太陽エネルギーと太陽光発電から水素エネルギー文明へ - パワーエレクトロニクスの新たな出口

水素に関しては、子供たちは皆知っています。

軽くて水素バルーンが楽しいです。

誤って空に飛んでしまいました。

水素は簡単に手に入ります。水素よりも活性の強い金属を酸と反応させることで置き換えることができます。中学校の実験では、亜鉛を希硫酸と反応させて水素を生成します（Zn+H2SO4=ZnSO4+H2）。もちろん、カリウム、カルシウム、ナトリウムなどの金属を希酸と反応させることもできますが、反応の強さに耐えられない可能性があります。

商業用途では、アルミニウムは水酸化ナトリウム溶液と反応して以下を生成します。

2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑

道端で風船を売るのに使われるゼロ圧水素製造機は、アルミニウムと水酸化ナトリウムの反応に基づいて風船に充填する水素を生成します。オープンなので材料の排出とボールの充填が同時に行われます。機械内部に空気圧がないので安全率が高くなります。

水素は簡単に手に入ります。鉄鋼、化学工業などの生産で生産されます。また、塩素アルカリ製造や軽質炭化水素分解の副産物としても生産されます。この水素は都市ガスと混合して燃焼させることもできる。それは残念ではないですか？水素は発熱量が最大 1.4*108J/kg の非常に優れた燃料ですが、天然ガスは 8.5*107J/kg です。さらに、水素を燃焼させる方法は最も環境に優しく、水のみを生成し、二酸化炭素の排出はゼロです。

私たちの冬季オリンピックの聖火は、排出ガスゼロの水素で燃料が供給されます。

では、私たちの熱のどれくらいが水素から来ているのでしょうか?

まずは星空から～

夜空を見ると、星が瞬き、水素がヘリウムに変換されています。私たちの太陽は昼夜を問わず毎秒6億トンの水素を消費し、それを5億9600万トンのヘリウムに変換しています。水素がヘリウムに変わった後、毎秒失われる 400 万トンの物質はどこに行くのでしょうか?アインシュタインの公式 E=mc² によれば、それはエネルギーに変換され、そのうち約 1.5kg の水素が熱を発生させ、それが地球に降り注ぎ、光とエネルギーを与えてくれます。すべてのものは太陽と水素の核融合のおかげで成長します。

水素は環境に優しい燃料ですが、地球上および地球の大気中には自由水素は極めて稀にしか存在しません。地球の地殻では、水素は質量で計算すると全質量の 1% を占め、原子百分率で計算すると 17% を占めます。水素は自然界に広く分布しており、水は水素の「倉庫」です。水中の水素の質量分率は 11% です。石油、天然ガス、動物、植物にも水素が含まれています。空気中の水素はそれほど多くなく、総体積の約5千万分の1を占めます。宇宙全体で、水素は原子百分率で言えば最も豊富な元素です。研究によれば、水素は太陽の大気の原子百分率で 81.75% を占めています。宇宙では、水素原子の数は他のすべての元素の原子の合計の約 100 倍です。

水素は自然界に非常に微量に存在しますが、

しかし、水に水素を求めることはできます。

水ガスプロセス

水性ガスは、水蒸気が赤熱したコークスを通過するときに生成されるガスです。その主成分は一酸化炭素と水素です。

C+H2O(g)=(高温)CO+H2↑

触媒を加えると、石炭1部から2倍の量の水素を生成できます。

C+2H2O(g)=(高温)CO2+2H2↑

石炭から水素を製造するのは非常に便利で、コストも高くありませんが、化石エネルギーである石炭を消費し、二酸化炭素を排出します。このタイプの水素には現在、「グレー水素」という新しい名前が付けられています。

水素は非常に環境に優しいため、燃焼後には水しか生成されず、二酸化炭素の排出はゼロです。水素を製造する過程で二酸化炭素が発生しなければ、生態学的プロセス全体が完璧になります。

また、水素を「クリーン」にし、生成された二酸化炭素を捕獲、貯蔵、利用することもできます。これをクリーン水素と呼びます。回収された二酸化炭素は、コカコーラの原料や生分解性プラスチックの合成などに利用できます。

私たちの目標はグリーン水素を開発することです。

新しいエネルギーを利用して電気を生成し、水素を生成します。

新エネルギー発電とは、風力発電、太陽光発電、水力発電を指します。このプロセスでは石炭や石油を消費せず、二酸化炭素も排出しません。

水素の電気分解に必要なのは水だけです。電気は水を水素と酸素に分解します。つまり、電気エネルギーを水素の形で蓄え、水素エネルギーに変換するのです。

2H2O=2H2↑+O2↑

水素はありますが、水素は何に使われるのでしょうか?

化学原料

現在、水素の主な用途は、石油精製、合成アンモニア、合成メタノール、鉄鉱石の直接還元による鋼鉄生産の 4 つです。他にも数え切れないほどの用途があります。中国は年間2,000万トンの水素を消費している。

水素はクリーンな新しいエネルギーキャリアとして、燃料電池に使用することができます。太陽エネルギーや風力エネルギーなどの再生可能エネルギーは水素に貯蔵され、燃料電池電気自動車、飛行機、船舶で使用することができます。

燃料電池

燃料電池は水素電気分解の逆のプロセスです。発電プロセスでは純水のみが生成されるため、非常に環境に優しいです。さらに、水素の補給は燃料補給と同じくらい迅速かつ便利です。

H2+1/2O2==H2O

燃料電池は新しい技術ではなく、その原理もそれほど複雑ではありません。これらはすでに中学校の授業や実験内容の一部になっています。燃料電池が作動すると、触媒の作用により、陽極の水素が水素イオンと電子に分解されます。水素イオンはプロトン交換膜を通って陰極に到達し、電子は外部回路に沿って陰極（正極）に到達して電流を発生させます。陰極では、空気中の酸素が水素イオンと電子と反応して水が生成されます。

燃料電池は、バッテリーと同様にパワーバンクにすることができます。家庭で電気分解により水素を生成し、水素タンクに充填することもできます。電気は太陽エネルギーから得られるので、とても便利そうです。

燃料電池パワーバンク、出力2ワット

家庭用水素電解装置、23W、1時間あたり3リットルの水素を生成

しかし、自動車用の高出力燃料電池システムはそれほど単純ではありません。それは複雑な発電システムです。エアコンプレッサー、水素ポンプ、ファン、ウォーターポンプなどが必要です。システムにはモータードライバーと各種センサーが必要です。

燃料電池の発電はエンジンのカルノーサイクルによって制限されません。理論上、発電効率は85%～90%に達する。しかし、システムの補助システムの電力消費により、現在の燃料電池のエネルギー変換効率は40％～60％程度です。熱電併給が実現すれば、総燃料利用率は 85% 以上にまで達します。このシステムは日本の家庭で使用できるように工業化されました。 2019年上半期時点で、日本国内の家庭用燃料電池システム「エネファーム」の販売台数は30万台を超えています。

熱電併給燃料電池はガスを効率的に使用する効果的な方法です。下の図は、天然ガス1,000立方メートルのうち27GJが火力発電に使用され、効率は58.5%であることを示しています。代わりに燃料電池を使用すると、40.6GJの天然ガスを使用して15.8GJの電気と22.8GJの熱を生成でき、未使用のGJはわずか2GJとなり、効率は95%になります。

水素を各家庭に普及させることは、高効率社会の発展方向です。

水素はグリーンエネルギーであり、グリーンエネルギーのキャリアでもあります。新エネルギー発電、電気分解から水素製造、燃料電池発電まで、新世界のグリーンエネルギーチェーンを構成します。

水素燃料電池自動車、飛行機、船舶、家庭用コジェネレーション…水素エネルギー文明の時代はすぐそこまで来ています。