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アンモニア分解ガスから燃料電池自動車の燃料水素を高効率で回収する水素精製装置を開発【大陽日酸】
2018年10月11日
アンモニア分解ガスから燃料電池自動車の燃料水素を 高効率で回収する水素精製装置を開発
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＜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（NH3) 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＞
アンモニア水素ステーション基盤技術では、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。このシステムは、 図 3 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。 大陽日酸では、アンモニア分解・高純度水素供給システムの中の水素精製装置の研究開 発を担当しており、2016 年度には高純度水素発生量 1.05Nm3/h（アンモニア分解原料ガス 2Nm3/h（75％水素＋25％窒素））のラボスケールの水素精製装置を開発しました。
＜研究の内容＞
大陽日酸㈱では、窒素などの不純物を除去する水素精製装置の研究開発を発展させ、従 来の装置では水素回収率が 70%であったものを、初めて 90%まで向上させることができま した。これにより同規模の水素精製装置で、水素発生量を約 3 割多く取り出すことが可能 になり（1.05Nm3/h を 1.35Nm3/h に改善）、アンモニアから水素を取り出すエネルギー効率 は 78%から 82%に向上しました。この成果に伴い水素製造コストの低減が期待できます。
これは、以前の 2 塔式の VPSA（真空再生型圧力変動吸着）式精製装置を 4 塔式に変更 し、再生工程におけるガスの流れをコントロールすることによって、排気されていた水素 ガス量を減少させることにより達成されました。また、VPSA 式精製装置の排気ガスの流 れにも改良を加え、変動の大きかった排気ガスの流量や水素濃度の変化を一定にすること にも成功し、触媒燃焼させることでアンモニアの分解反応熱に利用できるようになりまし た。 アンモニアの分解反応は、吸熱反応のために反応熱の供給が必要ですが、従来であれば 都市ガスや LPG ガスの燃焼により熱供給をしていました。今回の研究開発により、精製装 置の排気ガスを燃焼ガスに使うことが可能になり、エネルギー効率を上げることができる と共に、CO2 を排出しないアンモニア分解反応が可能になりました。 今回研究開発された上述の新技術を組み入れたパイロット装置（アンモニア分解原料ガ ス 20Nm3/h（75％水素＋25％窒素）、高純度水素 13.5Nm3/h）を製作して実証試験に成功し （図 1,2）、実用規模の 300～1,000Nm3/h 水素精製装置の製作に目途を付けることができま した。
＜今後の予定＞
今回開発された水素精製装置は、「アンモニア水素ステーション基盤技術」チームの他 機関での開発成果であるアンモニア分解装置やアンモニア除去装置、熱供給装置と連結さ せることにより、アンモニアから直接高純度水素を発生させることが可能となります（図 3）。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 CO2 削減に大きく貢献することになります。
図１．水素精製装置の概観
図２．水素精製装置のフローシートの一例
図３．アンモニア水素ステーションの概念図
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) 水素回収率（水素精製効率）：高純度水素量/アンモニアに含まれる水素量。
注 3) エネルギー効率：アンモニア分解によって得られた高純度水素の燃焼エネルギー/
投 入アンモニアの燃焼エネルギー。
注 4) 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 5) 4 塔式の圧力変動吸着法：圧力変動吸着法（Pressure Swing Adsorption 法：PSA 法と略す）
とは、精製するガスを高い圧力で吸着剤に接触させることで不純物を 選択的に吸着除去して
ガスを精製し、不純物を吸着した吸着剤は圧力を下げ ることで不純物を脱離させることで
再利用する方法である。この精製工程と 脱離工程を交互に繰り返すことで、
連続的なガスの精製が可能となる。この PSA 法は 2 塔のシステムで可能であるが、
本開発では 4 塔式にしてガス流れを詳細にコントロールする事で高いガス回収率と
高純度化が達成できた。
＜お問い合わせ先＞
＜ＳＩＰの事業に関すること＞
内閣府政策統括官（科学技術・イノベーション担当）付エネルギー・環境グループ
〒100-8914 東京都千代田区永田町 1-6-1 中央合同庁舎第 8 号館 6 階
TEL：03-6257-1337 http://www8.cao.go.jp/cstp/gaiyo/sip/
＜アンモニア水素ステーション基盤技術に関すること＞
広島大学 自然科学研究支援開発センター 先進機能物質部門長・教授
〒739-8530 広島県東広島市鏡山 1-3-1
TEL：082-424-3904 FAX：082-424-5744 E-mail：kojimay@hiroshima-u.ac.jp
＜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 Ｋ’ｓ五番町
TEL：03‒3512‒3543 FAX：03‒3512‒3533 E-mail：sip_energycarrier@jst.go.jp
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