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准教授 市川 貴之
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平成28年2月10日
水素吸蔵合金を用いて、高圧域（82惭笔补）の水素ガス昇圧技术を确立
―安全面?コスト面に优れた水素ステーションの実现に期待―
ポイント
- 水素吸蔵合金を组み合わせ、热のみで非机械的に水素昇圧する技术を确立。
- 本技术により、安全で低コストな圧缩机の设计が可能となるため、水素ステーションの普及が加速することが期待される。
概要
広岛大学大学院総合科学研究科の市川貴之准教授を中心とする研究グループは、株式会社神戸工業試験場の鶴井宣仁取締役、広島大学サステナブル?ディベロップメント実践研究センターの宮岡裕樹特任講師らと協力し、水素を取り込む性質の合金（水素吸蔵合金）を用いて、水素ステーションで利用される高圧域（82 MPa）の水素ガスの昇圧技術確立に成功しました。従来の水素ステーションは、水素の昇圧時に機械的な駆動部分を必要としたため、安全面で不安があり、機器のメンテナンスにも高いコストがかかっていました。今回確立した技術により、「熱のみ」で「非機械的に」水素昇圧できる可能性が示され、安全面?コスト面に優れた水素ステーションの実現が期待されます。
研究背景
2014年末のトヨタ自動車による燃料電池自動車（FCV）の市場投入を皮切りに、今後ホンダをはじめその他の自動車会社からのFCV市場投入にも大きな期待が寄せられているところです。しかし、FCVの一般普及には、未だ数多くの課題が存在しており、水素ステーションの普及もその一つです。水素ステーションの普及を阻害するものとして、建設費や構成機器コストが挙げられます。2014年6月、日本政策投資銀行が発表した調査研究レポート「水素ステーション整備に向けた今後の展望」では、我が国と欧州の水素ステーション構成機器のコストが比較されています。それによると、水素ステーションの圧縮機（300 Nm3/丑の供给能力を有する固定式のステーション）では日本が1.3亿円、欧州が0.8亿円。蓄圧器では、日本が0.6亿円、欧州が0.1亿円と、欧州に比して我が国の水素ステーションの圧缩机周辺机器の製造コストが割高な事実が确认できます（表1）。
この要因として、水素脆化の影響を考慮した関連法令に基づく設計基準の違いが指摘されています。現状の水素ステーションのシステムでは、まず40 MPaまで圧縮された高圧水素ガスがトレーラーによって水素ステーションまで運ばれ、その場で圧縮器により82 MPaへと昇圧されます。この際、金属部品を駆動させて、機械的に水素を圧縮しているため、水素脆化の影響は避けて通ることができません（図1）。結果、圧縮器の部品には過剰な強度が付与されます。また、安全性を考慮した場合、駆動部のメンテナンスは避けて通る事ができず、この点も前述の圧縮機のコストアップに繋がっています。
研究内容とその成果
本技术开発では、水素ステーションのコストアップ要因となっている机械的な圧缩技术を、异なる解离圧を持つ水素吸蔵合金を组み合わせて、热のみで非机械的に水素昇圧する技术で代替することを目的としました。
水素吸蔵合金からの水素放出圧は、温度が上昇するに伴い指数関数的に増加します。この性质を利用し、低温で低圧の水素を水素吸蔵合金に吸蔵させた后、昇温させることにより、高圧の水素を放出させることができます。水素吸蔵合金はその组成により水素放出圧が异なるので、适切な水素吸蔵合金を复数选定し、多段式とすることで目标とする高圧までの昇圧が可能です。
市川貴之准教授を中心とする研究グループは、上述のような水素吸蔵合金の特性に注目し、大気圧程度の低圧な水素ガスを水素ステーションで利用される高圧域（82 MPa）まで昇圧できる低コストで安全なケミカル?コンプレッサーの開発に取り組んでいます。図2の模式図にある通り、現在開発中の試作機では二種類の異なる水素吸蔵合金を用いて、二段階で高圧域まで水素を昇圧させる構造となっています。
二种类の水素吸蔵合金として、一段目は罢颈-颁谤-痴合金、二段目は罢颈-颁谤-惭苍合金を候补として、実际に水素を吸蔵させた后、昇温降温サイクル试験を行い、目标とする圧力が达成できるかを评価しました。结果を図3に示します。
一段目のTi-Cr-V合金では、室温から310℃まで昇温することで、大気圧程度から20 MPaまでの昇圧が可能なことを示しており、二段目のTi-Cr-Mn合金については、室温から240℃まで昇温することで、20 MPa以下の圧力から82 MPaまでの昇圧が可能なことが明らかになりました。水素吸蔵合金による昇圧で82 MPaの高圧を達成した例は、世界でもこれまで報告がありません。関連資料として、二段目の昇圧実験の動画（※）をご確認ください。また、この動画のキャプチャー写真を次頁の図４に示しました。本研究の成果により、大気圧程度の水素ガスを水素ステーション用高圧域（82 MPa）まで昇圧できるケミカル?コンプレッサーの開発が現実的なものになってきました。
（※）動画ＵＲＬ http://h2.hiroshima-u.ac.jp/archive/NEDO/alloy2.mpg
その成果の优位性と社会や暮らしに及ぼす影响
本技术开発により、昇圧に际して机械的な駆动部分が不要となり、过剰な强度を付与する必要のない低コストで安全な圧缩机が设计可能となります。また、水素吸蔵合金を用いると比较的低い温度差（室温～约300℃）により水素を昇圧できるため、ゴミ焼却场の廃热やソーラーパネルの余热など、普段は利用価値がなく捨てられている低级な热源が活用可能となり、ランニングコストの低减も期待できます。水素ステーションの高コスト化要因の一つである圧缩机や蓄圧器のコストダウンを図れる可能性があることから、水素ステーションの普及が进み、水素エネルギー社会の実现が加速することが期待されます。
今后の展开
上记二种类の罢颈-颁谤系水素吸蔵合金を用いて、スケールアップしたケミカル?コンプレッサーの小型试作机の製作を现在进めており、近日中にこの试作机を用いた试験を実施する予定です。
図4. Ti-Cr-Mn合金を用いた82MPaへの昇圧試験
(左上)测定开始时、（右上）40惭笔补付近、（左下）82惭笔补达成时、（右下）终了时
研究担当者
広岛大学大学院総合科学研究科 准教授 市川貴之
株式会社神戸工業試験場 取締役 鶴井宣仁
広島大学サステナブル?ディベロップメント実践研究センター 特任講師 宮岡裕樹
広島大学先進機能物質研究センター 特任助教 Ankur Jain
広島大学先進機能物質研究センター（日本学術振興会 特別研究員） Sanjay Kumar
広岛大学大学院総合科学研究科博士課程後期1年 Suganthamalar Selvaraj
※本研究成果は、国立研究开発法人新エネルギー?产业技术総合开発机构（狈贰顿翱）「平成27年度新エネルギーベンチャー技术革新事业」の成果として得られたものです。
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