【現場レポート】技術者と学ぶ、“次世代脱炭素技術”開発の舞台裏

未来のクリーンエネルギーとして、大きな期待が寄せられる「水素」──。

燃やしてもCO₂が発生しない水素は、そのメリットを活かしてさまざまな用途への展開が期待されている。

そんななか、水素を利活用する次世代技術の開発に挑むのがデンソーだ。

モビリティ領域で培ってきた独自技術を活かし、水素を効率よく製造する「水電解装置(SOEC)」や水素などの燃料を使用して電気を発生させる「燃料電池(SOFC)」など次世代型脱炭素技術の開発を推進。すでに自社内での実証実験も進めている。

西尾製作所「ポケットパーク」内の実証実験施設

そこで今回は愛知県内にあるデンソー広瀬製作所(豊田市)と西尾製作所(西尾市)で行われている技術開発と実証実験の現場をレポート。

次世代技術の開発に挑むキーパーソンへのインタビューから、その技術的挑戦や水素社会実装に向けた想いに迫る。

この記事の目次

    そもそもなぜ「水素」なのか

    次世代技術と実証実験の現場の様子に触れる前に、まずは「水素エネルギー」の基礎を簡単におさらいしておこう。

    本連載の一回目でも取り上げたように、まず水素の特性で最も注目すべきは、「燃やしてもCO₂を排出しない」という点だ。

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    水素(H₂)と酸素(O₂)の化学反応によって燃焼させても、出るのは水(H₂O)だけ。

    しかも酸素と反応した際に生み出されるエネルギーは宇宙ロケットの燃料につかわれるほど大きい。

    石油や天然ガスなどの化石燃料や、太陽光や風力に由来する自然エネルギーなど、さまざまなエネルギー源から「つくる」ことができるエネルギーでもある。

    また電気はたくさんの量をためるには高性能な電池が必要となったり、熱は保温が難しいという特性があったりするが、水素は長期間の保存にも適している。

    たとえば夏に保存しておいた電力を水素にしてためておいて、冬にエネルギーとしてつかうことも可能だ。加えて、貯蔵した水素は別の場所へ「はこぶ」こともできるエネルギーでもある。

    一方で、水素の普及と実用化にはインフラの整備やコスト面などさまざまな課題も指摘される。たとえば、「つくる」工程において天然ガスや石炭など化石燃料を原料とした場合、製造工程でCO₂が発生してしまうことになる。

    そのため水素を理解するには、「何からつくられているのか?」も重要な視点の一つだ。

    水素の製造方法は、以下の大きく3つのパターンに分けられる。

    ①化石燃料からつくられるのが「グレー水素」
    ②化石燃料から水素をつくる際に製造工程で発生するCO₂を回収し、大気中へのCO₂排出量を減らしたのが「ブルー水素」
    ③太陽光や風力などの再生可能エネルギーからつくられた電気を用いて、水を電気分解してつくるのが「グリーン水素」

    現在世界でつくられている水素の99%は、グレー水素と言われている。そのため製造工程でもCO₂を排出しない、グリーン水素をいかに効率よくつくるかが今後の課題となる。

    また社会全体でカーボンニュートラルを実現するには、水素の適切なつかい方を見出し、水素の需要を増やすことも求められている。

    水素をつくる技術、水電解装置「SOEC」

    これらの課題解決に向けて、デンソーでは水素の製造や利活用に関する研究開発を進めてきた。

    「つくる」領域における次世代型水電解装置「SOEC(固体酸化物形水電解)」の開発もその一つだ。

    デンソー広瀬製作所でSOECの開発をリードする小田修三氏は、開発の背景を次のように語る。

    「グリーン水素をつくるのに必要な再生可能エネルギーは、現状ではまだ供給量が少なく、価格も高い。限られたエネルギーを有効活用するには、水素製造の効率を高める技術開発が必要でした」

    2002年、デンソーに入社。基礎研究所、研究開発部にて熱電変換システムの研究開発に従事後、2013年、サーマル事業グループにて車室内快適性向上に寄与する新製品の開発から量産までを担当。その後、環境ニュートラルシステム開発部にてSOECシステムの開発設計に従事。

    そもそも水電解とは、水に電気を流すことで水素と酸素をつくること。水電解にはアルカリ液や高分子膜、セラミック膜を用いる方法などがあり、広瀬製作所ではセラミック膜を用いたSOECで実証実験を行っている。

    「アルカリ液や高分子膜は、60℃前後の低温で反応するため、短時間で起動できる。そのため非定常・変動稼働に適してます。

    特に高分子膜は、高い応答性や柔軟性が重視される工場での再エネ余剰活用などにおいてメリットがあり、工場の水素需要が変動するデンソー福島では高分子膜を使用した水電解装置を用いています。

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    一方、SOECは、セラミック製のセルを積み重ねた『セルスタック』を、高い温度に保つための『ホットモジュール』の中に入れ、水蒸気や電気を送り込んで水電解を行う仕組みです。

    セラミック膜を用いるSOECは600-800℃の高温で水素をつくるため起動には時間がかかりますが、効率よくエネルギーをつくりだすことができるので定常稼働に適しています。

    水は高温になるほど低い電圧で分解できる性質があるので、高温に耐える耐熱性に優れたセラミック素材を水電解装置に用いれば、水素をつくる際のエネルギー消費量を抑え、一定量の水素をより少ないエネルギーでつくりだすことができます」(小田氏)

    SOECによって、より少ない電気で多くの水素をつくることができれば、製造コストも下がり、社会のさまざまな場面で水素の利活用が広がることが期待される。

    そこで広瀬製作所では、水素を「つかう」ための社内実証にも取り組んでいる。

    今年度から着手したのが、パワーカード※1と呼ばれる部品の製造工程における水素活用だ。この社内実証をリードする佐竹雅之氏は、生産ラインに水素を導入するメリットをこう説明する。

    ※1 ハイブリッド車のモーター駆動電力を制御するパワーコントロールユニット(PCU)に用いられる部品

    「パワーカードの製造工程のうち、リフローと呼ばれるプロセスにSOECでつくったグリーン水素を活用しています。

    これは炉に部品を入れて高温に加熱し、はんだを溶かしながら接合する工程です。リフローに水素をつかうと、はんだの表面に付着した不純物を除去できるのが利点です。

    また雰囲気ガス※2で使用している窒素に比べ、水素は7倍も熱伝導率が高い。短時間で作業に適した温度まで上げられるのもメリットです」(佐竹氏)

    ※2 熱処理を行う際に、熱処理炉の中に送入するガス

    1984年、デンソーに入社。現場一筋で、スタータ部品加工、携帯電話の生産活動を経て2001年、先進デバイス事業部に異動しHIC製品の生産に従事。ASIC、センサー、パワーカード、ウエハの工場長を経験し現在は、セミコン製造部CN推進リーダーとして省エネ活動を牽引。

    現在は試作のリフロー炉でシステム実証を行い、製造するパワーカードの品質や環境の安全性を評価。2024年度には工場での実証に移って規模を拡大し、最終的には工場の増産ラインへの実装を目指している。

    水素をつかう技術、燃料電池「SOFC」

    一方、デンソー西尾製作所でも、「つかう」領域において今年5月から新たな実証実験が始動した。

    同社が開発した「SOFC(固体酸化物形燃料電池)」を中心に、太陽光発電や蓄電池などを組み合わせたエネルギーマネジメントシステムの動作検証や評価を行う取り組みだ。

    西尾製作所の「ポケットパーク」内にて、工場の電力需要に応じて太陽光発電による電力をためた蓄電池の充放電や、SOFCの発電量をコントロールし、効率的なエネルギー管理を目指す実証実験が行われている。
    工場内のエネルギーの流れが可視化される独自システムにより、エネルギーの最適化を目指す。

    プロジェクトを統括する石丸雅浩氏は、「“気象情報予測データ”と“工場需要予測データ”を活用し、SOFCの発電量や蓄電量をコントロールする。そしてCO₂の排出量を削減しながら、より効率的かつ安定的なエネルギー供給の実現を目指す」と説明する。

    1983年、日本電装に入社。カーエアコンシステムの設計開発に従事し、イギリス、アメリカ、タイ、トヨタ自動車、計約25年の国内外出向にて営業技術を経験する。2019年、サーマルシステム事業部先行開発部に帰任異動。現在は、SOFCを活用した工場/事業者向けエネルギーマネジメントシステムの開発に従事する。

    そもそも燃料電池は、水素などの燃料と酸素の化学反応によって電気を発生させる技術だが、同時にエネルギーロスとされる熱も生んでしまう。

    このエネルギーマネジメントシステムにおいて重要な役割を担うSOFCは、発電時に発生した熱も内部で有効活用することでCO₂を大幅に削減する。

    SOFCの開発を手がける向原佑輝氏は、その特徴を次のように解説する。

    「燃料電池は材料によって、いくつかの種類に分かれます。たとえばPEFCと呼ばれる燃料電池は、電解質に樹脂製の高分子膜を用います。

    樹脂膜は100℃程度で反応するため、短時間で起動できるというメリットがあり、燃料電池自動車に搭載されているのも、このPEFCです。

    これに対し、SOFCは電解質にセラミック製の膜を用います。セラミック膜は700℃程度と高温での反応となるため、起動には時間がかかりますが、高温になる排熱を利用して燃料を効率よくエネルギーに変換できる特性があります。

    そのため常時稼働し、ほとんど停止することがない用途において貢献できる技術になりえないかと考え実証実験を進めています」(向原氏)

    2005年、デンソーに入社。基礎研究所・研究開発部にて車両用熱交換器の研究開発に従事後、2013年、SOFCの輻射熱マネジメントの設計開発を担当する。2022年、環境ニュートラルシステム開発部に異動。現在は、SOFCのシステム設計開発に従事する。

    高温で作動する特性は、カーボンニュートラルを実現するうえでも大きな意味を持つ。

    現在、気体燃料として広く普及しているのは都市ガスであり、そこから水素を生成するには熱が必要となる。

    SOFCなら内部の高温の熱をそのままつかえるので、都市ガスから水素への変換を高効率で行うことが可能だ。

    「現在のようにまだ水素が普及していない過渡期には、化石燃料を一気に水素に置き換えるのはコストや利便性の面から難しいケースも出てきます。

    そのような時期でもSOFCを活用し、都市ガスなど多様な燃料から効率よく水素を生成すれば、発電する際のCO₂を大幅に削減できる。

    現在から将来にかけての長い時間軸で見た時にも、脱炭素化に大きく貢献できる技術だと考えています」(向原氏)

    水素技術を日本から世界へ

    モビリティ技術を駆使し、水素社会の実装を着実に前へと進めるデンソー。

    同社は「世界に先駆けてカーボンニュートラルな製造業となり、持続可能な社会づくりに貢献する」とのミッションを掲げている。

    現在取り組むSOECやSOFCの技術開発は、その達成に向けた足がかりになるものだ。

    「まずは自社内で実証実験や工場への実装を進め、水素を『つくる』『つかう』技術を確立し、SOECやSOFCを製品として世の中に送り出したい。

    デンソーの技術をさまざまな場面や用途で活用していただければ、それぞれの地域で製造した水素を地域で消費する『エネルギーの地産地消』が可能になります。

    それが日本中の至るところで起これば、水素社会に必要なインフラも整い、社会全体がカーボンニュートラルの実現に近づいていくと考えています」(佐竹氏)

    デンソーが見据える未来は、日本国内だけにとどまらない。イギリスやアメリカなどで約20年に及ぶ海外勤務を経験した石丸氏は、「グローバルで事業を展開する企業として、デンソーの水素技術で世界共通の環境問題を解決することに貢献したい」と語る。

    「私が駐在したイギリスは産業革命発祥の地。工業化によって人々は便利で豊かな生活を手に入れましたが、一方でCO₂の排出量が増え、環境に多大な負荷をかけてきた。

    世界中が同じ課題を抱えている以上、日本だけでカーボンニュートラルは実現できません。デンソーは製造業として、産業革命以来の負の側面をリセットしていく使命がある。私はそう思っています」(石丸氏)

    日本発の水素技術を駆使して、未来を変える──。その思いとビジョンを胸に、デンソーの挑戦はこれからも続く。

    執筆:塚田有香
    デザイン:小鈴キリカ
    撮影:竹井俊晴
    編集:君和田郁弥

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