソリンエンジン発電効率は 0.2 で、１ MJ 当たりのコストは 20.3 円となる。 液体水素の製造原 価は 1 リットル当たり 70 円程度 （50 円という予測もあ る）で、燃料電池発電効率が 0.4 程度なので、１MJ 当 たりのコストは 22.4 円とガソリンのそれとほぼ同等に なる。 以上述べてきたように、液体水素技術と超伝導技術 は、効率、コストの視点に立てば自ずと複合化する。 すなわち独自の技術開発が進められてきた両者は収斂 していく。 おわりに 「低温工学として、液体水素と超伝導で地球環境に貢 献する。」が、故平林先生の 2001 年以来言われ続けた遺 言で、どういう形（装置）でそれを実現していくか、常に心 に留めておきたい。 文献 (1) 花井他； 「18T 無冷媒超伝導マグネットの開発」 、第 73 回 2005 年度秋季低温工学･超電導学会 予稿集、p.248. (2) 槙田 康博*, 野村 新一，新冨 孝和； 「液体水素冷却SMES と燃料 電池で構成する非常用電源」 、低温工学、Vol. 43, No.10（2008 年10 月 号）pp. 437～441. nd Figure 1. Hydrogen functions as 2 energy.
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