安全に水分解、海水も利用

カーボンニュートラル（ＣＮ、温室効果ガス排出量実質ゼロ）の実現に向け、大規模な水素供給が求められている。水素の製造法は３種に大別される。福島水素エネルギー研究フィールド（ＦＨ２Ｒ）のように太陽電池と水電解装置を組み合わせる方式と光電気化学反応を利用する方式、水分解光触媒を用いた方式があり、競い合うように技術を開発してきた。

光触媒方式に求められるのは圧倒的なコスト競争力だ。触媒の粉末に水をかけて光を当てれば水素が発生するため、装置が単純で安価に供給できると期待されてきた。新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の人工光合成プロジェクトでも「破壊的に安価なグリーン水素製造」が掲げられている。

経済産業省とＮＥＤＯは２０１２―２１年の１０年間で約１５０億円を投じ、人工光合成技術を育ててきた。参加した研究者の総数は約１５０人。信州大学の堂免一成特別特任教授らが光触媒を開発し、三菱ケミカルがシステム設計などを担った。現在は経産省・ＮＥＤＯのグリーンイノベーション（ＧＩ）基金事業で三菱ケミカルが事業化を進めている。

光触媒方式では水素と酸素の混合ガスが得られる。ガスを水素と酸素に分離するプロセスや消炎対策などが必要になる。そこで水素分離には膜分離方式を採用した。水素分子の大きさは２・９オングストローム（オングストロームは１００億分の１メートル）で酸素分子は３・４オングストローム。この差を利用して分子をふるいにかける。分離膜はセラミックやゼオライト、シリカ膜、炭素膜などを検証した。水素ガス中の酸素を４％未満に減らせれば爆発しない。条件を限定すれば水素濃度９６％以上、水素回収率９０％が見えている。

安全対策は配管に接続して組み込める消炎ユニットを開発した。さらに分離膜ユニットでの爆発実験を繰り返し、爆発させても分離膜性能に異常がないことを確認した。堂免教授は「火を付けないことが大前提。だが仮に着火したとしても壊れないシステムを開発できた」と説明する。安全研究の専門家らが開発を支えた。

水素の原料となる水の供給可能性も検証された。水素を大規模製造するとなると海水や河川水が原料となる。ただ遷移金属イオンや塩素、有機物などの不純物が含まれるため、そのままは利用できない。淡水化の工程が必要になる。

そこで蒸留水と海水淡水化水を検証したところ、光触媒の活性は変わらなかった。材料メーカーの試算では海水淡水化水のコストは水１トン当たり１ドル未満。５０年の水素目標価格の１ノルマル立方メートル２０円においても淡水化コストは０・４％程度になった。堂免教授は「実用化されている淡水化技術で十分」と断言する。

また水分解パネルは太陽電池パネルよりも簡素な構成で作れる。堂免教授は「アイデア次第で非常に安い水分解パネルを構築できる」という。将来、瀬戸内海などの波の静かな内海にパネルを浮かべて水素を生産する風景が日常になるかもしれない。

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