水素は、現在、石油精製所、鉄鋼プラントなどから副生されているが、そのほとんどは自家消費されており、本格的な燃料電池の燃料供給源にはならない。燃料電池を普及させるには、どのようにして安価に、かつ環境を破壊することなく、水素を製造するかが課題となる。さまざまな水素製造方法を検討しながら、有力候補を探っていこう。

1. 水蒸気改質

現在広く行われている水素の製造方法は、水蒸気を使って天然ガスの主要成分であるメタンから以下のように水素を製造する水蒸気改質法である。水蒸気改質法とは、

CH₄＋H₂O→3H₂＋CO

という吸熱反応と

CO＋H₂O→H₂＋CO₂

というシフト反応を組み合わせたもので、両者をまとめると、

CH₄＋2H₂O→4H₂＋CO₂

という反応式になる。固体酸化物燃料電池のような高温で作動する燃料電池では、自分の熱で、水蒸気改質ができる。ただし、シフト反応の部分は異なる。

上の図に描かれているように、メタンと水は、吸熱することで、一酸化炭素と水素に分解され、それぞれが酸素イオンと電子を受け取ることで、二酸化炭素と水となる。

2. 部分酸化改質

水蒸気改質法以外にも、以下のような部分酸化改質法がある。

2CH₄＋O₂→4H₂＋2CO

この方法は、水蒸気改質法よりもコストがかかり、効率も悪いので、これまで主流ではなかった。しかし、東北大学大学院工学研究科の高村仁助教授は、部分酸化改質が、吸熱反応である水蒸気改質とは異なり、発熱反応であるため、熱を加える必要がない点に着目し、以下の図にあるように、シフト反応と組み合わせ、発熱反応のみからなる水素製造方法を考案した。

2CH₄＋O₂＋2H₂O→6H₂＋2CO₂

メタンの三倍の水素を生み出す部分酸化法は、四倍の水素を生み出す水蒸気改質法ほど効率はよくないが、固体高分子形燃料電池など低温で作動する 、つまり自分の発熱では内部改質ができない燃料電池のための水素供給法として有効である。

水蒸気改質法であれ、部分酸化改質法であれ、二酸化炭素が発生する。二酸化炭素を出さないことが燃料電池のセールスポイントなのに、水素を作る過程で二酸化炭素を出すということになれば、イメージダウンは避けられない。また、天然ガスのような有限な地下資源に依存しているなら、石油と同様に、資源の枯渇を心配しなければならない。

3. メタン直接改質

再生可能なエネルギー源から、二酸化炭素を出さずに水素を発生させる方法の一つとして、北海道大学名誉教授の市川博士が生み出したメタン直接改質法を挙げることができる。メタン直接改質法とは、天然ガスの主要成分であるメタンを、ゼオライトが担持するモリブデンやレニウムなどの金属成分で活性化させ、ゼオライトの細孔内に選択的にベンゼン分子を取り込み、水素を取り出す技術である。

以下の反応式を見てもわかるように、この改質法は、ベンゼンと水素という資源しか生み出さず、二酸化炭素を出さない。

6CH₄→C₆H₆+9H₂

この技術は、もともと70年代のオイルショックで石油の価格が高騰する中、石油化学工業の基本的な原料であるベンゼンを作ろうという意図の下に開発され、水素はたんなる副生成物に過ぎなかった。しかし、80年代後半になって、石油価格が暴落し、代わって地球温暖化の問題がクローズアップされる中、直接改質法は、二酸化炭素を排出しない水素の製造方法として 評価されるようになった。

メタン直接改質法は、エコロジカルであるだけでなく、エコノミカルでもある。直接改質に必要な投入エネルギーは、水蒸気改質の1/10で、そのため製造される水素の価格は、水蒸気改質では20-40円/Nm³だが、直接改質では、15円/Nm³である。また、最近の石油価格の再上昇を背景に、ベンゼンの安価な製造方法としても注目されるようになった。ベンゼンの価格は、2007年1月現在で、128.7円/kgにまで上昇している［新日本石油：石油化学製品(ベンゼン)の契約価格決定について］が、直接改質法であれば、35-50円/kgでベンゼンを生産できる。

2003年より、北海道開発土木研究所の別海資源循環試験施設で、メタン直接改質法の実証実験が始められている。10軒の畜産農家の牛が排出する糞尿を発酵させてメタンを生成させ、それを水素とベンゼンに直接改質し、水素から電気と熱を作り出し、農家に供給し、ベンゼンから石油化学製品を作り出すというプロジェクトである。

メタン発酵の残滓は有機肥料として土に還元される。メタン発酵をしても、肥料の三要素であるチッソ、リン酸、カリをはじめ、多くの無機栄養分が残っている。逆に、十分発酵させないと、有機肥料は有害になる。従来ゴミだった物から、肥料とベンゼンと熱と電気が作り出されるわけである。

別海プロジェクトでは、メタンがすべてベンゼンに転化されるわけではない。メタンのベンゼンへの転化率は15%程度で、あまり高くない。数回の循環で、45%を転化した後、残ったメタンを、水蒸気改質により水素と二酸化炭素に転化しているという。メタンの温室効果は、二酸化炭素の20倍だから、これだけで温室効果を大幅に下げることができるわけだが、二酸化炭素の排出をもっと減らす方法がある。

工業技術院物質工学工業技術研究所は、独自の炭素系触媒を開発し、水素だけを製造するプロセスで、転化率を90%にまで、両方を製造するプロセスで、ベンゼンの転化率を55%に引き上げた［日経産業新聞：2000年6月9日，テクノトレンド］。触媒の改良によって、転化率をいかに向上するかが課題である。

国内で発生する畜産排泄物、農業廃棄物、食品廃棄物など様々なバイオマスをこの方法で活用すると、年間で、1億8700万MWhの電気と1122万トンのベンゼンを生産することができる［市川勝：メタンからベンゼンと水素を併産する触媒技術と実用化の展開，化学工業，2005年12月号］。これらの現在の国内総生産量に対する割合は、電気で25%、ベンゼンで236%になる。この数字を見てもわかるように、メタン直接改質法は、ベンゼンの生産としては十分であるが、発電としては不十分である。

4. 二段発酵

従来のメタン発酵には、原料の対象が限られる、エネルギー回収率が低い、処理時間が長い、発酵残滓が多いといった問題点がある。 これらの問題を解決するために、2004年7月に、産業技術総合研究所等は、嫌気性微生物により生ごみ・紙ごみ・食品系廃棄物を分解処理し、水素ガスとメタンガスを二段発酵させ、回収する実験プラントを作ったと発表した。以下の図に示されている「本方式」がそうである。

このプラントは、水素発酵にミクロフローラ（雑多な微生物が混在する微生物群）を利用している。水素回収に有望な微生物の単離菌を用いて水素発酵をさせても、廃棄物からの雑菌混入などにより単離菌を優占に維持することが困難であるからだ［栗本鐵工所：有機性廃棄物の高効率発酵に関する基礎的研究］。

二段発酵法で生成した水素は、内部改質ができない燃料電池の燃料とし、メタンは、内部改質ができる燃料電池の燃料とすることができる。もちろん、メタンは、メタン直接改質により、ベンゼンと水素にすることもできる。

しかし、二段発酵法は、廃棄物を資源化する方法として万能ではない。原料の対象が広がったといっても、プラスティックなどの石油化学製品を発酵で分解することは無理だ。また都市部では、発酵残滓 である廃液を肥料として撒くほど広い田畑はない。都市部では、有機性廃棄物を資源化するには、熱分解して、ガス化するのが一番望ましい。

5. 熱分解ガス化改質

プラスチックやゴムなどの石油化学製品を含めた幅広い種類の有機性廃棄物を高温気流層でガス化し、水素と一酸化炭素へと選択的に変換して、溶融炭酸塩型燃料電池で発電する試みは、既に中部電力によって行われている。溶融炭酸塩型燃料電池よりも固体酸化物形燃料電池の方が発電効率がよいのだが、後者は構成材料が焼き物であるから、大型化ができないので、前者が使われてきた。 しかし、大型の燃料電池による集中発電では、燃料電池の本来のメリットを発揮することはできない。

近年、熱分解ガス化改質が、小型の施設でもできるようになった。以前「廃棄物発電はどうあるべきか」でも紹介したスターミート方式の発電システムは、その一例で、一つの事業所内で発生する程度の小規模廃棄物をガス化することで、廃棄物の回収と運搬にかかる費用を節約できるだけでなく、エネルギー回収までできる。このシステムでは、まだ燃料電池が採用されていないが、規模からいって、発生する水素、一酸化炭素、メタンなどを固体酸化物形燃料電池の燃料にすることができる。

石炭も、熱分解ガス化の原料として有望視されている。従来の石炭火力発電は、発電効率が低い上に、有毒ガスを大量に出すという問題を抱えていたが、Jパワー （電源開発株式会社）は、石炭ガス化燃料電池複合発電（IGFC：Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle）により、両方の問題を解決しようとしている［J POWER：燃料電池用石炭ガス製造技術開発パイロット試験設備の運転開始について］。

この発電は、石炭をガス化し、

1. 水素と一酸化炭素を燃料電池に供給して発電を行う
2. ガスタービンにも高温の石炭ガスを供給して発電を行う
3. それらの廃熱を回収して蒸気タービンで発電を行う

というトリプル複合発電で、発電端発電効率を60％近くにまで引き上げることができる。現在の最新鋭石炭火力発電の発電端発電効率が約42％であるから、これは、非常に高効率な発電システムだと言うことができる。また、二酸化炭素も、従来の火力方式と比べて、30％削減できる［NEDO：石炭ガス化燃料電池複合発電技術］。

Jパワーは、IGFCに固体酸化物形燃料電池を採用するつもりだが、それは、溶融炭酸塩型燃料電池では温度が低すぎるからである。ガスタービンの効率は入り口での温度で決まるので、1300℃にまで上げなければならない［日経BP社：燃料電池2006，p.115］。水の熱化学分解による水素の製造という点でも、固体酸化物形燃料電池の方が望ましいのだが、これについては、また後で取り上げよう。

6. 水の電気分解

水を電気分解すれば、水素と酸素が得られることは、よく知られている。フレイン・エナジーは、風力発電による水の電気分解を提案している。 風力発電は、出力の電圧や力率が需要と関係なく変動するから、いったん有機ハイドライドの形で保存し、需要に応じて発電しようというわけである。

2006年1月に、フレイン・エナジーは、水素貯蔵装置を日立造船が開発した風力発電用水電解システムと組合せて、風力発電と水電解装置で製造される水素を有機ハイドライドに高密度・高効率に貯蔵する「風力水素貯蔵システム」の製品化を進めると発表した。

水電解装置で製造された水素は、80%以上のエネルギー効率にて有機ハイドライドとして高速水素貯蔵が可能です。またこれに先行し、㈱フレイン・エナジーは北海道大学、㈱アルミ表面技術研究所の協力を得て、水素貯蔵された有機ハイドライドから水素ステーションや燃料電池等へ水素供給する「高効率脱水素反応器」を開発し、開発目標値である水素毎分20リッター(毎時1.2Ｎ㎥)を達成しました。

有機ハイドライドへの変換効率が80%だとしても、水の電気分解によるエネルギー変換効率は85%程度で、燃料電池での発電効率は、固体高分子形の場合、せいぜい40%程度だから、風力発電で生じた電気が30%未満になってしまう。出力変動対策なら、風車の大規模化と分散配置による出力の平準化の方が望ましいのではないだろうか。

7. 水の熱化学分解

水から酸素と水素を作るには、電気分解よりも熱化学分解の方が効率がよい。熱化学分解も複数の方法があるが、代表的な方法は、SIサイクル（sulfur-iodine cycle 日本での名称はISプロセス）で、以下のように、硫黄とヨウ素をリサイクルしながら、水を水素と酸素に分解する。

1. I₂ + SO₂ + 2H₂O → 2HI + H₂SO₄ (120℃)
2. 2H₂SO₄ → 2SO₂ + 2H₂O + O₂ (830℃)
3. 2HI → I₂ + H₂ (320℃)

2003年8月21日に、日本原子力研究所は、「原子炉を模擬した電気ヒーター」により熱を供給して、水を分解し、毎時35リットルの水素を製造することに成功したと発表した [日本原子力研究所：世界初の水の高温熱分解による水素製造に成功]。

日本では、水の熱化学分解が、原子力産業の延命のための手段としてしか認知されていないが、これは不可解だ。日本で稼動している原子炉はすべて軽水炉で、作動温度はせいぜい300℃前後だから、既存の原子炉の廃熱利用としてSIサイクルを使うことはできない。そのため、日本原子力研究所は、900℃近い温度を供給できる高温ガス炉を新たに建設することを計画しているという。なぜそこまで原子力に固執するのか。

原子力発電所は、消費地から遠くはなれているので、そこで水素を作っても、消費地にまで運搬する過程で、大きなエネルギーロスが生じる。水の熱化学分解は、 消費地の近くで行う方が望ましい。900℃で作動する固体酸化物形燃料電池なら、水の熱化学分解ができるはずである。生成した水素と酸素をそのまま固体酸化物形燃料電池の燃料として使えば、燃料の生産地と消費地の距離を最短にすることができる。

電気需要に対して、熱需要の割合が大きい一般家庭では、固体酸化物形燃料電池の熱を給湯や冷暖房などに使えばよい。しかし、工場や事務所や廃棄物発電所では、熱生産量が多い割には熱需要が大きくないので、その熱を水の熱化学分解に使って、発電効率を上げ、自分たちの電気需要を満たせばよい。

8. 光触媒による水の分解

水を水素と酸素に分解するもう一つの方法として、光触媒を使う方法がある。1980年に、酸化チタンやチタン酸ストロンチウムなどの粉末光触媒により、水が太陽光で完全分解できることが発見され、注目を浴びた。ただし、この光触媒が吸収するのは、太陽光エネルギーのわずか2～3％を占めるにすぎない紫外光である。水素をもっと効率よく作るには、太陽光エネルギーのおよそ50％を占める可視光を利用しなければいけない。

2001年12月に、産業技術総合研究所の光反応制御研究センターは、可視光を用いて水を水素と酸素に一段で分解できる光触媒の開発に世界で初めて成功したと発表した。この光触媒は、無機酸化物半導体にニッケルドーピング処理を行い、表面に酸化ニッケルを担持した化合物で構成されていた［産業技術総合研究所：可視光で水を水素と酸素に分解］。2006年3月には、東京工業大学資源化学研究所の堂免一成教授らが、可視光に反応する、さらに効率的な新種の光触媒を開発した［Photocatalyst releasing hydrogen from water, Nature 440, 295 (16 March 2006)］。

性能は少しずつよくなっているようだが、光触媒による水の分解が実用化されるめどはまだ立っていない。太陽電池の平均的な変換効率が10%であるのに対して、光触媒による変換効率は3％に過ぎない［地球環境産業技術研究機構：持続可能社会をめざす触媒化学］。水素をさらに電気に変換しなければならないことを考えると、コスト高でなかなか普及しない太陽電池よりもはるかに性能が劣っていることがわかる。

太陽光発電にせよ、光触媒による水素の製造にせよ、実用化が難しいのは、薄く広がっている太陽光エネルギーを直接利用しようとするからである。太陽光エネルギーを蓄積する能力において、人類はまだ植物に及ばない。植物にできることを人間がする必要はない。これまで人類がしてきたように、太陽光エネルギーの蓄積は植物に任せ、エネルギー密度高い植物および植物を起源とする燃料を利用するべきだろう。

9. 結論

天然ガス・石炭・石油は、当分の間、枯渇しそうにないので、 まずはこれらの地下資源から水素を製造するべきだ。日本では、石油精製から240億標準立方メートル、製鉄コークス炉ガス産業から100億標準立方メートルもの水素が毎年副成している。これらの副成水素ガスの潜在的資源の総量は、2020年において、500万台の燃料電池車を走らせる量に相当する。これに加えて、天然ガスの直接改質や石炭ガス化も行えば、かなりの量を供給することができる。

地下資源は、生産よりも消費のペースの方が速いので、いつかは枯渇する。再生可能な資源としては、食料と競合しないバイオマス資源が最も重要である。以下の報道にあるように、海草からバイオ燃料を確保するという計画もある。

養殖した海藻から石油代替燃料として注目されるバイオエタノールを大量に生産する壮大な構想が２２日、明らかになった。東京海洋大、三菱総合研究所を中心に三菱重工業など民間企業が参画する研究グループがまとめたもので、日本海に１万平方キロメートルの養殖場を設け、ガソリンの年間消費量６０００万キロリットルの３分の１に相当する２０００万キロリットルのバイオエタノールを海藻から生産する計画だ。

有機性廃棄物の二段発酵やガス化は、未利用資源の有効活用という観点からも、積極的に推し進めるべきだ。新たな資源を求める前に、現在の資源消費を効率化することを考えることが先である。

以下の図は、バイオマスから水素を取り出す流れをフローチャートにしたものである。石油化学製品の廃物をガス化する過程で二酸化炭素が出るが、地下に蓄積されたバイオマスを利用しないなら、カーボンニュートラルを実現することができる。バイオマスには限度があるが、バイオマスエネルギーの限度内に人口規模を収めることが、他の動植物と共存するための条件となる。

自然エネルギーによる水の電気分解は、現在はもちろん将来的にも採算が取れないだろう。現在、日本だけで、食塩水の電気分解から14億標準立方メートルの水素が毎年副成している。こうした副成水素の利用には賛成だが、水素を発生させるだけの目的で水を電気分解することには反対である。水の電気分解よりも、水の熱化学分解の方が効率がよいから、後者に力を入れるべきだ。