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by 幸田 晋

「水素社会」実現のカギはアンモニア技術が握る?

「水素社会」実現のカギは

アンモニア技術が握る?


THE PAGE 5/13(日) 16:00配信より一部

https://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20180513-00000002-wordleaf-sctch

 「水素社会」実現のカギはアンモニアが握る?―― 水素社会とは、生活や産業に必要なエネルギー源を、文字通り「水素」に求めるものです。枯渇せず有害物質を出さない、そして持続可能な水素の特徴を利用して、クリーンな社会を目指そうというわけですが、その理想は、現状と大きくかけ離れていると思われるでしょう。

・現在の社会 … 石油、石炭、天然ガスなどの炭素ベースの化合物がエネルギー源
・水素社会 …「水素」がエネルギー源

 しかし、2017年にアンモニア研究が急発展したことで、現代社会と水素社会が、にわかにつながり始めたのです。

アンモニアは水素の「担い手」

 水素社会の話のはずなのに、アンモニアがいきなり出てきて、面食らうかもしれません。アンモニアが注目された理由は、エネルギー源を「作る、貯める、運ぶ、使う」の4つの技術から見るとわかりやすくなります。

 それぞれの技術に対する水素とアンモニアの特徴を並べてみましょう。

 表にあるように、
分子の形を比べると
アンモニアは
水素(H)をたくさん含んでいることが分かります。

さらに、アンモニアはすでに社会で利用されているため、
作る方法だけではなく、
貯める方法や運ぶ方法も完成しています


 つまり、アンモニアを水素の「担い手」とみなすと、これまでの技術を最大限利用することができるため水素社会実現の近道になるのです。

 しかし、なぜアンモニアの「作る、貯める、運ぶ」技術はこんなにも確立したのでしょう。

 この疑問の答えと、来るべき水素社会に向けて、2017年に大きく進展したアンモニアの「作る、使う」に関する革新的な成果を順に見てみましょう。

「作る」ことで変わった人間社会

 アンモニアとは、排せつ物にも含まれる“臭い物質”。元をたどると、それは空気中の窒素ガスからきています。私たち人間を含め、動植物は空気から窒素をそのまま取り込むことはできません。しかし、窒素はタンパク質やDNAなど体を作る上で必須の物質です。

 窒素ガスを食べ物に変換できる生き物は「窒素固定菌」という微生物に限られます。この微生物によって地球上の全生物が「生かされていた」のです。

 ただ上の文は「過去形」です。それは今や人間が空気中の窒素ガスからアンモニアや肥料を作り、食べ物を作っているからです。
1913年に開発されたこの技術は
「ハーバー・ボッシュ法」と呼ばれ、
「空気からパンを作り出す方法」とも表現されました

産業革命後の人口爆発を支えた画期的な技術です。そうして、ハーバー・ボッシュ法は人類になくてはならない方法となり、アンモニアを貯める技術や運ぶ技術も同時に発展してきました。

 現代においても、全人類約70億人のうち、およそ半分の人の食べ物はハーバー・ボッシュ法によって作られている計算になります。こうしてアンモニアの大規模な「作る、貯める、運ぶ」技術が確立したのです。

アンモニアをより簡単に「作る」

 ハーバー・ボッシュ法は「窒素ガス」と「水素ガス」を「約500度・約200気圧」という高温・高圧で反応させます。これは、100年前にドイツの技術者アルヴィン・ミタッシュが1万回以上の実験から見つけ出し、現在でも使われる最高の触媒を使った条件です。触媒とは化学反応の速度を速める物質。しかし、全人類を支えるアンモニアを作り出すために必要な温度と圧力は大量の電力を必要とし、全世界で消費される電力の1~2%といわれています。そして、アンモニア合成に必要な大電力は大量の化石燃料を消費して作られていることが課題でした。。

 その触媒を大きく改良することに成功した研究が日本に2つあります。

 1つ目は、
西林仁昭教授(東京大学)と
吉澤一成教授(九州大学)の成果です。
2017年、西林教授と吉澤教授は、室温・大気圧(私たちが普段生活している20度前後、1気圧)という穏やかな環境でアンモニアを生成する2種類の触媒を発表しました。
この触媒はモリブデン(Mo)という、窒素固定菌も利用している金属を含みます。

 西林教授は、ヨウ素原子を挿入するというシンプルな方法で、より効率的に窒素を分解する新方式の反応を実現したのです(上図右の化合物)。吉澤教授はコンピューター計算によって、これを詳しく解明しました。西林教授と吉澤教授はその反応方式を「マリアージュ機構」と名付け、アンモニア生成関連分野のブレークスルーであると述べています。西林教授の合成技術と吉澤教授の計算技術が組み合わさったからこそ得られた革新的な発見です。

 2つ目は、
細野秀雄教授(東京工業大学)の成果です。
細野教授は、カルシウムというありふれた金属の化合物を使い、
ルテニウムという金属を表面に散りばめるとアンモニアを作る触媒となることを発見しました。
細野教授はさらに改良を加え、今年1月、バリウムという金属を足すことで、触媒の表面が広くなり、アンモニアがより効率よく分解されることを発見しました(図4)。この触媒は「300度・9気圧」で働き、アンモニア合成速度はハーバー・ボッシュ法をも超えます。

 この2つの成果によって、アンモニアはより安価に効率的に「作る」ことができそうです。

エネルギーを直接取り出せるよう「使う」

 さらに、2つの画期的な研究成果が2017年に発表されました。

 水素は爆発的に燃えますが、アンモニアは燃える速度が遅いため火をつけても燃え続けません。エネルギーを取り出しにくいアンモニアから、直接エネルギーを得ることができたのです(ちなみに、アンモニアは燃えない気体と記憶している人も多いかもしれませんが、実は空気と適度な割合で混ぜると火がつき、燃やすことができます)。

 1つ目は、アンモニアと空気を混ぜて火をつける、いわゆる「直接燃焼法」の改良です。小林秀昭教授(東北大学)は、アンモニアが燃えるまで対流が続くよう気流を制御し、2015年にアンモニアを安定して燃焼させた発電に成功しました。アンモニアは単に燃やせば窒素酸化物という酸性雨などの原因物質が発生します。しかし、小林教授は空気との供給割合や供給速度によって、窒素酸化物の発生を抑えられることも発見しました。

 そして、2017年7月、岡山県の水島発電所2号機においてアンモニアを含むガスを使った火力発電の実証実験が行われました。アンモニア含有量は0.8%とまだ多くありませんが、アンモニアを燃料として利用するための大きな一歩です。

 2つ目は、「アンモニア燃料電池」です。燃料電池とは、名前の通り、水素やアルコールなどの燃料から電気を取り出す電池です。乾電池や携帯電話のバッテリーと違い、燃料を供給し続ければ常に電気を作り出すことができるという特徴があります。大きな電力を供給し続けることができるのです。

 「固体酸化物形燃料電池」と呼ばれるタイプの燃料電池は、発電効率が現在の火力発電に匹敵するほど高い一方、高い温度が必要であり、起動に時間がかかることが課題でした。2017年、江口浩一教授(京都大学)はアンモニアの燃焼熱を同時に利用することで、起動時間短縮に成功したのです。

 燃料電池の大型化やアンモニアの流れ方を制御することで、1 kWまで発電能力は向上しました。そして、この燃料電池から窒素酸化物はほとんど発生しません。このアンモニア燃料電池は小型化し、電気が必要なその場で使うオンサイト利用も期待されます。

・・・(後略)
by kuroki_kazuya | 2018-05-14 06:15 | 学ぶ