水素経済は実現するか？

エネルギーと自動車の未来展望
水素経済は実現するか？
2014/2/18:本郷台プラット栄
2014/12/5: かながわ県民センター1502号室
2016/8/10改訂
青木一三
分散発電用燃料電池
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PAFC; Phosphoric acid fuel cells (水素変換効率86%、水素燃料電池効率42%、メタン燃料効率36%)
– 富士電機100kWのセル単価650yen/W、
PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cel(水素変換効率86%、水素燃料電池効率、エネファーム＝45%（トヨ
タFCV＝60%）、メタンLHV燃料総合効率、エネファーム＝39%（トヨタFCV＝51.6%）フッ素系の高分子材
料電解質膜中をプロトンが拡散、電極は炭素微粒子でこれに白金、ルテニウム触媒を担持
– パナソニック/TGの都市ガス燃料＋改質、燃料電池、0.75kW 出力でのセル単価2,660yen/W
– 都市ガス向け燃料電池熱併給システム（エネファーム）を補助金で2015年までに14万台普及
SOFC; Solid Oxide Fuel Cell（燃料極上で改質が行われるので水素変換不用。酸素イオンが電解質中
を拡散する。都市ガスベース運転温度950℃、小型分散発電総合効率45%、大型の総合効率60%）
– JX日鉱日石、SOFC 0.7kW 出力のセル単価は3,860yen/W 2011年販売開始、2014/10製造中止
– 東芝/TG、SOFC、0.7kW、セル単価4,285yen/W
– BlueGenのセル単価は2,400yen/W
– Bloom Energyの固体酸化物（SOFC）、都市ガス燃料、100kW出力のセル単価640yen/W
– Redox Power Systemsの固体酸化物（SOFC）、都市ガス燃料、運転温度350-650℃ 25kW出力
の予定セル単価100yen/W (2014年末発売予定)。もしこれが実現すれば水素を必要とするPEFC
は駆逐され都市ガス燃料のオフグリッド、マイクログリッドが可能となる
エネファームの改質器
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改質反応 CH4＋H2O → 3H2＋CO
吸熱
– 都市ガスに水を反応させて水素と一酸化炭素に分解
– 水は燃料電池排ガスの凝縮水をリサイクル利用
CO変成（シフト）反応 CO＋H2O → H2＋CO2
発熱
– 一酸化炭素を1％以下まで除去する
選択酸化反応 CO＋1／2O2 → CO2
発熱
– 微量残った一酸化炭素をppmレベルまで除去する
出口組成
– H2: 75%
– CO2: 20%
– N2:
3%
– CH4: 2%
– CO: 10ppm
改質反応器は4重管型
変換技術のエネルギー転換効率
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LNG/天然ガス：95% 天然ガスを液化して液化天然ガスにする
電解水素/電力: 76% 水の電気分解で水素を作る
800℃高温電解水素/電力: 95.7%(高温ガス炉) 、93.7%（内部熱回収）水
水素/メタン：80-86%
メタンの水蒸気改質で水素を作る
水素/炭素（褐炭）＋水：65% 褐炭の部分酸化とシフト反応で水素を作る
液体アンモニア/メタン：81.4% メタンの空気での部分酸化とシフト反応の合成ガスアンモニア合成
液体アンモニア/電解水素：75.1%
電解水素ガスと空気分離窒素ガスから冷凍アンモニア合成
ディーゼル油/電解水素：75.1% 電解水素ガスと二酸化炭素からディーゼル油合成 Audi
液体水素/水素：61%
水素を二段膨張タービンサイクルで冷却液化
圧縮水素/水素またはCNG/LNG：90% 水素ガスのボンベ詰め、またはLNGのボンベ詰
水素/アンモニア：95.7% アンモニアの燃焼熱で650℃で熱分解した水素・窒素混合ガス
水素/水素(非熱回収型有機ケミカルハイドライド):67% トルエンを水添して輸送し、消費地で脱水素
水素/水素(熱回収型有機ケミカルハイドライド):79% 同上、ただし水添熱熱回収
圧縮比が膨張比よりミラー・エンジンを使うハイブリッド車：34%→40% (EGR 排ガス再循環率21%から28%)
大型過給機付高圧縮ディーゼル・エンジン：47%
Gas engine：Honda 163cc 22.5%、MHI 1MW希薄燃焼ミラーサイクル42.3%
Micro gasturbine(Capstone C65)：29%
二次電池電力回収率：85% モーター効率：95% EV総合効率：80%
コモンレール・インジェクション水素燃料エンジン：50%
BTG発電：42%
boiler turbine generator
石炭ガス化発電IGCC：48% (1,200℃級GT)
LNG燃料コンバインド発電：60% (1,500℃級GT)
LNG燃料SOFCトリプル・コンバインドサイクル発電：70% (1,500℃級GT)
水素燃料PEFC燃料電池：エネファーム42%、トヨタFCV60%
LNG燃料SOFC燃料電池：大型50%、小型45%
総合エネルギー転換効率
資源→自動車
Natural
Resources
Bcoal
NG
NG
NG
NG
NG
•
•
•
•
Well to Wheel
Efficiency
13.0
Bcoal→H2（65%）、H2→LH2(61%)、LH2→CH2（90%）、CH2→PEFC（36%）
NG→LNG（95%）、LNG→combined cycle(60%)、Grid(95%)、Grid→EV（80%）
43.3
NG→LNG（95%）、LNG→CNG(90%)、CNG→HV（38%）
33.0
22.0
NG→H2（86%）、H2→Chemhallide→H2(79%)、H2→CH2（90%）、CH2→PEFC（36%）
25.0
NG→NH4（81.4%）、NH4→2H2+1/2N2(95.7%)、H2→CH2（90%）、CH2→PEFC（36%）
30.9
NG→NH4（81.4%）、NH4→HV（38%）
Conversion & Transportation process
EV車が最高総合効率
CNG車が2位 天然ガス由来アンモニア燃料HVが3位、天然ガス由来アンモニア熱分解水素を使うFCVが4位
ケミカルハライド水素使うFCVが5位
液体水素で輸送する水素を圧縮した水素燃料を使うFCVが最も効率が悪い
資源→電力
Natural
Resorces
NG
NG
CSP power
CSP power
•
•
Conversion & Transportation process
NG→LNG（95%）、LNG→SOFC triple combined cycle(70%)
NG→H2（86%）、H2→Chemhallide→H2(79%)、H2→SOFC triple C.C.(70%)
CSP power→H2（76%）、H2→Chemhallide→H2(79%)、H2→SOFC triple C.C.(70%)
CSP power→H2（76%）、H2→NH4(75.1%)、H2→SOFC triple C.C.(70%)
LNG燃料を燃すSOFC triple combined cycleが一番天然ガス資源の温存に適している
CSP発電電力の有効利用という面ではアンモニア化が一番総合効率が高い
Well to Grid
Efficiency
67
48
42
57
燃料電池の分散発電単価（メタン燃料）
Type of Fuel Cell
-
PAFC
PEFC
PEFC
SODC
Developper
-
Fuji
Panasonic
Toyota
Toshiba
construction cost
2660
60
4285
Energy
Power Sys.
640
100
year
8
8
8
8
8
8
cell size
kW
100
0.75
114
0.75
100
25
yen/W
0
0
0
0
0
0
efficiency
%
36
39
51.6
45
45
45
internal consumption
availability
%
%
0
30
0
30
0
30
0
30
0
30
0
30
100
2628
100
2628
100
2628
100
2628
100
2628
100
2628
17.75
4.05
17.75
289.42
17.75
43.23
17.75
6.75
load factor
annual power generated
•
•
650
SODC
Redox
cell life
demolishing cost
•
•
•
yen/W
SODC
Bloom
%
kWh/y
(revenue-fuel cost)/equity
(revenue-fuel cost)/power generated
%/y
yen/kWh
17.75
43.90
17.75
179.66
fuel price
yen/kWh
11.91
11.91
11.91
11.91
11.91
11.91
fuel cost/power generated
yen/kWh
33.08
30.54
23.08
26.47
26.47
26.47
power cost
yen/kWh
76.99
210.20
27.13
315.88
69.69
33.22
PEFCエネファームは熱併給にしても補助金なしには競争力はない
東芝のSOFCはPEFCにも劣り、日石は撤退
トヨタのFCVの114kWの燃料電池以外の車体価格がHV車と同じ250万円とすれば燃料電池は470万円
となり、燃料料電池の単価は41.2yen/Wとなる。スケールダウンすると単価があがるので、都市ガスで
分散発電する20軒向けのマイクログリッドを構築するとしよう。これに改質器を加えて60yen/Wとなり、8
年間使えるとするとしても電力料金が27yen/kWhとなり、グリッドの30yen/kWhに対抗できる
トヨタは燃料電池特許を2015年無償供与すると発表
Redox Power Sysの100yen/Wの25kW SOFCで5軒向けマイクログリッドはぎりぎり
メタン燃料SOFC燃料電池によるオフグリッド発電
140.00
SOFC セル発電単価
• 都市ガス燃料の価格上
昇のため、燃料電池建
設費が100yen/Wに下
がったところで、都市ガ
SOFC
スコストの上昇のため、
gas engine
PVのようにグリッド電力
zero nuke in 2030
とクロスオーバーしない
zero nuke in 2060 • ただ熱併給すれば燃料
電池オフグリッド発電が
zero nuke in 2090
パリティ達成可能かも
（点線）
120.00
yen/kWh
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
1980
2000
2020
2040
year
2060
2080
•
•
•
2100
熱効率45%
稼働率30%
直流家電
3000
2500
2000
SOFC
1500
gas engine
1000
500
0
1,980
2,000
2,020
2,040
2,060
2,080
2,100
SOFC セル製造単価
•
Redox Power Systems
が成功する前提
•
セル単価 yen/W
各種自動車燃料とSS比較
Gasoline HV
Conventioal car
灯油
Diesel
Autogas（LPG）
Price of registered driving car/ss fuel number
fuel price
fuel price fuel price
sedan
number distance ratio press. of S.S
Myen
km
MPa
yen/kWh yen/km
2,232,000 2,850,000
1,370
82
0 34,700 160yen/liter
18.1
5.3
2,000,000 48,000,000
1,000 1,383
0 34,700 160yen/liter
18.1
13.3
1,000
0
1,800y/18liter
9.1
13,000,000
1,000
351
0 37,000 110yen/liter
10.0
2,500,000
240,000
1,000
126
0.1
1,900 100yen/liter
13.3
9.8
Home LPG
NGV (CNG)
都市ガス13A圧縮CNG
FCV(hydrogen)
Methanol
EV
CIF Ammonia from NG
0.1
2,500,000
43,600
7,236,000
2,000,000
2,000,000
3,600,000
17
76,000
-
330yen/Nm 3
11.1
145
20
300 71-85yen/Nm 3
7.7
5.7
650 2,000
20
70
130yen/Nm 3
1,000 86.7yen/Nm 3
50yen/liter
6,000
400$/ton
11.8
24.6
7.2
9.8
30
6.46
8.8
4.8
700
0
230
13
0.1
CIF Ammonia from CSP
0.1
1,300$/ton
21.0
•
内ガソリン税（53.8yen/liter）、LPG税（9.8yen/liter、17.5yen/kg）を含む。CNG 水素はゼロ
•
LPG車がタクシー以外に広がらず24万台にとどまるのは燃料系の追加コストで車体価格が上昇すること、サービス・
ステーションの数が1,900ヶ所しかなく、LPG税があるため
•
税金がなく、価格がガソリンの半分にもかかわらず、CNGがなかなか普及しないのはボンベの最大充填圧が20MPa
の規制で車体価格が高止まりであるためとサ−ビス・ステーションの数が700しか無いこと
•
都市ガスを家庭用圧縮機で圧縮するCNGが普及しないのはガス事業法の規制対象で下がらないため
•
EV・PHV・PHEV車の充電スポットは6,000ヶ所でもなかなか普及しないのは車体価格とバッテリー交換費が高い
•
FCVは（補助金を考えても）車体価格が高く、化石燃料より製造する水素価格は無税でも86.7yen/Nm3 =
24.6yen/kWh = 7.2yen/km = 1023yen/kgでガソリンより割高。くわえてサービス・ステーションの数が少ない
プラグイン・ハイブリッド車
自宅に充電ポストをもつプラグインハイブリッド車
ハイブリッド車
•
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高効率のミ ラー・エンジンを定格で稼働させ、回生エネルギーを200Vリチウム・イオン・バッテリーに回収し、エンジ
ンとモーターを高効率な出力配分で走行する「スプリット方式」またはストロングHEV技術が成功し290万台普及
「パラレル方式」で大手町を走るハイブリッドバス（日野、イスズ）に採用、エンジンは190kW直噴ディーゼル、バッテ
リーは屋根前方、後方は電動空調機。燃費4.9km/kiter 3,000万円
Audi、Volkswagen、Daimler、BMWなどのドイツ自動車メーカーは、CO2排出量95g/kmを48Vという低電圧「パラレル
方式」またの名を「マイルドハイブリッドシステム」で達成しようとしている。これは発展途上国向けにも可能
LPG燃料車
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2011年の世界におけるLPG自動車の普及台数はガソリン代金が高いため2,100万台と多く、ほとんど
自家用。しかし日本ではメーカーがタクシー向けにしか販売しないので24万台どまり
オートガス価格は13.3yen/kWhとガソリンの18.1yen/kWhと安いがタクシー相手なので日本での給油ス
テーションは1900ヶ所しかない
CIF価格6.5yen/kWhの天然ガス由来アンモニア燃料はそのままLPG車に使える
アンモニア燃料は臭気のため社会が受容しにくいのでまずタクシー、バス、トラック業界に
給油ホースのコネクター脱着時に漏れる匂いをコネクターにビルトインした円弧状の空気吸入口から
匂いを空気毎吸引し、触媒燃焼後大気放出することで防げる。
NGV（CNG）
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天然資源をそのまま販売するCNGは本来安いはずだが、ガス事業の総括原価方式規制のため、高価。
アルミ/C-FRP製ボンベは法規制で20MPa止まり
水素自動車の水素ボンベはCrMo鋼製70MPaと特別緩和したにもかかわらず恣意的非対称規制のま
ま
天然ガス自動車（NGVまたはCNG車）
•
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NGVは実用化されて久しくトラック中心に43,600台普及。7.7yen/kWhとガソリンの18.1yen/kWhの半分
以下なのだが、全国に3万7000か所あるガソリンスタンドに比べ300ヶ所と遠く及ばないためあまり普及
しない
ホンダは米国でCivic GXを家庭用充填機と一緒に販売している。8時間でCivic GXが約100マイル（約
160km）を走行できる天然ガスを車両に充填できる。日本でもガス会社が販売しているが売れない。
NGV向けCNGステーション
千住
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都庁
千住
高圧ガス保安法の規制により保安監督者の配置が必要。エコステーション認定充填所は全国で約270
か所、事業者が独自に設置した充填所を含めると300か所を超える。
4万弱あるガソリンスタンドに遠く及ばない。
藤沢
水素自動車（FCV）
PEFC燃料電池
<114kW
10-30yen/W
70MPa高圧水素タン
ク>500km
モーターと
パワーコント
ロールユニット
21kWニッケル水素電池
リチウム・イオン電池
回生エネルギー貯蔵
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研究助成を受けたトヨタやホンダは2014年末にも高圧タンク充填高純度水素ガス燃料のPEFC燃料電
池搭載のFCVを720万円で市販開始予定。政府はガソリン車との価格差の200万円(＋オリンピックの目
玉として東京都100万円)を補助する
燃料電池以外の車体価格がHV車と同じ250万円とすれば燃料電池は470万円となり、燃料電池の単価
は41.2yen/Wとなる。エネファームのリフーマー付き燃料電池2660yen/Wの半分の1330yen/Wが燃料電
池としても単価はエネファームの3%という驚きの数値
MEA（膜/電極接合体）劣化の仕組みを解析し、MEAの劣化につながる過電流や過電圧を高精度に制
御し乗用車としての目標である20万km（5000時間）の寿命を確保。ＦＣから水排出する配管内水素濃度
の上限を4%とし、4%に達すると水素の注入を遮断し爆発を防ぐ仕組みを義務付ける。容器の圧力サイ
クル上限2.2万回
高圧水素タンク
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水素に関してはANSI/CSA HPRD 1 and EIHP Rev. 12b. タンクの火災対策に関する国際規格に関してはCSA B51
Part 2, JARI S001, SAE TIR J2579, ANSI/CSA HGV 2, ISO DIS 15869.2 and EIHP Rev. (draft ISO standard for
hydrogen fuel tanks)いずれも国際的には直ぐ規格にせずドラフトとし技術標準として実績を積み上げることが合意
燃料チャージ中にタンク内温度が85℃以上にならないという要求もある
2014年5月中に車に積む水素燃料タンクの規制をゆるめ、最高圧を７００気圧にして１回の充填で走れる距離を今より
2割長くした。2016年には安全審査を国際基準にそろえ、日本製の燃料電池車を海外に輸出しやすくする
トヨタは2014年中にFCV市販開始。国内400台、米国3000台
FCVの革新は700気圧の高圧タンクにあり。CNGは未だに200気圧止まり
水素漏れを防止するライナー（タンクの最も内側の層）に、強度が高く水素透過防止性能に優れたポリアミド（PA)系樹
脂、タンクの外側はカーボンファイバー層
ホンダ(高圧タンク)は2015年、日産(高圧タンク)は2017年に販売予定だがダイムラー、BMW（液体水素）、GM、フォード
は日和見。ただダイムラーはバスに関しては2020年に日本市場に投入。高圧タンク方式か？
FCVコストダウンの方策
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燃料電池スタックと水素タンクはFCV向けの専用品、それ以外はハイブリッド車などと共通化すること
で、コストを削減する。
燃料電池スタックについては、発電セルの出力密度が面積当たりで2∼2.5倍に高まっている。その結
果、材料にかかるコストを半減できる。さらに、非常に高コストとされる白金（Pt）触媒に使うPtの使用
量を、当初の1/5程度まで削減。
高コストの水素タンクは炭素繊維強化樹脂（CFRP）をぐるぐる巻きにするので、現状は非常に高い部
品の一。水素タンクを内製して、材料の見直しや製造方法の改善によってコスト低減を進めている。
将来的には水素タンクのコストを当初の1/2∼1/3にできるとみている。
ただガソリン車は走行中にのみ摩擦などで劣化するのに対し、FCVは停止しているときにも劣化が進
行する。
Hydrogen Cylinder Rupture Testing
Burner below Type 4 cylinder w/o PRD
Type 4 found 82 m away
Zalosh and Weyandt
Fire 9 minutes after ignition under hydrogen cylinder
Type 3 found about 41 m away
千代田化工建設の有機ケミカルハイドライド
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メチルシクロヘキサンへの触媒を使う水素化反応は発熱反応でエネルギー転換率は69.1%
• Toluene+3H2→Methylcyclohexane + 205kJ/mol
触媒を使う脱水素反応は吸熱反応でエネルギー転換率は72.1%
• Methylcyclohexane→Toluene+3H2- 205kJ/mol
循環中に蓄積するガムは精製除去
LNG化に適さない小規模天然ガス（4$/MMbtu=3.8$/GJ）を水素（10$/GJ）にして有機ケミカルハイドラ
イド法にして輸送すると日本着15$/GJとなる。これを27.8$/GJ = 29.3$/MMbtu = 30￠/Nm3=10￠/kWh
で下流に供給できれば70MPaボンベ渡しで86.7yen/Nm3＝1023yen/kg=24.6yen/kWhとなる
岩谷は70MPaボンベ渡しで1,100yen/kgまたは10yen/kmとしている。
日石も1,000yen/kgで販売としている
発電用のLNGは16-18$/Mmbtu（米国産は12$/Mmbtu）火力発電燃料としては水素は割高
an ostrich policy
頭隠して尻隠さず
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水素は資源ではなく、電力と同じ二次エネルギーである。風力や太陽光のような再生可能エネルギー
から製造されればサステナブルエネルギーとなりうる。しかし現時点では褐炭や天然ガス、LPG、ナフ
サなどの化石燃料から改質反応で変換したものを使おうとしている。二酸化炭素は回収隔離する
温暖化しなくとも化石燃料をかえって早く枯渇させることになる。そういう意味でサステナブルエネル
ギーとはいえない。まさに砂に頭を突っこんで現実逃避しようとするダチョウの習性とそっくりだ。こうい
うわけで世界は日本の水素エネルギー推進政策はan ostrich policyだと思うだろう
日産リーフに搭載している電池の性能を2倍にすれば、航続距離も2倍になるが150kgの重量が増え
る。この重量増の範囲内で5kWの出力を持つエタノール改質型のSOFC燃 料電池で充電しながら。5時
間稼働させると25kWhの電力を作れる。この電力だけで170kmくらい走れる。最初に搭載している電池
で150km。走りながら発電させた分で170kmの合計320km走れる。 クルマを動かさなければ、燃料電池
を使い4時間程度でフル充電可。これが成功すれば水素しかつかえないトヨタのPEFCは駆逐される