発刊・体裁・価格
発刊 2023年10月26日 定価 72,600円(税込(消費税10％））
体裁 B5判 463ページ ISBN 978-4-86502-258-2 →詳細、申込方法はこちらを参照
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本書のポイント
★水電解の装置・部材・計測技術や応用展開から市場動向まで！
カーボンニュートラルに向けたキーテクノロジーを詳述！
○電力コスト・水電解コストとその経済性は？研究開発・事業参入の視点とは？
○各種装置・方式の特徴や課題を網羅！注目のE-TAC方式や海水の電解技術まで！
○水電解に関わる各種基礎理論や測定法・シミュレーション法なども網羅！
○電極・触媒をはじめ電解質等の部材技術やそのプロセス技術も詳説！
○再生可能エネルギー導入による水電解システムの設計・出力変動対策とは！？
○オンサイト利用や工場活用、自動車燃料応用、メタネーション等々、
グリーン水素の活用展開をふまえた各種応用技術とその見通しについて！
執筆者一覧 (執筆順・敬称略)
古山 通久 信州大学
西 美奈 一般財団法人 電力中央研究所
吉岡 剛 東京大学
仮屋 夏樹 みずほリサーチ＆テクノロジーズ（株）
菅原 一真 みずほリサーチ＆テクノロジーズ（株）
米田 雅一 みずほリサーチ＆テクノロジーズ（株）
西本 武史 東京大学
高鍋 和広 東京大学
中西 哲朗 （株）神鋼環境ソリューション
長田 憲和 東芝エネルギーシステムズ（株）
宮西 将史 東京工業大学
Avner Rothschild Technion - Israel Institute of Technology
Hen Dotan H2Pro, Ltd
Gideon Grader Technion - Israel Institute of Technology
佐藤 剛史 宇都宮大学
中山 雅晴 山口大学
村越 敬 北海道大学
南本 大穂 神戸大学
福島 知宏 北海道大学
小島 宏一 国立研究開発法人 産業技術総合研究所
長澤 兼作 国立研究開発法人 産業技術総合研究所
轟 直人 東北大学
伊藤 良一 筑波大学
松井 敏明 京都大学
中島 良 テクノ２０５０中島技術士事務所
花木 保成 （株）堀場製作所
山下 翼 （株）堀場製作所
渡邊 駿太 （株）堀場製作所
中島 裕典 九州大学
松田 潤子 九州大学
兒玉 学 東京工業大学
松田 翔一 物質・材料研究機構
菅原 勇貴 東京工業大学
松澤 幸一 横浜国立大学
草田 康平 京都大学
松本 広重 九州大学
Leonard Kwati 九州大学
Rishad Kunafiev 九州大学
脇坂 暢 富山県立大学
角倉 康介 AGC（株）
早部 慎太朗 AGC（株）
奥山 匠 AGC（株）
川原 浩一 一般財団法人 ファインセラミックスセンター
小林 琢也 エボニック ジャパン（株）
Dr. Franziska D. van Kruechten Evonik Operations GmbH
墻内 孝祐 （株）KRI
山脇 正也 大陽日酸（株）
津田 理 東北大学
河野 龍興 東京大学
加藤 尚 東北電力（株）
今 肇 カーボンフリーシステム（株）
平瀬 育生 ヤマト・H2Energy Japan（株）
轟木 光 KPMGコンサルティング（株）
谷 俊宏 三菱重工業（株）
竹本 真典 三浦工業（株）
野一色 公二 （株）神戸製鋼所
大西 久男 大阪ガス（株）
村岡 元司 （株）NTTデータ経営研究所
目次
第１章 グリーン水素及び水電解技術の動向・事業性と研究開発・参入の視点
第１節 先鋭化する資源調達リスクと水素の役割
1. 先鋭化する資源調達リスクと水素の地政学的意味
2. 東アジア・米国・欧州における水素の位置づけと動向
3. 輸入水素と国産水素
4. 国内再生可能エネルギーの導入実績からみた2050 年
5. 国内再生可能エネルギーのコスト競争力
6. 燃料電池自動車・水素ステーションの導入実績とこれから
第２節 研究開発・事業参入の視点
1. 事業性成立の阻害因子
2. Tesla 社に学ぶ視点
3. 事業性を高めるための視点
第３節 グリーン水素製造の経済性分析とその手法
1. 再エネ水素経済性評価の方法および前提条件
1.1 再生可能エネルギー電力コスト
1.2 水電解コスト
1.3 液化、貯蔵、国際輸送、気化に関するコスト
1.4 均等化水素原価の算出法
2. 国内外の再エネ水素の経済性評価
2.1 再エネの種類によるLCOH の違い
2.2 水電解設備の種類によるLCOH の違い
2.3 国内外の水素経済性の比較
第４節 グリーン水素製造・活用に向けたビジネスモデルと事業性評価
1. 国内における再エネとグリーン水素の動向
1.1 再エネの動向
1.2 グリーン水素の動向
2. グリーン水素活用に向けたビジネスモデル
2.1 電気と水素のコプロダクションシステム
2.2 事業性評価の対象モデル
3. 前提条件
3.1 再エネ発電のインバランス発生量
3.2 水素製造システム
4. 事業性評価
4.1 事業性評価結果
4.2 感度分析
第５節 海外における水電解技術・市場動向
1. グリーントランスフォーメーション時代の水素 - 諸外国の調達戦略-
2. 潜在市場での先陣争い ―諸外国の水電解産業戦略―
3. 資源リスクと次世代技術 - 諸外国のR&D 戦略-
4. おわりに ―日本への示唆―
第２章 各種電解方式の原理・特徴および関連技術と課題
第１節 アルカリ水電解
1. 原理・セルの構造
2. 特徴・性能
3. 各種課題・技術動向
第２節 固体高分子型水電解
1. 固体高分子型水電解の原理・構造・特長
2. PEM 型水電解装置の概略構成と基本制御
3. PEM 型水電解装置の製品例と適用分野
4. PEM 型水電解のコスト、技術動向、課題
第３節 高温水蒸気電解
1.高温水蒸気電解の作動原理および特徴
2.固体酸化物電解セル・スタックの構造
2.1 固体電解質
2.2 電極材料
2.3 インターコネクター
2.4 セル構造
3．高温水蒸気技術の開発状況と課題
3.1 高温水蒸気電解技術の開発状況
3.2 高温水蒸気電解の課題
4.高温水蒸気電解の応用技術
第４節 アニオン交換膜型水電解
1. アニオン交換膜型水電解システムの特徴
2. アニオン伝導膜の化学耐久性
3. 高耐久アニオン伝導膜の開発
4. 非貴金属触媒の開発
5. エーテルフリーアニオン伝導膜を用いた水電解の性能と耐久性
6. 今後の課題
第５節 その他方式および関連技術
第１項 E-TAC 方式
1. 現行の水電解技術との違い
2. 分離水電解方式(DWE)
3. E-TAC 水電解の特徴
4. E-TAC 水電解の原理・プロセス
5. E-TAC 水分解およびH2Pro の展開
第２項 水素透過金属膜電極を用いた水電解
1. 水素透過金属膜電極を用いた水電解の原理・特徴
1.1 水素透過金属膜電極を用いた水電解とは
1.2 水素透過パラジウム膜の性質
1.3 水素透過金属膜電極を用いた水電解の研究例
2. 水素透過金属膜電極を用いた水電解装置
2.1 装置構造
2.2 水素製造試験とその性能評価
3. 水素透過金属膜電極を用いた水電解の展望
3.1 課題と今後の展望
第３項 海水の直接電解技術
1. 海水電解とは
1.1 経済性
1.2 海水電解の難しさ
2. 海水電解の基本
2.1 水の電気分解
2.2 塩化物イオン酸化
3. 海水の酸化 OER-COR 選択性
3.1 塩素-水系のプールベダイアグラム
3.2 反応メカニズム
4. 選択的OER のための戦略
4.1 クロルアルカリプロセスから海水電解へ
4.2 アルカリおよび緩衝液の添加
4.3 Cl- ブロック層の複合化
4.4 OER 選択性触媒
5. 電解槽の設計
第３章 水電解における各種理論・挙動・メカニズムとその制御
第１節 水電解反応の電気化学
1. 水電解反応の電気化学
1.1 水電解のエネルギー収支
1.2 水電解の電気化学
1.2.1 水電解の平衡電気化学
1.2.2 水電解電極の動的電気化学
2. 水素発生反応
2.1 水素発生反応の基本原理・速度論解釈・電極活性
2.2 酸素発生反応の基本原理・速度論解釈・電極活性
第２節 水電解における電解質工学
1. pH 依存性
2. バッファーイオンの利用
3. 溶液電気伝導率の制御
第３節 再生可能エネルギーによる電力の変動挙動と水電解への影響
1. 太陽光発電電力
2. 風力発電電力
3. 再生可能エネルギー電力を利用する水素製造システム
第４章 水電解の計測・評価技術
第１節 国内外における標準測定・評価法の策定動向
1. 水電解技術開発における標準測定・評価法の必要性
2. 日本における策定動向
3. 海外における策定動向
第２節 水電解における各種分析装置と取り扱い上の注意点
1. 水電解の概要
1.1 水電解の種類
1.1.1 アルカリ水電解の概要
1.1.2 固体高分子形水電解の概要
1.1.3 固体酸化物形水電解の概要
2. 水電解における各種評価装置および分析装置と取り扱い上の注意点
2.1 各種水電解方式における水電解槽の評価システム
2.1.1 アルカリ水電解(Alkaline Water Electrolysis; AWE)
2.1.2 PEM 水電解
(Polymer. Electrolyte. Membrane Water Electrolysis; PEMWE)
2.1.3 固体酸化物形水電解
(高温水蒸気電解、Solid Oxide Water Electrolysis; SOEC)
2.1.4 安全機能一例
第３節 水電解反応の特性測定・評価法
1. 水素発生反応における反応評価
1.1 水素発生電極評価
1.2 水素発生反応計測
1.3 水素発生反応速度論解析
1.4 高活性水素発生触媒電極触媒
2. 酸素発生反応における反応評価
2.1 酸素発生反応電極評価
2.2 高活性酸素発生電極材料探索
2.3 酸素発生反応熱力学・速度論解析
3. 今後の方向性
第４節 電気化学インピーダンス分光法による反応状態・劣化診断
1. 電気化学インピーダンス分光法の基礎
1.1 電極反応とインピーダンス
2. 測定原理
3. 電気化学インピーダンス測定法
3.1 試験装置の構成
3.2 測定機器
3.3 測定結果の解析法
4. インピーダンスと等価回路
4.1 ファラデーインピーダンス
4.2 拡散に伴うインピーダンス
4.3 多孔質電極内インピーダンス
5. 水電解セルにおける電気化学インピーダンス分光診断の実例
5.1 アルカリ形水電解
5.2 固体高分子形水電解
5.3 固体酸化物形水電解( 高温水蒸気電解)
5.4 アニオン交換膜形水電解
第５節 電極触媒およびセルの構造観察・解析法
～ PEMWE およびSOEC を中心として～
1. 観察試料調製方法
1.1 機械研磨
1.2 ミクロトーム
1.3 イオンミリング
1.4 FIB
2. 電極触媒およびセルの構造観察・解析法
2.1 XRD，SAXS，XAS
2.2 XPS
2.3 SEM，TEM/STEM
第５章 水電解における解析・シミュレーション技術
第１節 水電解槽内のイオン反応・物質輸送シミュレーション技術
1. 支配方程式
1.1 電極表面における電気化学反応
1.2 電解液中のイオン輸送
2. 支配方程式の空間離散化と時間積分
3. 境界条件
3.1 濃度に関する境界条件
3.2 電位に関する境界条件
4. シミュレーションのフロー
5. シミュレーションツール
第２節 二相流シミュレーション
1. 流体シミュレーションの基本
2. 二相流シミュレーション手法
3. 電解槽シミュレーションへの導入
4. 気液二相流- 電気化学- イオン輸送連成シミュレーションの解析例
4.1 電解槽中を浮力で上昇する単一気泡のシミュレーション
4.2 電解槽中を群運動する気泡のシミュレーション
第３節 自動実験技術を利用した水電解用材料のハイスループット探索
1. データ駆動型材料開発を支える自動実験技術
2. 電極触媒合成のハイスループット実験
3. 電極触媒性能評価のハイスループット実験
4. 電解質探索のハイスループット実験
第４節 データ科学・計算化学による水電解用複合酸化物触媒の活性指標解析
1. アルカリ水電解用卑金属酸化物触媒研究におけるデータ科学・計算化学を
活用した触媒作用の解析事例
2. 計算化学的手法を活用した水電解用複合酸化物触媒の解析
2.1 金属酸化物の状態密度の計算による構造因子―活性相関の解析
2.2 反応中間体の表面吸着エネルギーの計算による新規な反応メカニズムの提案
3. 機械学習を活用した複合酸化物触媒の包括的活性指標の提案
3.1 文献および無機材料データベースからのデータ収集
3.2 機械学習による触媒の構造因子解析
3.3 OER 活性に対するA サイト金属の新規な構造効果の解明
第６章 材料・部材とプロセス技術
第１節 電極・電極触媒
第１項 各種方式における電極触媒材料技術
～様々な電極触媒材料の特徴・性能・課題等～
(1) アルカリ水電解
1. 水電解及びアルカリ水電解の電極触媒の位置づけ
2. カソード電極触媒
3. アノード電極触媒
(2) 固体高分子水電解
①貴金属系
1. 貴金属系OER 触媒
1.1 異種元素の混合による効果
1.2 形状・ナノ構造・結晶構造の制御による効果
1.3 担体効果
2. 貴金属系HER 触媒
②非貴金属系
1. 固体高分子形水電解の電極触媒の位置づけ
2. カソード電極触媒
3. アノード電極触媒
(3) 高温水蒸気電解
1. 水蒸気電解セルの構成
2. 電極材料
2-1 水素発生電極
2-2 酸化物イオン伝導性電解質の場合の酸素発生電極
2-3 プロトン伝導性電解質の場合の酸素発生電極
第２項 電極特性・性能の制御・評価法
(1) アルカリ水電解のための触媒・電極の評価プロトコルと活性化戦略
1. アルカリ水電解の基礎
2. OER 触媒の評価方法
2.1 実験セットアップ
2.1.1 電気化学セル
2.1.2 参照極
2.1.3 対極
2.2 データの取得と解析
2.2.1 電極調製
2.2.2 触媒表面積
2.2.3 OER 触媒の評価パラメーター
3. OER 触媒の活性化戦略
(2) 固体高分子水電解
1. 固体高分子水電解電極触媒の開発状況とその方策
2. 高活性・高耐久触媒設計のための評価・研究手法
(3) 高温水蒸気電解
1. セル・電極性能の評価法
1-1 電極過電圧
1-2 電極性能の評価法
第２節 各種部材技術
第１項 PEM 電解質膜
1. パーフルオロスルホン酸ポリマー
2. イオン交換容量が大きいポリマーを用いる事による膜性能の向上
3. PEM 形水電解中の膜の劣化機構
4. 電解質膜の更なる化学耐久性向上
第２項 固体酸化物型電解セル(SOEC) の電極/ 電解質界面微細構造制御
1. SOEC の電解質について
2. 電極/ 電解質界面由来抵抗
3. 中間層を導入した界面における界面微細構造制御
3.1 YSZ/GDC/LSCF 界面におけるSrZrO3 形成挙動
3.2 酸素極材料への異種元素添加による界面微細構造制御
第３項 アニオン伝導膜
(1) 基礎物性・評価法
1. アニオン伝導膜の構造
1.1 アニオン交換基を有するアニオン伝導膜
1.2 ドープ型アニオン伝導膜
2. アニオン伝導膜のアニオン交換
3. イオン交換基密度の評価
4. アニオン伝導膜の機械特性
5. アニオン伝導膜の含水率の評価
6. アニオン伝導膜のイオン伝導特性
6.1 アニオン伝導膜のイオン伝導のメカニズム
6.2 アニオン伝導度の評価
6.3 OH- イオン伝導度の評価方法
7. アニオン伝導膜の熱特性
8. 電解質膜のガス透過性
9. アニオン伝導膜の化学耐久性
10. 総括
(2) AEM 水分解膜の最新状況とそれを取り巻く課題
1. AEM 型水電解法の特長
1.1 AEM 型水電解法の技術概要
1.2 AEM 型水電解法と他方式との違い
2. AEM 型水電解膜の最新状況
2.1 AEM に求められる性能
2.2 高性能膜の最新の動向
3. AEM 型水電解膜とそれを取り巻くハードルと課題
3.1 AEM のハードルと課題
3.2 AEM 型水電解法のハードルと課題
第３節 プロセス技術
第１項 電極・セルの作製工程とプロセス技術
1. 水電解用電極作製プロセスの特徴
2. MEA 開発のポイント
3. スラリー調製
4. 触媒層塗工・乾燥プロセス
5. 量産化プロセス
第２項 アルカリ水電解向け水素精製技術
1. アルカリ水電解水素の不純物
2. 不純物除去技術
2.1 飽和水蒸気圧を利用した水分除去技術
2.2 吸着を利用したガス精製技術
2.2.1 ガス精製方法
2.2.2 吸着剤の特性
2.3 触媒を利用した酸素除去技術
3. アルカリ水電解向け水素精製装置の紹介
3.1 ガス精製装置
3.2 アルカリ水電解向け水素精製装置
3.2.1 ミスト除去
3.2.2 脱酸素触媒
3.2.3 水分除去TSA プロセス
3.2.4 装置性能
第７章 再生可能エネルギーと組み合せたエネルギーシステムの構築
第１節 再生可能エネルギー源の導入に適した水電解システムの設計とEMS
1. HESS の構成と特徴
2. HESS を用いた電力需給調整方法とHESS の動作特性
3. HESS における水電解システムの運転制御方法と動作特性
4. 今後の課題
第２節 再生可能エネルギーによる水電解システム設計と
エネルギーマネジメントシステム(EMS)
1. 再生可能エネルギーを用いた水素製造システムにおけるEMS の構築
2. 水素製造システムのシミュレーションモデルの構築
第３節 水電解技術による再生可能エネルギーの出力変動対策
1. 水素システムの特徴
2. 研究の概要
2.1 研究設備仕様
2.2 変動吸収の概念
2.3 運転モード
2.3.1 PV 変動抑制モード
2.3.2 負荷ピークカットモード
3. FFT 解析による変動抑制効果の検証
4. 電力→水素→電力の変換効率
第８章 水電解によるグリーン水素の応用技術・利用展開
第１節 オンサイト水電解水素製造・水素利用に求められる安全対策
1. 水電解水素製造装置
2. 水電解水素製造装置に求められる安全性
2.1 構造面での安全対策
2.2 ガス漏洩に対する安全対策
2.3 寒冷地対策
2.4 異常時事態に対する安全対策
3. 水素利用設備に求められる安全対策
3.1 利用設備に求められる安全対策
3.2 ガス漏洩に対する安全対策
3.3 寒冷地対策
3.4 異常時事態に対する安全対策
第２節 グリーン水素による水素ステーションの要件・要素機器と
その取り組み・課題
1. グリーン水素・ブルー水素による水素製造と水素パイプラインの必要性
2. 水素製造・水素ステーションの要素機器
2.1 再生可能エネルギーを利用した水素製造
2.2 グリーンによる水素ステーションの要素機器
3. 水素ステーションに関する取り組みと課題
3.1 パッケージ型水素ステーション
3.2 移動式水素ステーション
第３節 グリーン水素の自動車燃料応用と見通し
1. 注目される水素
2. 自動車における水素の可能性
3. 水素の課題
4. 水素の応用先として注目されるe-Fuel
5. e-Fuel とは
6. e-Fuel のメリット
7. e-Fuel のデメリット
8. 何が自動車のカーボンニュートラルに最適なソリューションなのか
9. 水素とe-Fuel の将来
第４節 水電解装置と燃料電池を組合せた再生型燃料電池システム
1. 再生型燃料電池システムとは
2. 各種再生型燃料電池システムの比較
2.1 水電解装置の電解圧力による比較
2.2 貯蔵方式による比較
3. 再生型燃料電池システムに求められる水電解装置の仕様・条件
4. 再生型燃料電池システムとしての課題
5. 再生型燃料電池システムの今後
第５節 グリーン水素を用いたボイラ技術
1. 水素燃料貫流ボイラの特長
1.1 水素の燃焼時の特長
1.2 安全性向上のための水素ボイラの機能
1.2.1 フレームアレスタ( 逆火防止装置) の採用
1.2.2 残留水素用窒素パージの採用
1.3 水素燃焼用バーナの開発
2. グリーン水素の活用
3. 副生水素の活用
第６節 工場における水電解グリーン水素供給システムと活用展開
～ハイブリッド型ガス供給システムによる事例紹介～
1. 産業分野における脱炭素に向けた燃料転換に関する政策動向
2. 工場のエネルギー需要、水素利活用の検討事例について
3. 工場における水素供給システム「ハイブリッド型水素ガス供給システム」
について
3.1 水電解式水素発生装置について
3.2 中間媒体式水素気化器について
3.3 運転マネージメントシステムについて
第７節 SOEC メタネーション技術革新による e-methane 低コスト製造技術
1. グリーン水素とe-methane( 合成メタン) の製造・利用サイクル、
CO2 削減効果の比較
2. SOEC メタネーション技術の概要と特長
3. SOEC メタネーション技術革新に関する大阪ガスの取組み
4. グリーンイノベーション基金事業による技術革新の推進と今後の展開
第８節 水電解グリーン水素の特徴を活かした活用展開と可能性
1. 水電解グリーン水素の利活用面における特徴
2. 弊社が実施した実証事業の概要と事業化に向けたシナリオ
3. 水電解グリーン水素の活用展開と可能性
