技術講座】水素の作り方

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技術講座】水素の製造方法：我が国の燃料電池インフラ整備は加速期に入り、燃料電池自動車の実用化に向けた準備が整いました。水素化インフラは、燃料電池の開発を保証する重要な要素です。水素の低コスト輸送も克服すべき重要な問題です。燃料電池自動車に適した高純度水素の供給源も重要な課題である。この記事では、主に燃料電池の必須材料である水素の製造プロセスを紹介し、さまざまな方法の長所と短所を分析および比較します。考えるべき質問: 1. 工業用水素製造の方法とその原理は何ですか?2. 各方法の長所と短所は何ですか?最適な適応状況とは何でしょうか?工業的な水素製造には多くの方法がありますが、それぞれに独自の利点と制限があります。従来の水素製造方法は、主に水の電気分解による水素製造と化石燃料からの水素製造です。水の電気分解による水素の製造は、多くのエネルギーを消費するだけでなく、コストもかかります。標準的な条件下では、水素1立方メートルあたりの消費電力は5.5kW・hにもなり、水素製造コストは高くなります。化石燃料を使用して水素を製造するには、外部からの高い反応熱が必要であり、その結果、化学エネルギーが大幅に損失され、温室効果ガス CO2 が排出されます。1. 多くの工業用水素製造方法 水素は重要な工業用原料や還元剤であるだけでなく、燃料電池に必要な燃料でもあります。成熟市場に入った燃料電池および燃料電池自動車の普及と普及に伴い、水素の消費量も驚くべき速度で増加すると予想されます。現在、工業的な水素製造にはいくつかの主要な方法があります。：一つは、化石燃料を使って水素を製造することです。；2つ目は、化学副生成物から水素を抽出することです。；3つ目は生物由来のメタノールやメタンを利用して水素を製造する方法、4つ目は太陽エネルギーや風力エネルギーなどの自然エネルギーを利用して水を電気分解する方法です。http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20170904/5eb591f0730542279a92d63ad0c09338.jpeg1.1化石燃料からの水素製造 化石燃料からの水素製造は、伝統的な水素製造方法であり、古い水素製造プロセスです。しかし、依然として化石燃料に依存しており、二酸化炭素などの温室効果ガスを排出しているため、燃料電池の環境価値が低下しています。水素の製造に一般的に使用される化石燃料は天然ガスです。天然ガスから水素を製造するプロセスは、：一定の圧力、一定の高温、および触媒の作用下で、アルカンと天然ガス中の水蒸気との間で化学反応が起こります。改質ガスは沸騰釜内で熱交換を受け、変換炉に入りCOをH2とCO2に変換します。熱交換、凝縮、蒸気と水の分離の後、ガスはプログラム制御の下で 3 種類の特定の吸着剤を備えた吸着塔を順番に通過します。 N2、CO、CH4、および CO2 は、圧力スイング吸着 (PSA) によって昇圧されて、生成物の水素が抽出されます。http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20170904/8dafbfe2fef94e6caeee6531b03f906d.jpeg1.2工業副産物からの水素製造 コークス炉ガス 水素製造技術は、圧力スイング吸着プロセスを使用して、コークス産業のコークス炉ガス副産物から純粋な水素を抽出します。基本原理は、固体吸着剤によるガス吸着の選択性と、分圧が低下すると吸着剤に吸着されるガス量が減少する特性を利用して、混合ガスの分離と吸着剤の再生を行い、水素精製の目的を達成するものである。1.3 メタノール改質による水素製造 メタノール水蒸気改質は、1980年代にカナダ、イギリス、オーストラリアなどの海外で登場した水素製造技術です。**この分野では多くの研究が行われてきました。広東和済徳エネルギー技術有限公司は、数十年にわたる徹底した研究の結果、水素製造プロセスが非常に成熟していることを発見しました。国内の小規模移動式メタノール水素製造のパイオニアです。この技術と燃料電池発電技術を高度に融合させ、新エネルギー自動車や通信基地局などへの応用に成功しています。応用の見通しは非常に良好です。http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20170904/2226443603dd464d88dbee2fe38314d3.jpeg1.4水の電気分解による水素の生成 水素は、従来の水の電気分解法によっても得ることができます。しかし、この方法はエネルギー消費が大きいため、既設のものを除いて新規設置はほとんどありません。2. さまざまな方法には、さまざまなニーズを満たすためにさまざまな長所と短所があります。上記の方法からわかるように、現在、工業的に水素を製造する方法は数多くあります。ただし、これらの方法には現時点では独自の利点と制限があるようです。天然ガスからの水素製造とコークス炉ガスからの水素製造は、どちらも大規模な水素製造に適していますが、原料の供給に制限があり、汚染の原因となります。環境保護の観点からは、コークス炉ガスからの水素製造はコークス化の副産物を利用しますが、汚染物質を除去することはできません。また、天然ガスからの水素製造は依然として化石燃料を原料として必要とします。対照的に、メタノール改質による水素製造は、低投資、迅速な建設、無公害という特徴を持っています。メタノールは原料としてより柔軟に使用できます。しかし、メタノール改質による水素製造は、大規模な水素製造を実現することが困難である。将来的に燃料電池が主要なエネルギー源となることを考慮すると、水素製造能力に対する要求は日に日に増加すると考えられます。このため、天然ガスやコークス炉ガスからの水素製造は化石原料への依存から脱却することが困難である。しかし、メタノールからの水素生成が燃料電池と高度に統合されると、水素を生成してすぐに使用できるようになり、水素の貯蔵、安全性、コストの問題を解決できます。http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20170904/2f4fc985d68d407c886035e94bbad008.jpeg経済的な観点から見ると、水素製造のコストは原材料のコストに大きく依存し、原材料の価格によって大きく変動します。現在の原料価格水準から判断すると、コークス炉ガスや天然ガスから水素を製造する方がコストは安くなりますが、燃料電池に利用する場合は、水素ステーションや水素タンク、輸送費などの追加費用が必要となります。水素を生成するメタノール改質は燃料電池と直接組み合わせることができるため、高価な水素補給ステーションや水素タンクを建設する必要がなくなります。非民間天然ガスの価格は現在、段階的に市場化されています。 2015 年 11 月 18 日、**国家発展改革委員会は、非住宅用ゲートステーションの天然ガス価格を１立方メートル当たり０．７元引き下げると発表した。現在の非民生天然ガスの価格は約 2.7 ～ 3.0 元/㎥、水素製造コストは約 1.5 ～ 1.7 元/㎥です。コークス炉ガスは、コークス企業のコークス化プロセス中に生成される副産物です。元々は燃料として燃焼された後、高高度で放出されました。現在、化学原料として使用される場合、価格は一般的に 0.4 元/m3 未満です。したがって、コークス炉ガスからの水素製造コストは 1.39 元/km3 未満であり、天然ガスからの水素製造コストよりも低くなります。2016 年 6 月のメタノールの平均価格は 1,860 元/t であったため、水素製造コストは 1.37 元/km3 でした。現在のさまざまな原料の価格から判断すると、メタノール改質による水素製造の経済性は比較的重要です。現在の工業用水素製造方法の長所、短所、コストを考慮すると、メタノール改質による水素製造には次の 3 つの利点があります。：(1) 水素製造原料は広く入手可能であり、安価である。一般的な化学原料として、メタノールは化石資源やバイオマス（緑色植物の光合成によって直接的または間接的に生成されるすべての有機物質）から得ることができます。；（２）水素元素の利用率が高い。メタノールの分子式は CH3OH です。水素含有量が高く、エネルギー密度が高く、水素生成率が高い。；（３）水素製造装置がシンプルであり、メタノールの保管や輸送が容易である。組み立て式または可動式のメタノール水素製造装置にすることができます。我が国における燃料電池自動車用の水素使用の現状から判断すると、メタノール改質による水素製造も第一選択である。広東省和吉が取り組む大規模な特殊水水素燃料電池車プロジェクトで使用される燃料水素はすべてメタノールからの即時水素製造で作られており、水素エネルギー利用の安全性問題、主要な水素化インフラの投資問題、そして不経済な水素経済の問題を効果的に解決する。3. まとめ 現状に基づくと、水素製造コストは比較的低く、比較的成熟した技術はメタノール改質による水素製造である。技術の進歩と新エネルギー発電のさらなる推進により、メタノール改質による水素製造は将来的にはより低コストな技術となるでしょう。