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FBR水素製造技術開発プロジェクト 企画書
（技術報告）
2004年6月
JNC TN9410 2004-013
核燃料サイクル開発機構大 洗 工 学 セ ン タ ー
可 核燃料サイクル開発機構
（Japan Nuclear Cycle Development Institute）
2004
茄
本資料の全部または一部を複写・複製・転載する場合は、下記にお問い合わせください。
〒319-1184 茨城県那珂郡東海村村松４番地４９ 核燃料サイクル開発機構 技術展開部 技術協力課 電話：029-282-1122（代表） ファックス：029-282-7980 電子メール：[email protected]
Inquiries about copyright and reproduction should be addressed to： Technical Cooperation Section, Technology Management Division, Japan Nuclear Cycle Development Institute 4-49 Muramatsu, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki 319-1184, Japan
JNC TN9410 2004-013 2004 年 6 月
FBR 水素製造技術開発プロジェクト
企画書
FBR 水素製造技術開発 プロジェクト タスクフォース＊１）
要 旨
本企画書は、高速炉(FBR)の熱エネルギーを利用した水素製造プロジェクトにおける、水素
製造技術の特徴、実用化に向けた開発計画・体制(案)についてとりまとめたものである。 電力供給以外の新しい FBR 利用形態の一つとして、水素製造が現在提案されている。これ
は、ナトリウム冷却型高速炉を念頭に、500℃から 550℃程度の熱エネルギーあるいは変換後の
電気エネルギーを利用し水素を製造するものである。 水素は、利用時に二酸化炭素を発生しないためクリーンなエネルギーとして、将来有望な二
次エネルギーとして位置付けられている。一方、今後社会はアジア地域を中心にエネルギー需
要の増加が予想され、現在の化石燃料中心の一次・二次エネルギー供給は、環境への影響と
安定した供給を考えると最善の方策とは言えない。 ｢持続可能なエネルギー供給｣および｢地球環境に優しいエネルギー利用｣の要件を満たす可
能性を持つ｢FBR による水素製造技術｣の開発は、重要なオプションの一つになると考えられ
る。 このような認識の下、将来の水素エネルギー社会の動向を予測しながら、今後サイクル機構
が進める水素製造技術開発の方向性を明らかにし、ハイブリッド熱化学法、低温水蒸気改質法、
及び高温水蒸気電解法の各製造技術を対象に、その課題、スケジュール、予算、開発体制につ
いて提案を行うものである。 ＊１）FBR 水素製造技術開発プロジェクトタスクフォースメンバーは、付録‐3 に記す。
- i -
JNC TN9410 2004-013 June 2004
Development of Hydrogen Production Technology using FBR
(Planning Report)
Task force for the development project of hydrogen production technology using FBR*1)
ABSTRACT
This report describes the features of technology, the schedule and the
organization for the research and development regarding the hydrogen production technology using FBR thermal energy.
Now, the hydrogen production system is proposed as one of new business models for FBR deployment. This system is the production of hydrogen either thermal energy at approximately from 500℃ to 550℃or electricity produced by a sodium cooled FBR.
Hydrogen is expected to be one of the future clean secondary energies without carbon-dioxide emission. Meanwhile the global energy demand will increase, especially in Asian countries, and the energy supply by fossil fuels is not the best choice considering the green house effect and the stability of energy supply.
The development of the hydrogen technology using FBR that satisfies “sustainable energy development” and “utilization of energies free from environmental pollution” will be one of the promising options.
Based on the above mentioned recognition, we propose the direction of the development, the issues to be solved, the time schedule, the budget, and the organization for R&D of three hydrogen production technologies, the thermochemical hybrid process, the low temperature steam reforming process, and the high temperature steam electrolysis process in JNC. *1) Task force members are listed in Appendix-3.
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目 次 1. はじめに-------------------------------------------------------------------------------- 1 2. 将来の水素利用シナリオ----------------------------------------------------------- 2
2.1水素利用シナリオ--------------------------------------------------------------- 2 2.2経済性の目標--------------------------------------------------------------------- 6
3. 高速炉による水素製造技術開発の意義----------------------------------------- 8 3.1高速炉を用いた水素製造技術の種類とその特徴------------------------ 8 3.2大洗での研究開発の意義------------------------------------------------------ 10
4. 研究開発の基本的な進め方-------------------------------------------------------- 11 5. ハイブリッド熱化学法-------------------------------------------------------------- 13
5.1研究開発の現状------------------------------------------------------------------ 13 5.2研究開発課題の抽出------------------------------------------------------------ 17 5.3研究開発スケジュール--------------------------------------------------------- 19 5.4研究開発の利用施設-------------------------------------------------------------- 23 5.5 予算展開--------------------------------------------------------------------------- 31
6. 低温水蒸気改質法------------------------------------------------------------------- 33
6.1研究開発の現状----------------------------------------------------------------- 33 6.2研究開発課題の抽出----------------------------------------------------------- 35 6.3研究開発スケジュール-------------------------------------------------------- 36 6.4予算展開-------------------------------------------------------------------------- 36
7. 高温水蒸気電解法------------------------------------------------------------------- 38
7.1研究開発の現状----------------------------------------------------------------- 38 7.2研究開発課題の抽出----------------------------------------------------------- 40 7.3研究開発スケジュール-------------------------------------------------------- 40 7.4予算展開-------------------------------------------------------------------------- 41
8. プロジェクト推進体制(案) ------------------------------------------------------- 44
8.1プロジェクトチームの概要-------------------------------------------------- 44 8.2外部との関係-------------------------------------------------------------------- 45
9. まとめ---------------------------------------------------------------------------------- 49
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10.おわりに---------------------------------------------------------------------------------- 55 謝辞----------------------------------------------------------------------------------------- 56 参考文献----------------------------------------------------------------------------------- 57 付録-1 海外および国内他研究機関の水素製造技術開発状況-------------- 付-1(1) 付録-2 将来の水素利用社会の展望と代表的な水素製造方法-------------- 付-2(1) 付録-3 プロジェクトタスクフォースのメンバーリスト-------------------- 付 3(1)
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1. はじめに
本企画書は、大洗工学センターに設置された「FBR 水素製造技術開発プロジェクトチーム」
において、高速炉（FBR）の熱エネルギーを利用した水素製造プロジェクトについて、水素製
造技術の特徴、実用化に向けた開発計画・体制(案)をとりまとめたものである。
従来の FBR 開発は、主に電気エネルギーを供給することが目的であったが、電力供給以外
の新しい FBR 利用形態の一つとして水素製造が提案されている。一般的な水素製造方法とし
ては、水蒸気改質法、電気分解法、熱化学法、直接熱分解法など数多く挙げられるが、高速
炉、ここではナトリウム冷却型高速炉への適用を念頭に置いて、その 500℃前後の熱エネル
ギーあるいは変換後の電気エネルギーを利用して水素製造が可能とされている、「水蒸気改質
法」、「電気分解法」、「熱化学法」の３つの方法を対象に検討を行なった。水素は、利用時に
は二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギーであり、製造時においても極力二酸化炭素
を排出しない製造技術が望まれることは言うまでもない。一方、将来社会は開発途上国を中
心にますますエネルギー需要が増加する上、現在の化石燃料中心から水素エネルギーおよび
電気エネルギーにシフトすることが予想されている。このため、水素供給においても長期間
安定的に供給が可能であることが大切な要件である。
これら「長期間安定なエネルギーの供給」および「地球環境に優しいエネルギー利用」の
２つの要件を満たす可能性を持った「FBR による水素製造技術」の開発は、今後、ますます
重要となることが考えられる。
このような認識の下、将来の水素エネルギー社会の動向を予測しながら、今後サイクル機
構が進める水素製造技術開発の方向性を明らかにし、各製造技術の課題、スケジュール、予
算、開発体制の提案を行うものである。
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2. 将来の水素利用シナリオ
現在、世界全体の水素生産量は年間約 5 千億 Nm3*１といわれ、その約 97％は天然ガスやナ
フサなどの化石資源から製造されている。また、水素消費の約 40%はアンモニア合成が占め、
約 20%を石油精製で消費し、その他に石油化学製品や金属加工、電子産業などで原料や反応
物質として利用している【付録 2-1】。水素をエネルギーキャリアとして利用する試みは、日本
に比べ運輸部門のエネルギー消費量が多い欧米で早くから着手されており、その応用範囲は
自動車、船舶、航空機の輸送機関全般に渡る[1]。ちなみに運輸部門の化石燃料自動車が水素
燃料電池自動車に全て置き換わった場合、世界全体の水素消費量は発熱量換算＊２で約 2兆Nm3
の増大が見込まれ、あわせて CO2や NOxなどの温室効果ガスの直接放出も抑制できる。しかし
ながら、化石資源を原料とする水素利用の拡大は、天然ガスなどの大量消費や価格上昇とい
った社会問題を誘発する原因にも成り得る。したがって、化石資源に依存しない水素製造方
法と一次エネルギー供給技術との組み合わせは、安定した水素社会の礎となり、真の意味で
の「エネルギー自給率向上」と「地球環境対策」につながるため、将来のエネルギー戦略立
案において重要な意義をもつ。そのため、先進主要国では今後 15 年～30 年の間に水素利用
技術および供給技術の課題や経済性を改善すべく開発を進めており、原子力水素製造（以後、
「原子力水素」という）も重要なオプションとして開発項目に掲げている。
また、水素社会を支えるための技術開発や戦略立案においては、短期的あるいは中・長期
的な視点から需要規模、導入技術、目標コストなどについて検討し、将来のエネルギー・環
境政策と整合性の取れた水素利用ならびに原子力利用の道筋（シナリオ）を描くことにより、
研究開発機関における技術開発方針策定、産業部門の事業計画策定、原子力利用政策の立案
など、さまざまな分野やステージで行われる意思決定において、基本的な方向づけを提供し
ていくことも可能になる。したがって、今後は原子力水素の実用化や普及を目指すうえでの
シナリオ構築も重要であり、FBR 水素製造技術開発プロジェクトの一環として具体的な検討
を進めていく必要があると考える。
2.1 水素利用シナリオ
これまでサイクル機構が実施した水素利用の検討事例について概括する。
(1) 産業部門での水素利用の可能性[2] 【付録 2-1,2】
国内の水素需要量は年間約 150 億 Nm3といわれ、約 50%が石油精製で使用され、その他
にアンモニア合成、メタノール合成などの工業原料として消費されている。また、主にボ
ンベで流通している外販水素の需要量は年間約 1.5 億 Nm3であり、電子工業、金属工業、化
学工業の分野で使用されている。既に産業部門では大量の水素を消費しているが、エネル
ギー利用としては①鉄鋼石の還元剤利用、②ボイラー燃料としての水素利用が考えられる。
＊１ ０℃、1気圧の標準状態下での気体の体積
＊２ 燃料電池自動車のエネルギー効率を化石燃料自動車の３倍として、2000 年の運輸部門の 終エネルギー
消費量と水素発熱量を基に算出した。
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①鉄鋼石の還元剤利用
鉄鋼業の 終エネルギー消費量は産業部門全体の約 24%を占め、その約半分（約 19,000×1010kcal）がコークスによるものである。これは国内全体の 終エネルギー消費の約
5%に相当する。鉄鋼業では高炉の中で鉄鉱石の還元剤としてコークスを使用しており、
このコークス使用量の 20～50%を水素に置き換えると仮定すると、水電気分解法による
水素製造を採用した場合には約７～18GWe の原子力発電所の追加が必要となる。
②ボイラー燃料としての水素利用
ボイラー燃料は産業部門で燃料として消費する 終エネルギーの約 18%（約 30,000×1010kcal）を占めており、国内全体の 終エネルギー消費の約８%に相当する。このボ
イラー用重油の使用量の 50～100%を水素に置き換えると仮定すると、水電気分解法に
よる水素製造を採用した場合には約 31～62GWe の原子力発電所の追加が必要となる。
本ケースの場合、水素製造時およびボイラー加熱時に CO2 を排出しないが、核エネルギ
ーを熱→電気→水素→熱へと変換するため、効率が悪いことなどが課題として挙げられ
る。
(2) 民生部門での水素利用の可能性[2] 【付録 2-2】
民生部門における水素利用は、都市ガスへの水素の混入利用などがあるものの、産業部
門に比べてほとんど需要はないと考えてよい。将来の民生部門における水素利用の可能性
としては、固定式燃料電池による①家庭部門での暖房・給湯用としての利用、同じく②業
務部門での暖房・給湯用としての利用が想定される。
①家庭部門での暖房・給湯用としての水素利用
家庭部門の冷暖房・給湯用エネルギーは民生部門全体の約 34%を占めている。また、
エネルギー別で見た場合、灯油は民生部門全体の約 13%を占めており、そのほとんどは
冷暖房用および給湯用として利用（約 12,500×1010kcal）されている。これは国内全体
の 終エネルギー消費の約４%に相当する。この灯油の使用量の 50～100%を水素に置
き換えると仮定すると、水電気分解法による水素製造を採用した場合には約 16～32GWeの原子力発電所の追加が必要となる。
②業務部門での暖房・給湯用としての水素利用
業務部門の冷暖房・給湯用エネルギーは民生部門全体の約 37%を占めている。また、
エネルギー別で見た場合、石油は民生部門全体の約 16%を占めており、そのほとんどは
冷暖房用および給湯用として利用（約 15,000×1010kcal）されている。これは国内全体
の 終エネルギー消費の約４%に相当する。この石油の使用量の 50～100%を水素に置
き換えると仮定すると、水電気分解法による水素製造を採用した場合には約 19～39GWeの原子力発電所の追加が必要となる。
(3) 運輸部門での水素利用の可能性[2], [3] 【付録 2-2～6】
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運輸部門における将来の水素利用として、水素を搭載した燃料電池自動車の普及が考
えられる。水素燃料電池自動車（以後、水素 FCV）の本格導入が見込まれる今後 50 年
～100 年先の運輸部門の自動車保有台数や水素 FCV 導入ペースなどをパラメータ条件
とし、電気分解法・低温水蒸気改質法・ハイブリッド熱化学法による水素製造用原子力
プラントの設備容量、運輸部門の CO2削減量および消費端での石油資源節約量について
定量評価を行った。本評価では 2050 年以降およそ 50～70GWe の原子力発電所の追加
が必要になるものと予想され、CO2 排出量や石油資源消費量についても大幅な削減が期
待される。評価結果の代表値を以下に示す。 ①FCV 置換完了年 2055 年 （2050 年～2060 年） ②水素製造用原子力設備容量 約 62.5GWe（約 48GWe～75GWe） ③CO2排出削減量 約 5,352 万 t-C（約 3,900 万 t-C～6,000 万 t-C） ④石油消費節約量 約 7,525 万 kl（約 6,000 万 kl～9,000 万 kl）
(4) 原子力水素社会の資源・エネルギーフローの概念と地域における水素利用
①原子力水素社会の資源・エネルギーフローの概念[4], [5] 【付録 2-7～9】
ここでは、一次エネルギーとして代表的な自然エネルギー、化石エネルギーおよび原
子力エネルギーの特徴を概括するとともに、将来の水素利用社会をイメージ化した場合
に想定される、それぞれの位置付けと協調概念について述べる。 自然エネルギーは出力密度が小さいものの、環境面での立地制約が少ない特長をもつ。
化石燃料は貯蔵や運搬が容易なことから様々な熱機関や動力機関で利用されているが、
煤塵や温室効果ガスの放出等の環境影響および化石資源の偏在性と有限性を考慮する必
要がある。原子力は出力密度が高く、FBR サイクルでは軽水炉燃料の濃縮工程で発生す
るテイルウランや使用済み燃料のリサイクル利用が可能なことから、核燃料資源の国内
需給を通してエネルギーセキュリティの向上と一次エネルギーの一部について持続的供
給が期待できる。また、放射性物質を取り扱う原子力施設は環境や公衆に対する潜在的
リスクを内包しており、放射線や放射性物質の影響を顕在化させないための安全管理や
予防保全が開発当初から導入されて
いる。これらの一次エネルギーの特徴
を踏まえ、将来の水素利用社会で想定
される資源とエネルギーの循環フロ
ーを図 1 に示す。 図 1 では、化石燃料に代わって水素
が流体燃料の主役を担い、化石資源は
主に産業部門で工業用原料としてリ
サイクル利用が行われる。また、再生
可能（自然）エネルギーを利用した分
再 生 可 能エ ネ ル ギ ー（ 分 散 型 ）
電力 ・ 熱
希少元素
原料としての水素各種エネルギー
資源回収・原料供給
電力・水素供給
電力系統
化石資源のリサイクル型産業構造
核 燃 料サ イ ク ル（ 大 規 模 型 ）
水 素 利 用シ ス テ ム
運輸・民生
産業
環境に配慮した循環型
エネルギー利用社会
化石資源は原料利用に
徹したリサイクル社会
水 素
（例：廃プラスチック等）
再 生 可 能エ ネ ル ギ ー（ 分 散 型 ）
再 生 可 能エ ネ ル ギ ー（ 分 散 型 ）
電力 ・ 熱
希少元素
原料としての水素各種エネルギー
資源回収・原料供給
電力・水素供給
電力系統
化石資源のリサイクル型産業構造
核 燃 料サ イ ク ル（ 大 規 模 型 ）
核 燃 料サ イ ク ル（ 大 規 模 型 ）
水 素 利 用シ ス テ ム
運輸・民生
産業
環境に配慮した循環型
エネルギー利用社会
化石資源は原料利用に
徹したリサイクル社会
水 素
（例：廃プラスチック等）
図 1 水素利用社会の資源・エネルギーフローの概念
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散型システムの国内供給規模は、原油換算で約 2,000 万 kl～3,900 万 kl が物理的限界潜
在量とされている。これは 2000 年度の国内一次エネルギー供給量の 3%～７%程度にと
どまることから、再生可能エネルギーは地域に密着した局所的なエネルギー生産（電力
生産、水素生産）としての活用が見込まれる。大規模システムに位置付けられる原子力
は、基幹電源としての電力生産はもとより、将来普及が予想される水素 FCV および定
置式燃料電池や水素ガスタービンを用いたコジェネレーション等へ供給する水素生産、
電力と水素の生産比率変更による負荷平準化運転、再生可能エネルギーを利用した分散
型システムのバックアップ機能等、エネルギー利用面で広範囲に渡る貢献が期待される。
また、水素はアンモニア合成の原料ガスや合成樹脂の添加剤等に利用されており、鉄鋼
業では還元剤としての利用が考えられる。さらに、水電気分解水素製造プラントでは大
量の副生酸素が供給可能になることから、水素および酸素の安定供給を通じて産業部門
との直接的な連係も期待される。一方、核燃料サイクルの使用済み燃料の再処理廃液中
には、パラジウム（Pd）やルテニウム（Ru）等の白金族系希少元素が含まれており、資
源として貴重なこれらの元素は触媒や電極材料等への利用が考えられるため、原子力利
用ではエネルギー資源と金属資源の同時生産というユニークな付加価値が期待できる。 ②地域における水素利用
アイスランドの「水素社会」宣言は国レベルの取り組みとして有名であるが、わが国
では地域レベルの取り組みとして「屋久島クリーンエネルギーパートナーズ構想」が提
案されている。屋久島の構想では、島内の化石燃料自動車を全て水素化し、世界自然遺
産の島にふさわしい水素社会の実現を図るとともに、水素供給基地の実現、水素社会の
モデル化を通しての人材育成、知的資産の形成や国際交流への寄与を目的としている。
このような地域性を活かした水素利用は国内各地でも可能と考える。
例えば大洗町・旭村地区では、船舶やハウス栽培による水素利用あるいは定置式燃料
電池の活用、関連技術の開発や産業化が期待される。
・船舶用エネルギーとしての水素利用
大洗町は関東でも有数の漁港をもつとともに、北海道と首都圏の流通を担うフェリ
ー基地でもある。この大洗港を往来する船舶の主な動力源はディーゼルエンジンであ
り、燃料は軽油や重油を使用している。ディーゼルエンジンの冷却水や燃料漏れは海
洋汚染の原因となり、とくに海流が停滞しやすい湾内では油膜やピッチが環境を損ね
る要因になっている。このような海洋汚染や港湾汚染を軽減するため、船舶用動力源
としての水素エンジンの開発と普及が考えられる。海外では水素エンジンをバスの動
力源に使用しているため、技術的にはほぼ確立していると考えられる。しかし、船舶
用としての信頼性向上や燃費向上などは、地域で技術開発を進めれば地域産業の活性
化につながるものと考える（造船業は地場産業的な色彩が強いため、地元企業がネットワーク
を組めば技術開発可能と思われる）。また、港湾近辺に水素供給施設を設置した場合、往来
する船舶や大型車への供給のみならず、船舶輸送による水素供給も期待できる。さら
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に、クリーンな港湾は観光イメージや地元で採れた海産物などの好印象化につながる
と考える。
・ハウス栽培や畜産業における燃料電池利用
ハウス栽培や畜産業では、燃料電池で発生した電力と熱を効率的に利用することが
可能と考えられる。水素供給源としては農作物や畜糞などのバイオマスガスも想定さ
れるが、地域や生産規模によってはエネルギー需要を満足しないケースも生じ得るこ
とから、外部燃料供給方式の燃料電池システムを複数の農家が共用する事業運営が考
えられる。また、ハウス栽培や畜産業で扱う温度レベルは農産物や畜産物の製品加工
時を除けば常温近傍であることから、農業に適したコジェネレーションシステムを地
域に密着した企業が製品化し、さらにメンテナンスを行うことにより工業分野の活性
化も期待される。
(5)水素利用の普及課題
将来の水素社会においては、供給インフラストラクチャーの整備と水素製造原子力プラ
ントの立地条件が普及課題として想定される。
① 水素供給インフラの整備
水素製造地点から水素利用地点までの輸送を、安全かつ低コストで実現する方策とし
て、車両輸送、船舶輸送、パイプライン輸送及び利用地点での水素製造などがあげられ
るが、適正な方式は輸送区間の距離や輸送量などで異なることから、地勢的制約や水素
需給量などを考慮した複数のモデルケースを想定し、具体的に検討を進めていく必要が
ある。
② 水素製造用原子力プラントの将来像
水素製造用原子力プラントの国内配置については、小型炉による分散配置、あるいは
電力供給と同様に大型炉を用いた集中立地などが検討されているが、具体的な将来像に
ついては地勢的制約、社会的受容性ならびに経済性を評価したうえで、水素供給インフ
ラとセットでモデルケースを提案する。
2.2 経済性の目標【付録 2-10】
将来の水素供給価格の目標は現行のガソリン価格を一つの目安にしており、国内の場合は
水素 FCV のエネルギー効率を考慮に入れた発熱量換算で、ガソリン価格への課税分を除いた
40 円/Nm3前後が設定されている。一方、海外の例として、ガソリン価格が日本よりも安価な
米国の場合は、約 30 円/Nm3を目標としている。
燃料電池実用化戦略研究会 2020 年ごろ 40 円/Nm3以下
米国 DOE Hydrogen Program 2017 年 約 30 円/Nm3
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また、水素製造コストについては、水素の原料（副生ガス、メタンガス、石炭ガスなど）
や製造方法で異なるが、供給価格に含まれる輸送費や事業経費、収益などが５割程度と見込
めることから 20 円/Nm3前後が目標の目安になると考えられる。なお、公表されている水素製
造コストならびに供給価格の目標値については、評価者あるいは評価機関によって算定方法
にバラつきが見られるため、経済性評価手法の標準化も今後の検討テーマになり得ると考え
る。
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3. 高速炉による水素製造技術開発の意義
原子力水素製造が世界規模で本格化した場合には、将来の原子力設備容量は発電用以上に
増加すると考えられることから、ウラン資源問題が切迫する事態も生じ得る。ちなみに 2000年の世界全体の自動車による 終エネルギー消費量を基に水素 FCV の水素需要量と水素製造
用原子力設備容量を試算すると、水素需要量は約 2 兆 Nm3、水素製造用原子力設備容量は発電
用の約 3 倍に相当する約１TWe（水電気分解法を採用した場合の試算）が見込まれる。
高速炉サイクルでは、軽水炉では核分裂しにくいウラン 238 を容易にプルトニウム 239 に
変換し、リサイクル後に新たなエネルギー資源として活用できるため、効率的なウラン利用
による一次エネルギーの持続的供給が可能になる。また、軽水炉使用済燃料に含まれる長半
減期核種のマイナーアクチニドを高速炉で燃焼することによって、高レベル廃棄物の減量化
ならびに環境負荷の低減が期待される。このような特徴をもつ高速炉を一次エネルギー源と
する電力生産と水素製造は、エネルギーセキュリティの確保と地球規模の環境問題に取り組
んでいるわが国にとって、エネルギー自給率の向上ならびに環境改善に適したエネルギー供
給方法として開発の意義は大きいと考える【付録 2-11】。
3.1 高速炉を用いた水素製造技術の種類とその特徴
水素製造方法としては、熱・電気・光などのエネルギー源を利用した様々な手法が存在す
るが、原料別で見た場合にはメタンガスや石炭などの炭化物を用いた製造方法と水を用いた
製造方法とに大別できる。一般的にメタンガス、石炭やバイオマスなどを利用した水素製造
方法は、生成した水素の発熱量に対して投入エネルギー量が少ない利点があるものの、副生
ガスとして生じる CO あるいは CO2の回収・固定処理が必要になる。一方、水を原料とする
水素製造方法では高純度の水素が得られ、温室効果ガスが発生しない特徴をもつが、エネル
ギー効率の向上が開発課題である。【付録 2-12,13】
高速炉を用いた水素製造方法もメタンガスなどの炭化物を原料とした製造方法と水を原料
にした製造方法に大別でき、前者は水素社会移行期、後者は水素社会成熟期の技術として位
置付けられる。高速炉の核熱エネルギーならびに電力が利用可能な水素製造技術の概要を以
下に記す。【付録 2-14】
(1)水素社会移行期の水素製造技術
① 低温水蒸気改質法
天然ガスや軽質炭化水素を原料に使用する方法であるが、これらの水蒸気改質の際に
生成する反応生成物を反応場から積極的に除去することにより低温での反応効率を改善
し、高速炉の運転温度相当の 550℃前後で改質反応が行われる。代表例としては、反応
場における生成物の除去方法が異なる SERP 法（米国 Air Product 社：CO2除去）やパ
ラジウム膜を利用した分離法（東京ガス・三菱重工：H2除去）があり、両技術は既に実
用化されている。
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② プラズマ触媒法
連続マイクロ放電あるいはパルスマイクロ波放電を利用して 400～600℃程度の低い
反応温度でメタンなどを水素と炭素に分解する方法であり、主に日本・米国・ロシアで
研究中である。
③ メタン直接熱解離法
鉛などの溶融金属中に直接メタンガスを注入し、溶融金属の熱エネルギーにより炭化
水素を水素と炭素に熱解離する製造方法である。CO2フリー反応という特徴をもつ反面、
溶融金属中に拡散した炭素の回収技術、溶融金属の高温腐食に適応した材料開発などの
開発課題がある。
(2)水素社会成熟期の水素製造技術
① 水電気分解法
水を水素と酸素に分解するためのエンタルピー変化（⊿H）相当のエネルギーを電気
（一部を熱で補うケースもある）で印加する方法である。水分解に必要な⊿
H=286kJ/mol(at 25 ℃ ,1atm) 、 Gibbs の 自 由 エ ネ ル ギ ー 変 化 ⊿ G=237kJ/mol（at25℃,1atm）は電圧換算でそれぞれ 1.48V、1.23V であり、⊿H－⊿G については熱
として印加することも可能である。代表的な製造方法としてはアルカリ水電解法、固体
高分子水電解法、固体酸化物水電解法があげられ、それぞれ電解質および電解温度など
が異なる。
・ アルカリ水電解法
電解溶液に水酸化カリウムを使用し、電極などに鉄系材料が使用できることから
100 年以上の工業実績をもつ。近年は電力価格の上昇と生産効率の低さが原因し、ア
ルカリ水電解法よりも高温水蒸気改質法による生産割合が高い。
・ 固体高分子水電解法
電解質溶液の代わりにフッ素イオン樹脂系のイオン交換膜を固体電解質膜として用
いる水電解法である。電解温度は約 100℃前後で扱いやすく、コンパクト構造、高効
率（85%以上）に加え、腐食がなく、保守性に優れる等の特徴をもつが、さらなる高
効率化と低コスト化の研究が進められている。
・ 固体酸化物水電解法
高温ほど電解電力が少なくなる特性を活かして、電解温度を 900～1000℃に高めた
水電解法である。高温条件に適応した材料開発やスケールアップ技術などの研究課題
も多く、研究段階の水素製造技術である。
② 熱化学法
熱化学法は複数の化学反応を組み合わせ、反応物質を循環させながら、水を熱的に分
解する方法である。比較的高い効率50%が期待でき、CO2を発生しないメリットの反面、
ハイブリッド熱化学法を除けば一般的に 800℃～900℃の高温を必要とし、プロセス全体
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の複雑化や高耐食性材料の開発などの課題をもつ。代表的な製造方法としては、米国 GA社が開発した IS(Iodine-Sulur)プロセスや東京大学で開発された UT(University of Tokyo)-3 プロセスがあり、IS プロセスは日本原子力研究所の HTTR に、UT-3 プロセス
は米国 ANL の START-H2 プロジェクトで高温液体金属炉に組み合わせる研究が行われ
ている【付録 2-15】。一方、ハイブリッド熱化学法は米国 W.H 社が提案した硫酸分解法を
ベースにしているが、SO3 から SO2 と O2 への熱分解に電気分解を適用し、反応温度を
約 800℃から高速炉運転温度相当の約 500℃に低温化を図っている。
③ 放射線水分解法
酸化チタン電極などにγ線を照射して水の光分解反応によって水素を製造する方法で
ある。原子力施設で利用されていない放射線を活用する方法は、熱化学法のような複雑
なシステムを必要とせず、エネルギー利用効率を純増させることができることから、高
速炉でも適用が期待される方法である。同様な方法である光化学法の効率から考えて、
エネルギー変換効率が低いと推定されることから、効率向上策の検討が不可欠である。
3.2 大洗での研究開発の意義
FBR 水素製造プラントという原子炉施設と化学施設の複合プラントを具体化し、その安全
論理を構築するには、高速増殖原型炉「もんじゅ」の設計・製作・建設に係る R＆D を通し
て培ってきた高温構造技術、伝熱流動評価技術、高速炉安全評価技術、ナトリウムと異流体
間の化学的相互作用に係る知見とともに、東海再処理施設で長年に渡って蓄積した化学処理
技術との融合が肝要であると考える。その点では、大洗工学センターは高速炉サイクル全般
に渡る設計スタッフを揃えており、FBR 水素製造プラントの安全論理構築において必要なコ
ールド試験や安全解析を進めるための施設と技術基盤を備えている。また、安全ガイドライ
ン立案においては、高速実験炉「常陽」を原型プラントとして想定した検討を設計スタッフ、
運転スタッフ、PSA 評価スタッフの各視点から積み上げ、コールド試験や各種シミュレーシ
ョン解析により確証していくことにより、一般社会に反映し得る実践的な安全指針の構築が
期待される。
加えて、将来社会に期待される原子力像を探るためには、原子力の位置付けや都市近郊立
地の可能性、水素インフラを含めたエネルギーと都市システムとの在り方などについて幅広
い分野の意見を参考にする必要があると考えられることから、社会科学や都市システム工学、
エネルギー関連の学部をもつ大学との相互協力を得るうえでも、県内大学との結びつきをも
つ当センターが研究フィールドとしてふさわしいと考える。
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- 10 -
4. 研究開発の基本的な進め方
FBR を用いた水素製造の研究開発は、以下の基本的な考え方に沿って進める。対象とする
FBR はナトリウム冷却型 FBR とし、水素製造に利用できる温度は 500℃付近を想定した。
①ハイブリッド熱化学法は、FBR 水素製造技術の理想的な姿として、本命オプションと位置
付ける
②低温水蒸気改質法は、将来社会の水素ニーズへの対応を考慮しつつ、比較的短期に実現
可能な技術として、代替オプション 1 と位置付ける
③高温水蒸気電解法は、二酸化炭素をほとんど排出しないハイブリッド熱化学法の代替技
術として、代替オプション 2 と位置付ける
④段階的な開発を進め、適切な時期にチェックアンドレビューを実施し、次の開発ステッ
プへ進むかどうか判断する
⑤当面、研究開発は計算コードによる評価やコールド施設による試験を中心に進める
⑥大洗を研究開発の拠点として、既存の施設を有効利用する
⑦開発資金はサイクル機構の予算を中心に、外部の競争的資金（各種公募）も有効活用す
る
⑧試験で製造した水素は周辺自治体への供給も視野に入れる
⑨情報交流や共同研究を目的とした国際協力にも積極的に取り組む
⑩日本原子力研究所との統合後の研究開発の進め方については改めて検討する
ハイブリッド熱化学法は、サイクル機構大洗を中心に、資源（人材、資金、設備）の多く
を優先的に投入し、原理確認の段階からシステム成立性確認、試験プラント(コールド)、原
型プラント建設と段階的に開発を進める。 初の数年間の実現性確認の段階で実用化の見通
しを付ける。原型プラント建設の段階では、コールド施設での実証を第 1 オプションとし、
「常陽」での実証を第２オプションとする。また、各種公募の機会を利用するとともに国内
外の研究機関との共同研究も積極的に進める。
低温水蒸気改質法は、現時点でハイブリッド熱化学法より比較的技術開発が進んでいるこ
とから、実証の時期が早いと思われる。チェックアンドレビューにおいて、ハイブリッド熱
化学法の実用化の見通しが得られないと判断された場合、本格的な技術開発に着手し早期の
実用化を目指す。小規模試験プラント（コールド）での実証後、原型プラント建設の段階に
おいては、コールド施設でスケールアップ技術を実証する技術的な意味合いが小さいことか
ら、実際の原子炉「常陽」に接続して実証することを第 1 オプションとし、コールド施設で
の実証を第２オプションとする。但し、 も早く周辺自治体に水素を提供するという地元へ
の PR 効果を狙う場合には、コールド施設オプションが有効である。また、将来社会の水素ニ
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- 11 -
ーズの状況によっては、規模を小さくしたコールド施設を用いて実証試験を行なうことも考
えられる。ハイブリッド熱化学法の実用化の見通しがある間は、公募等外部の競争資金の活
用を中心とし、ハイブリッド熱化学法の実用化の見通しがなくなった後は、本格的に資源（人
材、資金、設備）を投入する。なお、低温水蒸気改質法では、二酸化炭素の回収・貯蔵・処
分の技術開発にも取り組む。
高温水蒸気電解法は、ハイブリッド熱化学法と同様二酸化炭素をほとんど排出しない環境
影響の少ない優れた技術である。ハイブリッド熱化学法の実用化の見通しが得られないとチ
ェックアンドレビューで判断された場合、主たる低温水蒸気改質法の開発と平行して、基礎
的な技術開発に着手し実用化の見通しを探る。それまでの間、主に国内外の技術開発の動向
調査を行なう。小規模試験プラント（コールド）での実証後、原型プラント建設の段階にお
いては、低温水蒸気改質法と同様、コールド施設でスケールアップ技術を実証する技術的な
意味合いが小さいことから、実際の原子炉「常陽」に接続して実証することとした。
図 4.1 に各製造方法について試験プラントおよび原型プラントの導入の考え方をまとめた。
ハイブリッド熱化学法では試験プラントからコールドの原型プラントへ、低温水蒸気改質法
および高温水蒸気電解法では試験プラントから｢常陽｣を用いた原型プラントへと開発を進め
ることを第 1オプションとして採用した。
図 4.1 試験プラントおよび原型プラントの導入の考え方
ハイブリッド熱化学法
低温水蒸気改質法
高温水蒸気電解法
製造方法 コールド施設 ホット施設（常陽）
第2オプション
原型プラント
原型プラント
試験プラント
実用化プラント
試験プラント 原型プラント
原型プラント
原型プラント
試験プラント
第１オプション第2オプション
第１オプション
ハイブリッド熱化学法
低温水蒸気改質法
高温水蒸気電解法
製造方法 コールド施設 ホット施設（常陽）
第2オプション
原型プラント
原型プラント
試験プラント
実用化プラント
試験プラント 原型プラント
原型プラント
原型プラント
試験プラント
第１オプション第2オプション
第１オプション
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5. ハイブリッド熱化学法
5.1 研究開発の現状
(1) 原理・特徴 原子炉から得られる熱と電気を併用することで、従来の熱化学法では不可能
であった高速増殖炉運転温度(約 500℃)での反応を可能とし、かつ消費電力を水
の直接電気分解に比べ大幅に低減できる、ハイブリッド熱化学法（以下、ハイ
ブリッド法という。）水素製造技術の開発を行っている。 一般的に、熱化学法とは複数の化学反応を組み合わせ、熱的に水を水素と酸
素に分解する方法であり、これまで 2,000～3,000 を超えるプロセスが提案され
ている。その特長は、1) 原料が地球上にほぼ無尽蔵に存在する水である、2) 製造過程で CO2を排出しない、3) 40%を超える熱利用効率が期待できるというこ
とにある。これまで、国内外で高温ガス炉を熱源とする検討は多数行われてい
るが、800℃～900℃の温度が必要なため、FBR への適用検討は希少である。 ハイブリッド法は、基本的には硫酸使用プロセスの一つである以下で表され
るウェスティングハウスプロセスに基づいている。 2H2O ＋ SO2 → H2SO4 ＋ H2 (＜100℃) ：電気分解 ［１］ H2SO4 → H2O ＋ SO3 （400℃） ［２］ SO3 → SO2 ＋ 1/2 O2 （800℃→500℃） ［３］ このプロセス中で も高温を必要とするのは 800℃で行われる SO3分解（[3]式）
であるが、ここに電気分解を導入することで約 500℃という FBR に適用可能な
温度とすることができる。この電気分解は、理論的には約 0.2V 以下の低い電圧
で行えることから、水素を製造するもう一つの主たる電気分解（[1]式）で必要
となる電圧(0.5V 程度)を合わせても、プロセス全体で 1V 以下と、通常の水の電
気分解電圧(約 2V)の 1/2 以下に留まることが期待できる。また、図 5.1.1 に示す
ようにプロセスは代表的な熱化学法である IS プロセス等と比較して非常に簡素
な構成となり、さらに、低温化によりプラント構成材料の腐食問題も軽減され
る。 (2) 要素試験の現状
ハイブリッド法プロセスのうち、提案技術の中心である約 500℃での SO3 の
電気分解（[3]式）について、市販の酸素透過性固体電解質（YSZ:イットリア安
定化ジルコニア）を使用した要素試験を行い、図 5.1.2 に示すように 500℃以上
ではセル電流とほぼ一致する酸素透過量が得られること、図 5.1.3 に示すように
SO3 環境下でも他の知見における酸素透過性固体電解質に近い酸素イオン伝導
度が得られる見通しを確認した。
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図 5.1.1 IS 法とハイブリッド法の系統比較
図 5.1.2 セル電圧と酸素透過量の関係 図 5.1.3 イオン伝導度評価 （要素試験） （要素試験） (3) ナトリウム冷却小型炉と組合せた原子力水素プラントの検討
熱出力 395MWt のナトリウム冷却小型炉と組合せて、ハイブリッド法を使用
した原子力水素プラントの概念検討を行った。ハイブリッド法では硫酸を使用
するため、硫酸濃度条件や、耐硫酸腐食性を考慮した系統機器の基本構成を明
らかにした。 本プラントの基本仕様を表 5.1 に、基本構成及び水素製造プラント鳥瞰図を図
5.1.4～5.1.5 に示す。 本プラントでは、2 次ナトリウム系に、SO3電気分解器、SO3ガス加熱器、蒸
H2O
硫酸蒸発
硫酸濃縮
硫酸精製
二相分離
ブンゼン反応器
HI分解膜分離
HI濃縮蒸留
HI濃縮電気透析
HI精製
H2
I2
H2SO4+HI
HI
H2SO4
IHX
高温ガス炉
1次He950℃
蒸気発生器
蒸気
2次He 900℃ H2O + SO2 + O2O2
H2SO4
HI
硫酸分解
H2O
硫酸蒸発
硫酸濃縮
硫酸精製
二相分離
ブンゼン反応器
HI分解膜分離
HI濃縮蒸留
HI濃縮電気透析
HI精製
H2
I2
H2SO4+HI
HI
H2SO4
IHX
高温ガス炉
1次He950℃
蒸気発生器
蒸気
2次He 900℃ H2O + SO2 + O2O2
H2SO4
HI
硫酸分解
IS プロセス
IHX高速炉
１次Na550℃
蒸気
発生器蒸気
2次Na 540℃
硫酸蒸発
硫酸加熱
H2O
H2SO4
H2O + SO2
O2
SO3電気分解
SO3加熱
電気分解
(2H2O + SO2→H2SO4+H2
- electrolysis)
H2IHX
高速炉
１次Na550℃
蒸気
発生器蒸気
2次Na 540℃
硫酸蒸発
硫酸加熱
H2O
H2SO4
H2O + SO2
O2
SO3電気分解
SO3加熱
電気分解
(2H2O + SO2→H2SO4+H2
- electrolysis)
H2
ハイブリッド法
-10.0
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
0.5 0.75 1 1.25 1.5
1000/T (1/K)
log
i (S
/cm
)
0.25(V)0.5(V)0.75(V)1.0(V)8molYSZ (文献 7)
500 450550600温度（℃）
[ 1)Ceramics Japan, 36 No.7, p.483, 2001.]
[文献1)]
-10.0
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
0.5 0.75 1 1.25 1.5
1000/T (1/K)
log
i (S
/cm
)
0.25(V)0.5(V)0.75(V)1.0(V)8molYSZ (文献 7)
500 450550600温度（℃）
-10.0
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
0.5 0.75 1 1.25 1.5
1000/T (1/K)
log
i (S
/cm
)
0.25(V)0.5(V)0.75(V)1.0(V)8molYSZ (文献 7)
500 450550600温度（℃）
500 450550600温度（℃）
[ 1)Ceramics Japan, 36 No.7, p.483, 2001.]
[文献1)]
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25Cell voltage (V)
v mea
sure
d/v c
al (-
)
450℃500℃550℃600℃
実測
透過
量／電
流値か
ら算
出した
透過
量
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25Cell voltage (V)
v mea
sure
d/v c
al (-
)
450℃500℃550℃600℃
実測
透過
量／電
流値か
ら算
出した
透過
量
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気発生器を接続し、SO3 電気分解器及び SO2 溶液電気分解器の電力は蒸気ター
ビンから供給する。表 5.1 に示す電気分解効率条件で、47,000Nm3/h の水素を
生成することが可能である。硫酸腐食性を考慮して、気体硫酸と接する機器は
SUS316、液体硫酸と接する機器は高 Si 鋳鉄や、ハステロイを使用した。また、
SO3電気分解効率 85%、SO2溶液電気分解効率 90%の理想的な条件で、水素製
造効率は 42%と、水電気分解の 38%（=発電効率 42%×電気分解効率 90%）よ
りも高くできることを明らかにした。一方、現状の技術開発レベルからの推定
値を使用した場合には、水素製造効率は 33%と、水電解を下回る恐れを有して
おり、要素試験の進捗を待って、水素製造効率の妥当性を確証する必要がある
ことを明らかにした。 今後、要素試験の進捗を視野に入れて、ハイブリッド法を使用した、他の水
素製造法と競合可能な原子力水素プラント概念を提案していく予定である。 表 5.1 ハイブリッド熱化学法を使用した原子力水素プラントの基本仕様
項目 内容原子炉側 出力
1) 82MWe/395MWtプラント型式 ナトリウム冷却小型炉系統条件 1次Na温度
2) 550℃/395℃
2次Na温度3) 540℃/350℃
給水/蒸気温度 210℃/400℃蒸気圧力 6MPa
原子炉型式 タンク型炉＋1系統の2次Na系冷却材循環方式 強制循環方式反応度制御方式 制御棒制御方式中間熱交換器型式 縦型シェルアンドチューブ直管
型（管内1次）蒸気発生器型式 ヘリカルコイル型単管
水素製造側 水素製造方式 低温熱化学法系統条件 硫酸濃度 95%
硫酸圧力 大気圧水素製造量 47000Nm
3/h
電気分解効率 SO3電気分解効率 85%
SO2溶液電気分解
効率
90%
水素製造効率 42%注1）電気出力は所内負荷を含めて電気分解器の電力に使用注2）炉心出入口温度、注3）中間熱交換器出入口温度
図 5.1.4 ハイブリッド法を使用した原子力水素プラントの基本構成 （ナトリウム系廻り）
タービン
硫酸加熱器
硫酸蒸発器
SO3電気分解器
SO3ガス 加熱器
酸素ガス冷却器
硫酸蒸発器
蒸気発生器
2次系電 磁ポンプ
原子炉容器
炉心
1次系電 磁ポンプ
中間熱交 換器
二次ナトリ ウム系（1 ループ）
2次ナトリウム系への 低温熱化学法関連機 器や、蒸気発生器の 接続
SO3電気分解器及び SO2溶液電気分解器 への電力供給
事前に硫酸を蒸発し て、腐食対応の容易 なSO3電ガスの取扱
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図 5.1.5 ハイブリッド熱化学法を用いた水素製造プラント鳥瞰図
原子炉
SO3ガス電解棟
H2O 電解棟
タービン建屋
原子炉建屋
H2SO4蒸発器SO3電気分解器
H2Ｏ SO4ガス加熱器
中央制御室
蒸気発生器
2次系ポンプ（ＥＭＰ）
原子炉容器
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5.2 研究開発課題の摘出
5.2.1 安全設計研究
(1) 可燃性ガスが漏洩して引火した場合の原子炉安全性への影響 原料ガスであるメタンガスや製造した水素が漏洩して引火した場合、爆発をともなう
可能性があり、爆発から原子炉を守る対策が必要となる。現状では以下の対策が考え
られる。 ①原子炉建屋の強化 ②原子炉と水素製造設備の遠隔設置 ③原子炉設備の地下設置 ②、③の対策を採用した場合は大幅なコスト増加が懸念されるため、①の対策によ
り原子炉の安全性を確保する必要があり、またそのための法律および基準等の整備
が前提となる。 (2) 製造水素へのトリチウムの混入
ナトリウム冷却炉に係わらず、原子炉を熱源として水素製造をする場合は、原子炉
で生成されたトリチウムが製造した水素に混入する量を評価する必要がある。ヘリウム
ガス冷却炉の場合は、原子炉のトリチウムソースとして FP ガスと制御棒の 10B の他に
ヘリウム冷却材、黒鉛減速材が大量に存在するため、トリチウムの製造水素への混入
は大きな課題となる。ナトリウム冷却炉の場合はトリチウムソースは FP ガスと制御棒の10B のみとなるため、ヘリウムガス冷却炉と比較してトリチウムの製造水素への混入は
少なくなる見通しである。 (3) 水素製造系流体とナトリウム反応
2 次ナトリウム系で直接水素製造系の熱交換器を過熱するため、熱交換器の伝熱
部で破損があった場合は水素製造系の流体とナトリウム反応が生じる。ハイブリッド熱
化学法の場合は硫酸とナトリウム反応についての対策が必要である。 5.2.2 要素技術開発
(1) SO2溶液電気分解器の効率 ハイブリッド法による水素製造の効率は SO2 溶液電気分解器の効率に大きく
影響される。電解セルとしては純水の電気分解のために開発が行われている固
体高分子膜を利用することを想定している。現状では固体高分子膜による SO2
溶液電気分解の実績がないため、SO2 溶液電気分解器の効率および物量を評価
することは困難であるが、水素製造効率 40%以上を達成するためには SO2溶液
電気分解器の効率は 90%程度が必要とされる。 (2) SO3ガス電気分解器の効率 SO3 ガス電気分解器における電気分解は SO2 溶液電気分解器と比較して消費
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電力が少なく、ロスした熱を回収することが容易であるため水素製造効率への
影響は少ないが、ここでの電解セルは高温の電気分解を想定して開発された
SOFC(固体電解質型燃料電池：Solid Oxide Fuel Cell)を想定しており 500℃程
度における電気分解の実績がない。高効率の水素製造を達成するためには低温
において実用的な効率で運転可能な SOFC を開発する必要がある。図 5.2.1 に
SO3電気分解器の構造図を示す。 (3) 硫酸による構造材腐食 ハイブリッド法は硫酸を用いたプロセスであるため、構造材の硫酸による腐
食が懸念される。現状の材料調査では濃度 95%以上の濃硫酸を使用すれば、系
統構成の工夫によりハステロイや高 Si 鋳鉄等の鉄系の材料で水素製造系を設計
することが可能な見通しであるが、この成立性の確認が必要である。図 5.2.2 に
硫酸濃度及び温度をパラメータとする耐硫酸腐食材料を示す。 (4) その他構成部技術 ハイブリッド法による高効率水素製造を実証するためには、上記３つの開発
課題の他に、SO2吸収管性能 適化、SO3蒸発装置 適化およびプロセスフロー
解析によるプロセス構成・運転条件 適化を行う必要がある。また、低コスト
の水素製造を行うためには、白金に代る廉価な電極物質の検討も行う必要があ
る。
図 5.2.1 SO3電気分解装置の構造図
単位:mm
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- 18 -
図 5.2.2 硫酸濃度及び温度をパラメータとする耐硫酸腐食材料 （硫酸ハンドブック改定版（硫酸協会）他 pp.82 1977 年）
5.3 研究開発スケジュール 研究開発のスケジュールを表 5.3 にまとめる。主な開発項目としては以下が考えら
れる。 (1) 設計研究 ①安全設計研究：2004～2007 年度 硫酸とナトリウム反応の安全性について確認するとともに、トリチウムの製
造水素への混入の評価を行う。 ②要素技術開発の反映：2004～2011 年度 要素技術開発の成果をハイブリッド法による水素製造を用いたナトリウム冷
却高速炉設計研究に反映する。 (2) 要素技術開発 1) 主要構成部課題抽出：2004 年度末 ①SO3電解部の性能支配要因 ②同部の固体電解質、電極の実プラント想定環境における耐性確認 ③H2O 電解部の性能把握（水単独と SO2溶解水との差異の確認を含む） 以上の要素についての課題本質を詰め、開発方針を決定する。
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2) 主要構成部実現見通し：2006 年度末 ①SO3電解部の性能向上見通し （10μm 以下厚 YSZ の試験室製造達成、300mA/cm2透過性能確認） ②H2O 電解部の電圧損失向上見通し （水の電解レベル達成が可能であることを示す） ③H2O 電解部性能見通し（≧500mA/cm2） 3) システム試作見通し：2007 年度末 5Nm3/h 程度の実験室規模水素発生ループにより主要構成部がシステムと
して機能することを確認する。
4)実証試験 5Nm3/h 級試験プラント製作：2008 年度末 上記成果及びプロセスフロー解析に基づき工学的規模での試験プラントを
設計・製作する。その後並行して実施する各部性能向上 R&D 成果を機器交換
などにより導入、評価する。
プラント主要諸元 構成部 主要部品(素子)サイズ 予想外形 予想能力 目標効率
SO3電解部 φ2cm×1m×64 本 20cm×20cm×1m 300mA/cm2 50% H2電解部 電極版(2,500cm2)10 枚 90cm×70cm×15cm 500mA/cm2 60% 主要構成部のサイズ（概算） ・SO3電解装置 ：φ30cm×3.5m タンク ・H2電解装置 ：1m×1m×1m 槽 ・硫酸蒸発器 ：φ40cm×φ60cm タンク ・硫酸加熱器 ：φ10cm×25cm タンク ・SO2冷却器 ：φ10cm×35cm タンク ・O2冷却器 ：φ10cm×25cm タンク 5) システム実用化見通し：2011 年度末 各電解部性能が試験プラントの３～５倍（プラント規模が 1/3～1/5）達成
見通しを示す。 （オプション１）原型（コールド）プラントを用いた実証試験
1）原型プラント(100～1,000Nm3/h 級)の設計、製作・据付、運転：
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1,000Nm3/h 級主要構成部のサイズ(概算目標値) ・SO3 電解装置：φ1m×6m タンク ・H2 電解装置 ：2m×2.5m×3.5ｍ槽 ・硫酸蒸発器 ：φ1m×4m タンク ・硫酸加熱器 ：φ32cm×1m タンク ・SO2 冷却器 ：φ40cm×90cm タンク ・O２冷却器 ：φ32cm×1m タンク
（オプション 2）「常陽」を用いた実証試験
現状、水素製造システムを設置する案は、システム規模に応じ以下が挙げられ
る。
①2 次系配管から分岐したナトリウムを用い、小規模プラント(～10MWｔ)を主
冷却機建家内に設置
②主冷却機 1 基を撤去し、プラント(10～35MWｔ)を主冷却機建家内に配置し、
2 次系ナトリウムを用いる。
③水素製造プラント建家を主冷却機建家の隣接に建設し、2 次系ナトリウム配
管と接続する。
1）予備検討及び基本設計：2008～2011 年度
水素製造システム(1000Nm3/h 規模)を「常陽」に設置するための予備検討
及び基本設計を行う。（水素製造システムへの供給Na温度を540℃程度にする
ための検討を含む）
2）詳細設計、許認可対応、製作、据付、実証試験：2012～2017 年度
①水素製造システムを「常陽」に設置するための詳細設計及び許認可対応を
行う。
②「常陽」に水素製造システムを組み込み、実証試験を行う。
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表5.3
ハイ
ブリ
ッド
熱化
学法
に基
づく
水素
製造
技術
開発
工程
(案)
表5.3
ハイ
ブリ
ッド
熱化
学法
に基
づく
水素
製造
技術
開発
工程
(案)
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5.4 研究開発の利用施設
① 材料試験ループ及び水素製造原理確認試験装置
② 高温 Na ループ
③ 高速実験炉「常陽」
5.4.1 高温 Na ループについて
ここで、既設コールド試験ループの利用を考え、大洗工学センター内の｢構造物
熱過渡試験装置（TTS）｣、｢プラント過渡応答試験装置（PLANDTL）｣及び製作が
検討されている｢2 重管 SG パイロットプラント｣を想定した。 (1)TTS への設置概念
TTS における高温系の熱出力 1MW、ナトリウム温度 600℃を用いることにより、水
素製造に必要な条件は確保できる。考えられる設置位置（図 5.4.1）は、現在、試験部
につながっている配管をバイパスすることにより可能であると考えられる。スペース的に
は、２F フロアが空いており、W 8m×D 4m×H 2m 程度が確保できる。イメージ的に
は、現在設置されている試験部の真下の位置になる（図 5.4.2）。 (2)PLANDTL への設置概念
PLANDTL では、熱出力 1.2MW、ナトリウム温度 600℃を供給することができ、一
次主冷却系を通過した後に水素製造装置を設置（図 5.4.3）することにより接続可能で
あると考えられる。スペース的には、１F フロアが空いており、W 5m×D 5m×H 5m程度（幅は、8m 程度でも可能）が確保できる。
(3)2 重管 SG パイロットプラント
別途、2010 年から試験実施が検討されている２重管 SG のパイロットプラント(図5.4.4)に設置することも考えられる。これにより、最大熱出力 10MW、ナトリウム温度
520℃の供給ができ、スペースも設計時に盛り込むことにより、十分なスペースが確保
できる。パイロットプラントへの水素製造システム設置のパターンとしては、新規に原型
プラントを製作する必要がある場合、または、試験装置を｢常陽｣へ設置する際に、別
建家を作る必要がありそのための費用がかさむ場合、等が考えられる。
5.4.2 高速実験炉｢常陽｣について
「常陽」に水素製造プラントを設置する場合、冷却材温度の観点からは、より高い温
度のナトリウムが利用できる 1 次系が好ましいが、水素爆発時の炉心への影響等を勘
案すると、現実的ではない。このため、2 次系に水素製造プラントを設置することを想
定して以下の 3 ケースについて検討した。 （１） 2 次系配管から分岐したナトリウムを用いて、小規模な水素製造プラントを主冷
却機建家内に設置する。
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（２） 主冷却機１機を撤去して水素製造プラントを主冷却機建物内に設置し、2 次系
ナトリウムの熱を用いて水素製造を行う。 （３） 主冷却機建家に隣接して水素製造プラント建家を設け、２次系配管を分岐した
ナトリウムをこの建家まで導いて水素製造を行う。
（１）については、水素製造プラントの除熱量が少なく、従来の 2 次系と同等の除
熱能力を確保できる場合、MK-Ⅲ炉心の運転と並行して水素製造を実施することが
可能である。水素製造プラントの設置場所としては、主冷却機建家内の風洞室、機
器搬入路等が考えられる。ただし、搬入・設置できる水素製造プラントの大きさは、約
2m×2m×5m（コールドトラップ程度）となる。なお、この場合、2 次系機器に隣接して
水素製造プラントを設置することとなり、水素爆発時のプラントの安全性の確保のた
め、隔離壁、分岐配管への隔離弁の設置等の対策が必要となる。使用できる熱エネ
ルギーは配管を分岐する規模にも依るが数 MWt から 10MWt 程度と予想される。
図 5.4.5 に設置場所を示す。 （２）では、主冷却機を１機撤去するため、水素製造プラントの設置スペースとして
約 6m×5m×8m 程度を確保でき、（１）に比べて大型の水素製造プラントの設置が可
能である。この場合、MK-Ⅲ炉心の除熱性能を確保するため、水素製造プラントの
除熱性能は現在の主冷却機と同等である必要があり、原子炉運転中は常に水素を
製造することとなる。 また、中央制御室等の大幅な改造作業も予想され、設置には長期間を要するものと
思われる。使用できる熱エネルギーは 35MWt となる。図 5.4.6～5.4.7 に概略系統
図と設置場所を示す。 （３）のケースでは、水素製造プラント用の建家を別に建設することから、水素製造
手法によっては、水素を直接製造するラインのみを別建家に設置し、ナトリウムを使
用する工程のみを 2 次系建家内に設置するといった対応も可能であり、水素爆発時
のプラントの健全性の確保については、他の２ケースよりも比較的容易と考えられる。
このケースでは、別建家の建設に伴う費用及び時間、2 次系建家から別建家への系
統の分離方法等が課題と考えられる。使用できる熱エネルギーは分離する配管の
規模等に依存する。図 5.4.8 に建家建設場所を示す。
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低温ヘッドタンク
低温加熱器
冷却器
高温加熱器
高温ヘッドタンク
低温ミキシングタンク
ダンプタンク
：低温系
：高温系
ガス系
高温ミキシングタンク
低温循環ポンプ
高温循環ポンプ
バッファタンク
ガス系ガス系
試験部
ガス系
既設装置
：合流系
図 5.4.1 TTS 系統図
水素製造装置設置位置
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図 5.4.2 TTS における水素製造装置設置位置概念図
水素製造装置 設置位置
試験部
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図 5.4.3 PLANDTL における水素製造装置設置位置
水素製造
装置
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図 5.4.4 ２重管パイロット SG 概略系統図
水素製造装置設置位置
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図 5.4.5 小規模な水素製造プラントを主冷却機建家内に設置するケース
図 5.4.6 主冷却機を 1 機撤去した場合の水素製造システムの概略系統図
吹 抜 吹 抜
風洞室 機器搬入路
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- 29 -
図 5.4.7 主冷却機を 1 機撤去するケース
受電エリア
第二使用済
燃料貯蔵建物主冷却機建物
メンテナンス建物
原子炉建物
原子炉附属建物
メンテナンス台車レール
放射線
管理室
渡り廊下
第 一使用済
点線内の施設は
核燃料物質使用施設
水モニタ建物
排水監視ポンド(Ⅱ)
0 10 20 30ｍ
原子炉施設全体配置図
）（運 転
訓 練
施 設
Ｎ
運 転 管 理 棟
照 射 装 置
組 立 検 査 施 設
主冷却機建物に隣接して
水素製造施設を建設
図 5.4.8 水素製造プラント建家を別に建設するケース
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- 30 -
5.5 予算展開
5.5.1 設計研究
（１）設計研究：0.4 億円
2004 年度～2007 年度：0.1 億円／年
5.5.2 要素技術開発
(1) システム成立見通し検討（2004 年度～2007 年度） 1) 主要構成部課題摘出 （2004 年度）：0.2 億円 2) 主要構成部実現見通し（2005、2006 年度）：0.5 億円／年 3) システム試作見通し （2007 年度）：0.5 億円 (2) システム実用化見通し検討（2008 年度～2011 年度） 1) 5Nm3/h 級試験プラント製作（2008 年度）：1.5 億円 2) システム実用化見通し検討：（2009 年度～2011 年度）：1 億円／年 5.5.3 実証試験
(1)原型プラントを用いたコールド実証試験の場合（オプション 1） ①水素製造システム本体
2012 年度～2016 年度：40 億円
なお、オプション１の費用推定では、水素製造システム本体費用に加えて建屋
費用が必要となる。 (2)「常陽」を用いたホット実証試験の場合（オプション 2）
5.4.2 項で示した 3 つの水素製造プラント設置ケースのうち、ケース（2）即ち「主
冷却機1機を撤去し、水素製造プラントを主冷却機建物内に設置」を対象に、その
費用を算出した。なお、この試算においては、２次系ナトリウム温度を現状の
470℃から５４０℃へ上げるための改造費用は考慮していない。 ①実証試験に係る設備改造：7.6 億円
2008 年度～2009 年度：0.1 億円／年 2010 年度～2011 年度：0.2 億円／年 2012 年度～2013 年度：0.5 億円／年
2014 年度～2015 年度：2 億円／年* 2016 年度～2017 年度：1 億円／年
(*)水素製造システムを「常陽」に設置することに伴い、建屋の増設・改造が必要
となる場合は、期間延長（1～2 年）及び予算増額(約 5 億円)となる。
②水素製造システム本体：40 億円
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③安全設計費用
オプション２の費用推定では、主冷却機建屋内に水素製造システムを設置す
ることを前提にしており、安全設計を考慮していない楽観的な値であるので、安
全設計検討結果がまとまった段階で改めて推計し直す必要がある。
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6. 低温水蒸気改質法
6.1 研究開発の現状
ナトリウム冷却高速炉を利用した原子力水素製造プラントとして、低温水蒸
気改質法によるプラント概念設計を実施している。ここではその進捗をまとめ
た。水素製造法の一つとして以下の化学式に基づく、メタンガスの水蒸気によ
る改質法がある。
kJ/mol185CO4HO2HCH 2224 −+=+
この反応は触媒下において 800℃で進む平衡反応である。ただし、水素分離膜
を用いて反応側の水素分圧を低下させた場合は、500℃程度でも反応が進行する。
メタンガスを原料とするため二酸化炭素を放出するが、水素分離膜の技術は実
用化段階にあり早期導入を目指すことが可能である。 本検討では 2 次冷却系への水素分離改質器の設置を想定した原子力水素プラ
ント概念を構築した。基本仕様を表 6.1、原子炉冷却系系統概念図を図 6.1 に示
す。本プラントでは74,000Nm3/hの水素製造が可能であり、原子炉熱出力の25%を水素製造に用いている。原子炉熱出力 100%で水素製造を行わない理由は、水
素分離膜は 500℃以下では性能が大幅に低下するため、2 次冷却系の 500℃以上
の熱を水素分離改質器に供給し、残りの熱で発電を行う構成としているためで
ある。 蒸気発生器で加熱された 500℃、16.7MPa の蒸気は発電用と水素製造用に配
分される。水素製造用の蒸気は、水素分離膜の圧力制限のため、2MPa まで減
圧されメタンガスと混合される。その後、減圧とメタンガス混合によって低下
した温度を予備改質器により 500℃に再加熱し、水素分離改質器に供給する。 低温水蒸気改質法による水素製造プラント鳥瞰図を図 6.2 に示す。原子力水素
プラントでは原子炉と水素製造設備の隔離に係わる問題を有するが、本研究で
は水素爆発に対して、建屋隔壁の耐圧強度により健全性を確保することとし、
原子炉と改質器を近接配置している。建屋体積は原子炉建屋（改質器室を含む）
が 54,800m3、タービン建屋 1,600m3であり、その他の水素製造設備は屋外に設
置する構成となっている。 上記プラントの水素製造コストは 21 円/Nm3（二酸化炭素固定費込み）で目
標値 17 円/Nm3を約 2 割上回った[6], [7] 。水素分離改質器の仕様は水素分離膜の
水素透過性能の限界から決定されるが原子力水素プラントコストのうち、水素
分離改質器の占める割合は大きく、これの合理化により水素製造コストの低減
が期待される。今後、高性能水素分離膜の開発が重要になると考えられる。
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- 33 -
表 6.1 低温温水蒸気改質法を用いた水素製造プラント基本仕様
項目 基本仕様 熱出力 395MWe 原子炉型式 ナトリウム冷却高速炉 水蒸気改質器型式 水素分離改質器（水素分離膜材質：パラジウム） １次系温度 550／395℃ ２次系温度 540／375℃ 水素製造量 74000Nm3/h（熱利用 25%） 電気出力 119MWe 水蒸気改質温度 500℃ S/C（蒸気メタン混合比） 2.9 転化率 0.5
図 6.1 低温水蒸気改質法を用いた水素製造プラント系統図
図 6.2 低温水蒸気改質法を用いた水素製造プラント鳥瞰図
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6.2 研究開発課題の摘出
6.2.1 安全設計研究
課題は以下のとおりであり、5.2.1 項と同様である。
(1) 可燃性ガスが漏洩して引火した場合の原子炉安全性への影響 (2) 製造水素へのトリチウムの混入 (3) 水素製造系流体とナトリウム反応
2 次ナトリウム系で直接水素製造系の熱交換器を過熱するため、熱交換器の伝
熱部で破損があった場合は水素製造系の流体とナトリウム反応が生じる。水素
分離改質法の場合は蒸気、メタンガス、二酸化炭素とナトリウムの反応対策が
必要となる可能性がある。 6.2.2 要素技術開発 (1) 水素透過膜の性能向上
水素分離改質器の物量は水素分離膜の水素透過性能に大きく影響される。現
状の水素分離膜性能（30Nm3/h･m2）で評価した場合、水素分離改質器の物量が
かなり大きくなり（水素分離管 6m×7,306 本）、水素製造単価は目標値を上回
る。仮に水素分離膜性能を 5 倍程度まで向上できた場合は、水素分離改質器物
量を大幅に低減でき（水素分離管 5.4m×2,000 本）、経済性目標を達成できる可
能性がある。
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- 35 -
6.3 研究開発スケジュール
研究開発のスケジュールを表 6.2 にまとめる。要素試験は、｢ハイブリッド法｣
との開発と並行して進めるが、2007 年頃に行われるチェック･アンド･レビュー
(C＆R)の結果、｢ハイブリッド法｣の成立性がないと判断された場合には、本低
温水蒸気改質法の試験プラント建設以降を重点的に実施する。また、｢常陽｣を
用いた原型プラント試験に入る前に将来の水素ニーズの観点から C＆R を行い、
試験に入るかどうか判断する。主な開発項目としては以下が考えられる。 (1) プラント概念設計(2002～2003 年) 実用炉のプラント概念設計と経済性評価を 2002～2003 年度に実施済み (2) 要素技術開発(2006～2007 年) ・高性能水素分離膜の開発 ・改質ガスナトリウム反応試験 (3) 実証試験（コールド）(2008～2009 年) 低温熱化学法を用いたナトリウム加熱による水素製造（5Nm3/h 程度） (4) 常陽での実証試験のための概念設計(2006 年) (5) 安全性に関する基準の策定および実証試験(2007～2012 年)
原子力プラントと水素製造プラントの近接立地に関する検討。検討項目が十
分に整理されていないために、開発期間はおおよその数値である。 (6) 実証試験（ホット）(2010～2017 年)
改質器を｢常陽｣に設置（1,000Nm3/h）し、実証試験を行う。 2010 年より詳細設計、2012 年より許認可取得を行い、建設は 2014 年より約
3 年かけて行う。2016 年度末から 2017 年度にかけて水素製造試験を行う。 6.4 予算展開
(1) プラント概念設計：0.2 億円（2002～2003 年に実施済み） (2) 要素技術開発
・高性能水素分離膜の開発：5 億円(2006～2007 年) ・改質ガスナトリウム反応試験：2 億円(2006～2007 年) (3) 実証試験（コールド）：3 億円(2008～2009 年) (4) 常陽での実証試験のための概念設計：0.3 億円（2006 年） (5) 安全性に関する基準の策定および実証試験：未評価(2007～2012 年) (6) 実証試験（ホット）：約 50 億円（2010～2017 年）（但し、2 次系ナトリウ
ムを 540℃まで加熱するための改造費用は考慮して
いない。）
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表6.
2 低温水蒸気改質法に基づく水素製造技術開発工程（案）
2003
2004
2005
1年
目
2006
2年
目
2007
3年
目
2008
4年
目
2009
5年
目
2010
6年
目
2011
7年
目20
12
8年
目
2013
9年
目
2014
10
年目
20
15
11年目
20
16
12年目
20
17
注）
経過年数
の下
段の
数字
は、本研究開発を
2006
年から
再スター
トさせた
場合の
西暦
を示
す。
実施
済み
今
後の計
画
（
）内
は予算額
単
位：
億円
高性能水素
分離膜
の開
発（
5.0 ）
要素技術開発
目標設定
改質
ガス
-ナトリウム反応試
験（
2.0 ）
コール
ド施設
おける水素製造実
証試験（
3.0 ）
概念設
計（
0.3 ）
安全
に係
わる
基準
の策
定
詳細設
計
許認可
取得
建設工
事
試験開始
安全
に係
わる
実証試験
期間
、予算等不
明確
安全
性課
題の
抽出
予算
50億円
「常
陽」
おける水
素製造実証試験
プラン
ト概念設計
要素試験
ｺｰﾙﾄﾞ及
び常陽
での
製造試験
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7. 高温水蒸気電解法（固体酸化物水電解法）
7.1 研究開発の現状
（１）概要 通常の電気分解は、KOH 等の電解溶液を用いて、以下のような反応により、水
素および酸素を発生する。 アノード：H2O → 2H+ + 1/2O2↑ + 2e- カソード：2H+ +2e- → H2↑ これに対して、高温水蒸気電解法は、水蒸気を 1,000℃近傍の温度で電気分解す
ることにより、常温で行う電気分解より理論分解電圧を低減できる技術であり、高
い総合効率と簡素なシステムが大きなメリットである技術である。図 7.1 に示すよ
うに、電気分解に必要なエネルギーはΔG で示され、1,000℃条件では常温での電
気分解に比べてこれを 75%程度に低減できるメリットがある[8]。高速炉の温度条件
約 500℃においても常温での熱分解より高い効率で水素が得られると考えられる。
高温水蒸気電気分解の水素製造効率は、図7.2[9]のように1,000℃の時には、約57%、
高速炉条件の 500℃の時には、約 43%の効率になり、高温条件より製造効率が 14%程度低下する可能性がある。しかし、通常の電気分解による水素製造効率は、30 数%であることから、これと比較すれば、高速炉条件でも十分高い水素製造効率が見込
めるものと考えられる。 ただし、ここで示されている効率については、固体電解質の性能が高速炉条件の
ような低温でも同等の性能がでるものとした仮定条件が含まれているものと考えら
図 7.1 H2O→H2＋1/2O2の自由エネルギー・エンタルピー変化
JNC TN9410 2004-013
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れ、実際には、低温でも高い性能が出せるような固体電解質の開発が必要であると
考えられる。 セル構造は、図 7.3 に示す通り、大別して円筒型[10]（独国：Dornier、米国：WH）
と平板型[11]（日本：三菱、KEPCO 東芝）に分類することができる。円筒型はガスシ
ール性が高く熱応力に強い、平板型はセルに対して電流が垂直に流れるために電極が
薄くてよく、形状的にもコンパクト化に向いている特徴を持つ。
円筒型
Source: INEEL
図7.2 高温水蒸気電気分解の効率
図 7.3 セル構造
平板型（燃料電池用）
JNC TN9410 2004-013
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（２）現状技術 固体電解質燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell:SOFC）として、進められている技
術であり、水素製造はこの燃料電池と逆反応になることから、燃料電池で蓄積され
た技術、および高温条件での水素製造技術が、ある程度流用できるものと考えられ
る。 燃料電池技術としては、500～700℃で動作する低温動作 SOFC システムが検討
されており、セラミック材料を安価な金属材料に置き換え大幅なコストダウンを目指
している段階である。 高温条件での水素製造技術としては、独国の Dornier や米国の WH、INEEL、日
本では三菱、産総研などにおいて研究が進められている。INEEL においては、40,000時間の運転時間でセルの劣化が確認されている。また、試験の多くは、出力が 数
十キロワット程度であり、メガワット級での実証試験が必要である。 7.2 研究開発課題の摘出
7.2.1 安全設計研究
課題は以下のとおりであり、5.2.1 項と同様である。 (1) 可燃性ガスが漏洩して引火した場合の原子炉安全性への影響 (2) 製造水素へのトリチウムの混入 (3) 水素製造系流体とナトリウム反応
7.2.2 要素技術開発
(1)電気分解セルの高効率化 高温条件で高性能を発揮する SOFC セルは、高速炉の温度条件では十分な性
能が出ない可能性があることから、電解時の効率および長時間運転におけるセ
ルの劣化について確認する。高効率を発揮しなければ、高効率のセル材料（電
解質およびこれに接する電極）の検討を行う。
(2)サーマルサイクルにおける気密性の強化 今までのセル構造では、温度変化に対する気密性があまり高くないことから、
（特に平板型は気密性が弱い）気密性の高いセル構造またはシール材の開発が
必要。
(3)キロワット級電解装置のメガワット級への大型化技術 数キロワットレベルの電解装置をメガワット級にするために、単セル構造の
大型化への適用、およびセルをモジュール化した際の接続方法の検討が必要。
7.3 研究開発スケジュール
研究開発のスケジュールを表 7.3 にまとめる。高温水蒸気電解法は、2007 年度
に行なわれるハイブリッド熱化学法のシステム成立性の C＆R の結果を受けて
2008 年頃から開始することを想定した。また、要素試験の結果を受けて、2011年頃に技術的な成立性のチェックアンドレビューを行い、2012 年より試験プラ
ント建設に入るかどうか判断する。 主な開発項目としては以下が考えられる。
（１）設計研究 高温水蒸気電解法による水素製造を用いたナトリウム冷却高速炉の設計。
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①概念設計：2008 年度 FBR サイクル実用化戦略調査研究の一環として、高温水蒸気電解法による水
素製造を用いた高速炉の概念設計を実施する。 ②安全設計：2008～2010 年度
熱交換器伝熱部で破損があった場合の水蒸気とナトリウム反応の安全性を確
認する。また、トリチウムの製造水素への混入の評価を行う。 ③要素技術開発の反映（2005～2011 年度）
要素技術開発の成果を高温水蒸気電解法による水素製造を用いたナトリウム
冷却高速炉の設計研究に反映する。 （２）要素技術開発
提案原理の要素レベルでの成立性確認。 ①主要構成部課題摘出(2009 年度) ②主要構成部実現見通し(2010～2012 年度)
この段階で、他の水素製造方法との比較を行い、絞り込みを行う。
（３）システム試験 大洗工学センター内に設置されている構造物熱過渡試験装置（TTS）またはプ
ラント過渡応答試験装置（PLANDTL）を利用して、5Nm3/h 程度の実験室規模水
素発生ループにより主要構成部がシステムとしても機能することを確認する。なお、
詳細については 5.3 節を参照のこと。 ①システム試作見通し・設計(2012 年度) ②5Nm3/h 級試験プラント製作(2013 年度) ③試験プラント運転、システム実用化見通し（2014～2015 年度）
（４）実証試験
「常陽」を用いて、100～1,000Nm3/h 規模の水素発生による実証試験を行う。
なお、詳細については 5.3 章を参照のこと。 ①概念設計（2009 年度） ②安全基準策定、実証試験（2010～2016 年度）（要素試験、システム試験の結果
から必要となる安全設計項目・内容により大き
く異なる。） ③詳細設計（2015～2016 年度） ④許認可作業（2017～2018 年度） ⑤建設工事（2019～2020 年度）（水素製造システムを常陽に設置するために建家
増設・改造が必要になった場合の期間（1～2 年）
は含まない。） ⑥実証試験（2021 年度～）
7.4 研究開発の予算計画
（１）設計研究 概念設計： 0.3 億円（2008 年度） 安全設計： 0.2 億円／年（2008～2010 年度）
（２）要素技術開発 課題摘出：0.2 億円（2009 年度）
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主要部試験：0.4 億円／年（2010～2012 年度） （３）システム試験
試作見通し・設計：0.5 億円（2012 年度） 試験プラント製作：1.0 億円（2013 年度） 試験・実用化見通し：0.5 億円／年（2014～2015 年度）
（４）実証試験 概念設計： 0.3 億円（2009 年度） 安全基準策定、実証試験：0.5 億円／年（2010～2016 年度）（要素試験、シ
ステム試験の結果から必要となる安全設計項目・
内容により大きく異なる。） 詳細設計：0.5 億円／年（2015～2016 年度） 許認可作業：0.2 億円／年（2017～2018 年度） 建設工事：1.5 億円／年（2019～2020 年度）（水素製造システムを常陽に設
置するために建家増設・改造が必要になった場合
の費用（約５億円）は含まない。また、2 次系ナト
リウム温度を 500℃程度まで上げるための改造費
用は考慮していない。） 水素製造システム：20 億円 実証試験：0.5 億円／年（2021 年度～）
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表7.3 高温水蒸気電解法に基づく水素製造技術開発工程
経
過年
数開
発ｽ
ﾃｯﾌﾟ
0年
目2007
1年
目2008
2年
目2009
3年
目2010
4年
目2011
5年
目2012
6年
目2013
7年
目2014
8年
目2015
9年
目2016
10年
目2017
11年
目2018
12年
目2019
13年
目2020
14年
目2021
プラ
ント
概念
設計
安全
設計
要素
試験
主要
構成
部課
題抽
出
主要
構成
部試
験
シス
テム
試験
（5N
m3/hr規
模）
シス
テム
試作
見通
し・設
計
試験
プラ
ント
製作
試験
・シ
ステ
ム実
用化
見通
し
概念
設計
（100～
1000N
m3
/hr規
模）
安全
に関
わる
基準
策定
安全
に関
わる
実証
試験
詳細
設計
許認
可作
業建
設工
事試
験開
始
注）経
過年
数の
下段
の数
字は
、仮
に本
研究
開発
を20
08年
から
計画
をス
ター
トさ
せた
場合
の西
暦を
表し
てい
る。
常陽
での
水素
製造
試験
JNC TN9410 2004-013
- 43 -
8.プロジェクト推進体制(案)
8.1 プロジェクトチームの概要
8.1.1 チーム体制及び構成
大洗工学センターで現在実施している｢FBR 水素製造技術開発プロジェクト｣
メンバーや｢ハイブリッド熱化学法｣及び｢低温水蒸気改質法｣の研究開発を行う
職員をベースに FBR 水素製造技術開発プロジェクトの推進体制を編成する。 ここで、体制は、研究開発のステップに応じ、以下の三段階を考える。 なお、グループは政策的観点より独立したものとし、所長直轄の体制を希望
する。統合後には組織骨格(案)での｢エネルギー多目的利用技術開発部｣の配下に
移行を予定する。 ①第 1 段階･･･｢ハイブリッド熱化学法｣のプロセス研究開発(重点) ②第２段階･･･各種製造方法の改善･課題の見通しとプラント概念構築(C＆R
に向けて) ③第３段階･･･FBR(原子力)への導入アピール(C＆R 以降)
① の体制(特別チーム制：現行組織での対応)
…所長‐総括者‐企画・調整係－(システム部長、技開部長)－プロセス開発
チーム‐(サポート：設計研究チーム)。 ② の体制(グループ制：グループの新設)
･･･所長‐グループ長－企画・調整チーム、プロセス開発チーム、設計研究
チーム。 ③の体制･･･②の体制に基準・規格等の整備として安全評価チームを加える。
これより各チームで行う主な業務と要員数を以下に、体制図を図 8.1.1～8.1.2にまとめて示す。 なお、プロセス開発チームは｢ハイブリッド熱化学法｣実現の中核であり 大
限の人数を充てる。 1)企画・調整チーム：要員 1 名＋α ・導入及び展開シナリオ作成 ・国内外での会議等の企画 ・広報素材、対外対応 ・タスクフォース、外部委員会、規制側対応等の事務局 ・外部関係機関(自治体含む)との連携協力 など
2)プロセス開発チーム(中核)：要員 4 名 ・｢ハイブリッド熱化学法｣の開発
・水素製造、貯蔵及び運搬方法の要素開発
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- 44 -
・要素試験、実証試験等の試験計画及び実施 ・試験/解析評価の実施
3)設計研究チーム：要員 1 名～3 名※第 1 段階ではサポートとして 1 名 合理化、効率化及び小型化の観点より ・水素製造装置の検討及び設計 ・プラントシステム、インフラ設備の検討及び設計 ・コスト評価 4)安全評価チーム：要員 2 名～3 名 ・FBR プラントに起因する安全評価 プラント安全、Na 反応 ・水素取り扱いに起因する安全評価 離隔、爆燃、水素噴出、水素濃度及び純度管理(トリチウム含む) ・FBR 水素製造に係る基準及び規格類の立案、整備 8.1.2 資金計画
当面の 2004～2005 年度は、FS 予算を使用する(2004 年：800 万、2005 年：
5,000 万)が統合後には、原研(大洗)の水素技術に係る知識、人材及び設備を活用
することを視野に入れる。 そこで、｢原子力利用による水素製造技術開発｣として、2006 年度より新規に
研究開発項目として立ち上げる。 新規に立ち上げるためには、研究開発課題評価委員会(理事長諮問)により事前
に検討・評価を受ける必要がある。 また、外部資金の導入も考慮して、各省庁、機関の公募制度での資金獲得も
同時に目指す。 以下に｢ハイブリッド熱化学法｣による実証試験までの概算予算を参考に示す。 ・設計研究･･･････0.4 億(4 年間) ・要素技術開発･･･11.6 億(8 年間) ・実証試験･･･････40 億(5 年間)：装置単体 7.6 億(5 年間)：建屋改造
8.2 外部との関係
8.2.1 外部委員会
FBR プラントを用いて、水素利用を実現するためには、FBR サイクルの有用
性を含め、広く社会に認知してもらう必要がある。 そこで、外部有識者より構成される外部委員会｢FBR 水素技術開発推進委員会
(仮称)｣を組織し、コネクションの確保、 新の知見・情報の取得ならびに情報
JNC TN9410 2004-013
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発信の場として活用する。 本委員会は公開とし、委員には、国、地方自治体、研究機関、電力、メーカ、
大学より選出する。候補は NEDO｢水素エネルギー利用技術第Ⅱ期研究開発｣分
科会や燃料電池水素技術委員会等を参考とする。 なお、本委員会は理事長諮問とし、委員長は大洗工学センター長を想定する。 また、課題ごとに下部検討会として分科会を設置する。その中で、地域への
貢献も一つの課題とし設定する。これら外部との関係(外部委員会)を図 8.2.1 に
示す。 8.2.2 国際協力
｢ハイブリッド熱化学法｣及び｢低温水蒸気改質法｣については、二国間協力を
柱として進める。｢ハイブリッド熱化学法｣は ANL(米国)、｢低温水蒸気改質法｣
は IPPE(Institute of Physics and Power Engineering:ロシア)を協力先の候補
とする。｢高温水蒸気電解法｣は東芝、産総研などと情報交換に限定する。 また、米国 の国 際 NERI （ International Nuclear Energy Research
Initiative：I－NERI）計画へ参画することで国際的枠組み[GEN-Ⅳ]での活動を
目指す。 国際協力に関する資金は、省庁及び機関の公募資金を充てることも考慮する。
該当する主な公募制度を以下に示す。(H16.5 月末現在) ・独創的革新技術開発研究提案公募制度(文科省) ・科学技術振興調整費新規課題等の公募制度(文科省) ・科学研究費補助金公募制度(文科省:(財)日本学術振興会) ・革新的原子力システム技術開発公募制度(文科省:㈱UFJ 総合研究所)：産学官
の連携 ・革新的実用原子力技術開発テーマ提案公募(経産省:(財)エネルギー総合工学研
究所) ・国際共同研究助成事業(新エネルギー･産業技術総合開発機構)
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- 46 -
図 8.1.1 実施体制 (案)：第 1段階(ハイブリッド熱化学法の重点)
設計研究チーム
プロセス開発チーム
FBR水素技術開発研究ﾁｰﾑ：総括者
1名
1名~2名4名
所長
企画・調整
技開部 システム部
○水素製造
・｢ハイブリッド熱化学法｣の目途をつける。
目標：｢低温水蒸気改質法｣と同じ土俵に
検討・依頼
回答
ﾌﾟﾛｾｽ開発チームの技術的サポート
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- 47 -
図 8.1.2 実施体制(案)：第 2及び 3段階(Ｃ&R、展開)
図 8.2.1 外部との関係(外部委員会)
企画・調整チーム
設計研究チーム
プロセス開発チーム
安全評価チーム
・シナリオ(導入、展開)
・産学官連携
・事務局(T/F、外部委員会、規制対応)
・企画(国内外会議、広報等)
・庶務
・水素製造装置
(合理化、効率化、小型化)
・プラントシステム・製造方法他
・材料、構造
・試験計画/実施
○安全設計、評価
○基準、規格類の整備
FBR水素技術開発Gr：総括者
(接続、貯蔵、輸送)・コスト評価
1名1名～3名4名2名～3名
・FBRプラント(プラント、Na接触、トリチウム)・水素取扱(爆燃、噴出、濃度・純度管理)
・評価/方法の確立
○要素開発
○試験/評価
所長
総括補佐
システム部
技開部
技開部
(研究主幹クラス)
+α※博士研究員含む
※第3段階にて追加
FBR水素技術開発推進委員会(仮称)
メーカ
大学
研究機関
地方自治体
国(
規制側)
研究機関
電力・ガス
メーカー
大学
推進委員会
自治体・資金
・共同研究・研究員招聘
電力
サイクル機構
理事長
諮問 提言(報告)
委員長：所長
・施策・課題・R&Dの審査・助言・展開・産学官連携策など
・都市計画等への反映
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- 48 -
9. まとめ
ナトリウム冷却型FBRを念頭に置いて500℃前後の熱エネルギーを利用した水
素製造法として、ハイブリッド熱化学法、低温水蒸気改質法、高温水蒸気電解
法の 3 種類を対象に、各製造技術の課題、2030 年頃の実用化に向けた開発計画
（スケジュールと予算）、および開発体制の検討を行った。
表 9.１に FBR 水素製造法の技術開発の概要をまとめた。図 9.1 と表 9.2 には
開発スケジュールを、図 9.2 にはプロジェクト推進体制の今後の推移を、図 9.3
には国内外の関係機関との関係を示した。
ハイブリッド熱化学法は、原料が水であり製造時に二酸化炭素を直接排出せ
ず、常温の電気分解法に比べて高い熱利用効率が期待できる等の利点を有する
ため、サイクル機構として FBR 水素製造技術の本命として中心的に開発を進め
る。
現在、原理確認が終了した段階であるが、今後、プロセス効率の向上、構造
材の耐久性の向上、および水素の原子炉安全性への影響評価等の課題の解決に
取り組み、2007 年頃にはシステムとしての成立性のチェックアンドレビューを
行い、試験プラントさらには原型プラントによる実証試験を実施するかどうか
判断する。コールド施設を用いた原型プラントを想定した場合、2016 年頃に水
素製造の実証を確認できると予想され、合計 50 億円+αの開発費用が必要であ
る。ただし、安全設計関係の費用は算定が難しいため含めていない。
主に、日本原子力研究所、三菱重工業㈱、新型炉技術開発㈱、米国 ANL 等と
の情報交換や共同研究（公募研究も含む）の可能性がある。
低温水蒸気改質法は、原料が化石燃料（メタンガス等）のため製造時に発生
する二酸化炭素の回収、貯蔵、処分に係る技術開発や費用も考慮する必要があ
る。FBR から取り出す熱エネルギーのみを直接利用するため、熱利用効率は 3つ
の方法の中では も高いと期待される。また、他の方法に比べて開発要素が少
なく開発期間も短いため、予算等の制約がない場合には も早い時期に実証す
ることが可能と考えられる。このため、ハイブリッド熱化学法の代替オプショ
ンの第１候補と位置付け、ハイブリッド熱化学法と平行して開発を進めるもの
とする。
JNC TN9410 2004-013
- 49 -
現在、メーカーを中心に技術開発が進められており、水素透過膜の性能向上、
水素やメタンガスの原子炉安全性への影響評価等の課題が残されている。2006
年から要素試験を開始し、2007 年頃のハイブリッド熱化学法の成立性チェック
アンドレビューの結果を踏まえて、その後の開発の進め方を判断する。ハイブ
リッド熱化学法の成立性がないと判断された場合、2008 年以降は低温水蒸気改
質法の開発に軸足を置き、資源を重点的に配分する。この場合、 も早くて 2016
年頃には常陽を用いて水素製造の実証を確認できると予想される。一方、ハイ
ブリッド熱化学法の成立性があると判断された場合、低温水蒸気改質法の開発
ペースはスローダウンされる。また、常陽を用いた原型プラント建設にあたっ
ては、将来社会の水素ニーズを考慮して、建設可否のチェックアンドレビュー
を行なう。合計 60 億円+α程度の開発費用が必要である。ただし、ハイブリッ
ド熱化学法の場合と同様、安全設計関係の費用は含めていない。
主に、三菱重工業㈱、新型炉技術開発㈱、東京ガス㈱、ロシア IPPE 等との情
報交換や共同研究の可能性がある。
高温水蒸気電解法は、ハイブリッド熱化学法と同様二酸化炭素を直接排出し
ない優れた技術である。2007 年頃のハイブリッド熱化学法の成立性チェックア
ンドレビューの結果を踏まえて、その後の開発の進め方を判断する。ハイブリ
ッド熱化学法の成立性がないと判断された場合、主たる低温水蒸気改質法の開
発と平行して、基礎的な技術開発に着手し実用化の見通しを探る。
現在、サイクル機構として研究開発に全く取り組んでいない状況であるが、
2008 年以降、高効率化を狙った固体電解質の開発、電解セル構造材の開発等の
課題の解決に取り組み、2011 年頃にはシステムとしての成立性のチェックアン
ドレビューを行い、試験プラントさらには原型プラントによる実証試験を実施
するかどうか判断する。常陽を用いた原型プラントを想定した場合、2021 年頃
に水素製造の実証を確認できると予想され、合計 40 億円程度の開発費用が必要
である。
主に、㈱東芝、産業技術総合研究所、米国 INEEL 等との情報交換や共同研究
の可能性がある。
プロジェクト推進体制については、第１段階として今後 1～2年はハイブリッ
ド熱化学法のプロセス研究を中心に、従来の組織の枠を 大限活用する範囲で 7
JNC TN9410 2004-013
- 50 -
～8名の特別チーム制を採用する。
その後、第 2 段階として、2007 年のハイブリッド熱化学法のシステム成立性
のチェックアンドレビューに向けて、各種製造方法の改善･課題の見通しとプラ
ント概念構築を中心に、8～10 名のグループ制に移行する。
終的な第 3 段階では、安全評価のメンバーも加え 10～十数名の体制で原型
プラントでの実証試験を立ち上げ、社会に対して FBR(原子力)への導入をアピー
ルすることを目的とする。
なお、2005 年秋に予定されている日本原子力研究所との統合後の研究開発の
進め方については、改めて検討することとする。
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- 51 -
表9.１
FBR水素
製造
法の
技術
開発
の概
要
ハ
イブ
リッ
ド熱
化学
法
低温
水蒸
気改
質法
高
温水
蒸気
電解
法
技術
の特
徴
従来
の高
温が
必要
な熱
化学
法に
対し
て、
電
気分
解法
を組
み合
わせ
500℃
の熱
でも
水素
製造
が可
能。
原料
が水
で製
造時
にC
O2を
直接
排出
せず
、40
％を
超え
る高
い熱
利用
効
率が
期待
でき
る。
原料
がメ
タン
ガス
のた
め製
造時
に発
生す
る
CO
2の
回収
、処
分等
に係
る技
術開
発や
費
用も
考慮
する
必要
があ
る。
熱利
用効
率は
最
も高
いと
期待
され
る。
他の
方法
に比
べ比
較
的開
発要
素が
少な
く開
発期
間も
短い
。
ハイ
ブリ
ッド
熱化
学法
と同
様、
原料
が水
の
ため
CO
2を
排出
しな
い。
500℃
の温
度条
件
下で
は、
常温
の電
気分
解法
より
理論
分解
電圧
が低
く、
40％
程度
の高
い熱
利用
効率
が期
待さ
れる
。
開発
の現
状
中心
技術
であ
る約
500
℃で
のSO
3の
電気
分
解に
つい
て、
市販
の酸
素透
過性
固体
電解
質（イ
ット
リア
安定
化ジ
ルコ
ニア
）を
用い
た要
素試
験を
行い
、そ
の原
理を
確認
した
。
Na
小型
炉と
組合
せた
水素
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄの
概念
検
討を
実施
し、
硫酸
濃度
や耐
硫酸
腐食
性を
考
慮し
た系
統機
器の
基本
構成
を明
確に
した
。
Na
高速
炉と
の組
み合
わせ
を前
提に
、2
次冷
却系
への
水素
分離
改質
器の
設置
を想
定し
た原
子力
水素
製造
プラ
ントの
概念
設計
を実
施し
た。
水素
製造
コス
トは
21円
/Nm
3（C
O2
固定
費込
み）と
試算
され
、目
標値
17
円/N
m3
を約
2割
上回
る結
果が
得ら
れた
。
固体
電解
質燃
料電
池（SO
FC
）の
逆反
応に
なる
こと
から
、燃
料電
池で
蓄積
され
た技
術、
およ
び高
温条
件で
の水
素製
造技
術が
流用
可能
。50
0～
700℃
で動
作す
る低
温動
作
SOFC
ｼｽﾃ
ﾑが
検討
され
てお
り、
ｾﾗﾐｯ
ｸ材
料
を安
価な
金属
材料
に置
き換
え大
幅な
ｺｽﾄﾀ
ﾞ
ｳﾝ
を目
指し
てい
る段
階。
主な
開発
課題
○
：水素
製造
技術
●
：プラ
ント技
術
○SO
2溶
液電
気分
解器
の効
率向
上
○SO
3ガ
ス電
気分
解器
の効
率向
上
○硫
酸に
よる
構造
材腐
食へ
の対
応
●熱
交換
器で
の硫
酸-N
a反
応へ
の対
応
●水
素の
原子
炉安
全性
への
影響
評価
●製
造水
素へ
のトリチ
ウム
の混
入防
止
○水
素透
過膜
の性
能向
上
●熱
交換
器で
のﾒﾀﾝ
,水蒸
気-N
a反
応対
応
●ﾒﾀﾝ
,水素
の原
子炉
安全
性へ
の影
響評
価
●製
造水
素へ
のトリチ
ウム
の混
入防
止
○高
効率
化を
狙っ
た固
体電
解質
の開
発
○高
温・長
時間
に耐
える
ｾﾙ
構造
材の
開発
○機
密性
の高
いセ
ル構
造の
開発
○ス
ケー
ルア
ップ
技術
●熱
交換
器で
の水
蒸気
-Na
反応
への
対応
●水
素の
原子
炉安
全性
への
影響
評価
●製
造水
素へ
のトリチ
ウム
の混
入防
止
今後
の開
発
スケ
ジュ
ール
(図
9.1、
表9.
2参
照)
要素
開発
：200
4～
2007
年
チェ
ック
アン
ドレ
ビュ
ー：20
07年
頃
試験
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄ：
2008～
2011
年
原型
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄ：
2012
年～
（H2製
造2016
年～
）
要素
開発
：2006～
2007
年
試験
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄ：
2008～
2009
年
チェ
ック
アン
ドレ
ビュ
ー：20
09年
頃
原型
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄ：
2010
年～
（H
2製
造20
16
年～
）
要素
開発
：2008～
2012
年
チェ
ック
アン
ドレ
ビュ
ー：20
11年
頃
試験
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄ：
2012～
201
5年
原型
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄ：
2015
年～
（H
2製
造2021
年～
）
外部
との
関係
(図
9.3
参照
)
日本
原子
力研
究所
、三
菱重
工業
、新
型炉
技術
開発
(ART
EC
H)、
米国
AN
Lな
ど
三菱
重工
業、
新型
炉技
術開
発(A
RT
EC
H)、
東京
ガス
、ロ
シア
IPPE
など
東芝
、産
業技
術総
合研
究所
、米
国IN
EEL
など
実用
化時
期
2030
年
2030
年
2030
年
予
算（総
計）
(原型
ﾌﾟﾗ
ﾝﾄの
形態
)
約50
億円
+α
（20
04～
2016
年、
ｺｰ
ﾙﾄﾞ
施設
）
約60
億円
+α
（200
4～
2017
年、
常陽
）
約60
億円
+α
（20
06～
2017
年、
常陽
）
約40
億円
+α
（20
08～
2021
年、
常陽
）
備
考
+α
は建
屋建
設費
や安
全設
計費
用と
2次
系
Na
高温
化費
用
+αは
安全
設計
費用
と2
次系
Na
高温
化費
用
+α
は2
次系
Na
高温
化費
用
JNC TN9410 2004-013
- 52 -
図 9.1 試験プラントおよび原型プラントの導入方法（今回検討したケース）
表 9.2 研究開発スケジュール（今回検討したケース）
ハイブリッド熱化学法
低温水蒸気改質法
高温水蒸気電解法
製造方法 コールド施設 ホット施設（常陽）
第１オプション
第2オプション
原型プラント100～1000Nm3/h
原型プラントⅡ1000Nm3/h
2012年～（製造開始2016年～）
原型プラント100～1000Nm3/h
2008～2011年
試験プラント5Nm3/h
2008年～（製造開始2017年～）
①主冷却器１基を交換し、10～35 MWtの熱を利用（1000Nm3/h）
②２次系配管を分岐し、数～10MWtの熱を利用（数百Nm3/h）
（水素ﾌﾟﾗﾝﾄを別建屋のｵﾌﾟｼｮﾝ有）
2005年～（製造開始2015年～）
実用化プラント
2012～2015年
試験プラント5Nm3/h
2009年～（製造開始2021年～）
原型プラント100～1000 Nm3/h
高温水蒸気電解法に関する研究開発が、2008年に要
素技術開発からスタートしたと想定した場合
低温水蒸気電解法に関する研究開発が、2006年に要素
技術開発からスタートしたと想定した場合
試験プラント5Nm3/h
2008～2009年
ハイブリッド熱化学法
低温水蒸気改質法
高温水蒸気電解法
製造方法 コールド施設 ホット施設（常陽）
第１オプション
第2オプション
原型プラント100～1000Nm3/h
原型プラントⅡ1000Nm3/h
2012年～（製造開始2016年～）
原型プラント100～1000Nm3/h
2008～2011年
試験プラント5Nm3/h
2008～2011年
試験プラント5Nm3/h
2008年～（製造開始2017年～）
①主冷却器１基を交換し、10～35 MWtの熱を利用（1000Nm3/h）
②２次系配管を分岐し、数～10MWtの熱を利用（数百Nm3/h）
（水素ﾌﾟﾗﾝﾄを別建屋のｵﾌﾟｼｮﾝ有）
2005年～（製造開始2015年～）
実用化プラント
2012～2015年
試験プラント5Nm3/h
2009年～（製造開始2021年～）
原型プラント100～1000 Nm3/h
高温水蒸気電解法に関する研究開発が、2008年に要
素技術開発からスタートしたと想定した場合
低温水蒸気電解法に関する研究開発が、2006年に要素
技術開発からスタートしたと想定した場合
試験プラント5Nm3/h
2008～2009年
2020年
高温水蒸気電解法
低温水蒸気改質法
ハイブリッド熱化学法
2022年2015年2010年2005年製造方法 2020年
高温水蒸気電解法
低温水蒸気改質法
ハイブリッド熱化学法
2022年2015年2010年2005年製造方法
要素試験
成立性をC&R
試験ﾌﾟﾗﾝﾄによる実証
運転継続？原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（ｺｰﾙﾄﾞ）による実証
要素試験
試験ﾌﾟﾗﾝﾄによる実証
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合本格的にｽﾀｰﾄ
安全性などに関わる予備検討
注1）「試験プラントによる実証」および「原型プラントによる実証」には、設計や建設以外に 後の1～2年には運転（水素製造期間）を含む。注2）試験プラントは小規模施設（5Nm3/h）、原型プラントは大規模施設（100～1000Nm3/h ）を想定。
試験ﾌﾟﾗﾝﾄ
運転継続？原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）による実証
2008
2012
2006
2010
2008
2004
2008
2012
20152009
運転継続？予備検討
2008 2012原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）による実証
原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）による実証
第1オプション第2オプション
第1オプション
将来の水素ニーズの観点からC&R（場合によってはｺｰﾙﾄﾞによる実証有り）
成立性をC&R
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合重点化
H2供給
H2供給
H2供給
H2供給
要素試験
要素試験
成立性をC&R
試験ﾌﾟﾗﾝﾄによる実証
運転継続？原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（ｺｰﾙﾄﾞ）による実証
要素試験
試験ﾌﾟﾗﾝﾄによる実証
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合本格的にｽﾀｰﾄ
安全性などに関わる予備検討
注1）「試験プラントによる実証」および「原型プラントによる実証」には、設計や建設以外に 後の1～2年には運転（水素製造期間）を含む。注2）試験プラントは小規模施設（5Nm3/h）、原型プラントは大規模施設（100～1000Nm3/h ）を想定。
試験ﾌﾟﾗﾝﾄ
運転継続？原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）による実証
2008
2012
2006
2010
2008
2004
2008
2012
20152009
運転継続？予備検討
2008 2012原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）による実証
原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）による実証
第1オプション第2オプション
第1オプション
将来の水素ニーズの観点からC&R（場合によってはｺｰﾙﾄﾞによる実証有り）
成立性をC&R
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合重点化
H2供給
H2供給
H2供給
H2供給
要素試験
JNC TN9410 2004-013
- 53 -
図 9.2 プロジェクト推進体制の概要
図 9.3 国内外の機関との関連
2010 2015 20202005
要素試験
成立性をC&R
試験ﾌﾟﾗﾝﾄによる実証 原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（ｺｰﾙﾄﾞ）による実証
要素試験
試験ﾌﾟﾗﾝﾄ
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合本格的にｽﾀｰﾄ
試験ﾌﾟﾗﾝﾄ 原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）
2006要素試験
将来水素ニーズの観点からC&R
成立性をC&R
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合重点化
20102004 2008 2012
2015
第1段階第1段階
第2段階第2段階原研との統合 第3段階第3段階
安全評価ﾁｰﾑの追加
各種製造法の開発を対象としたグループ制
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ熱化学法の研究を対象とした特別チーム制
開発スケジュール
プロジェクト推進体制
原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）
2010 2015 20202005
要素試験
成立性をC&R
試験ﾌﾟﾗﾝﾄによる実証 原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（ｺｰﾙﾄﾞ）による実証
要素試験
試験ﾌﾟﾗﾝﾄ
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合本格的にｽﾀｰﾄ
試験ﾌﾟﾗﾝﾄ 原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）
2006要素試験
将来水素ニーズの観点からC&R
成立性をC&R
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ法成立性なしの場合重点化
20102004 2008 2012
2015
第1段階第1段階
第2段階第2段階原研との統合 第3段階第3段階
安全評価ﾁｰﾑの追加
各種製造法の開発を対象としたグループ制
ﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞ熱化学法の研究を対象とした特別チーム制
開発スケジュール
プロジェクト推進体制
原型ﾌﾟﾗﾝﾄ（常陽）
ハイブリッド熱化学法
高温水蒸気電解法低温水蒸気改質法（メンブレン・リフォーマー）
米国ANL
東京ガス
ARTECH
ロシアIPPE
原研
東芝
米国INEEL
公募 公募
情報交換、共同研究？
公募、共同研究 情報交換
情報交換
情報交換 産総研
三菱重工
情報交換情報交換
三菱重工
ARTECH 情報交換情報交換
ハイブリッド熱化学法
高温水蒸気電解法低温水蒸気改質法（メンブレン・リフォーマー）
米国ANL
東京ガス
ARTECH
ロシアIPPE
原研
東芝
米国INEEL
公募 公募
情報交換、共同研究？
公募、共同研究 情報交換
情報交換
情報交換 産総研
三菱重工
情報交換情報交換
三菱重工
ARTECH 情報交換情報交換
JNC TN9410 2004-013
- 54 -
10. おわりに
FBR を利用した水素製造について、｢ハイブリッド熱化学法｣、｢低温水蒸気改
質法｣、｢高温水蒸気電解法｣の 3つの方法を選択し、各方法での開発課題、スケ
ジュール、予算などを調査するとともに、推進体制や外部機関との関連につい
てとりまとめた。
今後は、開発の進捗状況に応じた見直しを適宜行うとともに来る水素社会に
向けて FBR での水素製造の重要性を広く社会に認知させるべく戦略的な活動を
進める必要がある。
JNC TN9410 2004-013
- 55 -
謝辞
本企画書をまとめるにあたり、原子力システム研究懇話会原子力水素研究会
の堀雅夫代表にはプロジェクト企画書全般にわたり、数多くの有益なご助言を
頂きました。ここに深く感謝の意を表します。
JNC TN9410 2004-013
- 56 -
参 考 文 献
[1] Joho O'M.Bockris,T.N.Veziroglu,Frano Barbir 著,井東廉介訳”水素エネルギー入門
水素エネルギーの経済と技術がわかる”西田書店（2003）
[2] 篠田,大滝,小藤,小野,平尾”総合技術検討書-実用化戦略調査研究（フェーズⅠ）報告
書-“JNC TN9400 2001-061（2001）
[3] 大滝,小野,平尾”FBR による水素製造シナリオの検討”日本原子力学会 2001 年秋の大
会（2001）
[4] 大滝,小野,小澤,平尾”FBR サイクル導入シナリオの検討（Ⅲ）-水素利用社会を想定し
たハードパスとソフトパスの新たな協調概念-“JNC TN9400 2002-035（2002）
[5] 大滝,小野,小澤”水素利用社会における回収 Pd の需給バランスの検討”JNC TW9404
2001-062, 日本原子力学会 2002 年春の年会,総合講演 2（2002）
[6] 近澤,他“Na 小型炉のシステム設計研究‐平成 13 年度の研究成果のまとめ‐” JNC
TN9400 2002-055 (2002)
[7] 近澤,他“原子力水素プラントのシステム設計研究‐平成 14 年度の研究成果のまとめ
‐” JNC TN9400 2003-048 (2003)
[8] 堀,他“原子力による水素エネルギー”(社)日本原子力産業会議/原子力システム研究
懇話会 (2001)
[9] Steve Herring “High Temperature Electrolysis Using Solid Oxide Fuel Cell
Technology”, Technical Workshop on "Large Scale Production of Hydrogen from
Nuclear Power Fission and Fusion", San Diego CA, May 14-15 (2002)
[10] Int.J.Hydrogen Energy, Vol.13, No.5, pp.283-287 (1988)
[11] 杉谷,加幡,他 “固体酸化物型燃料電池（SOFC）発電システムの開発”三菱重工技報
Vol.39 No.3 (2002)
JNC TN9410 2004-013
- 57 -
JNC TN9410 2004-013
付‐１ (1)
付録-1
国内外における水素製造技術開発状況 ①米国においては、DOEが、原子力利用の新たな可能性を追求したいくつかのイニシアチブ(先導的プロジェクト)を盛り込んだ 2004年度計画を発表し、その中に「原子力水素イニシアチブ」が盛り込まれている。ブッシュ大統領は、米国がリーダーとなるべく、このプロジェクトに 12億ドルの予算を提案しており、水素や燃料電池自動車の開発に他国より多くの予算を費やしている。水素製造に関しては、コストダウンを最優先課題とし、大量製造技術や基礎研究として触媒や分離に関するブレークスルー技術の開発が行われている。 また、これとは別に Gen-IVにおいて、2020年頃の実用化を目指した第４世代炉コンセ
プトの一つとして、超高温ガス炉（VHTR：Very-High-Temperature Reactor）システムが取り上げられ、水素製造について、国際協力による研究開発課題の検討が進められている。DOEは、Gen-IVにおける VHTRシステムの研究開発を通じて、原子力水素イニシアチブによる水素製造技術の研究開発を進めて、2010年に熱化学法と高温水蒸気電解法のどちらかを実証プロセスとして、2016年頃に原子力による水素製造を実証する計画を立てている。 その中で、ゼネラル・アトミックス（GA）、サンディア国立研究所（SNL）,ケンタッキー大学が、原子力を用いた高効率水素製造について検討し、高温条件での I-S サイクルが適していると提言している。また、アルゴンヌ国立研究所（ANL）、テキサス A&M大学
JNC TN9410 2004-013
付‐１ (2)
が、比較的低温度で高効率のサイクルとして Ca-Brサイクル、そして、ロスアラモス国立研究所（LANL）、テキサス A&M大学が、高温ガス炉を用いたメタンの水蒸気改質について研究を進めている。 また、I-NERI（国際原子力研究イニシアチブ）として、仏 CEAとの国際協力を行っており、CEA、GA、SNL の協力で、各研究機関が硫酸分解反応、ブンゼン反応、ヨウ化水素分解反応の３つの反応のうち１つずつを分担して研究を進め、最後に統合して ISサイクルの実証試験を計画している。 ②日本では、NEDO が「水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術（WE-NET）」の中で、90%の高いエネルギー効率が達成できる固体高分子電解質水電解法の検討を行っており、大規模化、長寿命化をねらった技術開発が行われている。家庭用 LP ガスを用いた固体高分子型燃料電池（PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell）システム開発事業として、2001年度から５年計画、総額約 14億円で進められており、高い発電効率と、コンパクト化を目標に進められている。また、地球環境産業技術総合機構（RITE）プロジェクトにおいても、大型化の開発に取り組んでいる。 原研においては、高温ガス炉HTTRの高温条件（950℃）を用いた、天然ガス（メタン）
の水蒸気改質による熱化学法水素製造について研究を進めている。工業的に行われている水蒸気改質による水素製造は、熱源として化石燃料の燃焼熱を用いているが、代わりに高温ガス炉から供給される高温のヘリウムガスによって行うものであり、2008年からHTTRを用いた実証試験を行う予定である。また、熱化学法である ISプロセスについても研究を進めており、これは硫酸分解反応、ブンゼン反応、ヨウ化水素分解反応の３つの反応と高温ガス炉の高温条件を組み合わせることにより、40～50％の高い熱効率で水素製造を行う技術である。ISプロセスは 2011年からHTTRを用いた実証試験を行う予定である。 東京大学では、熱化学法 UT-3 プロセスとして、カルシウム、鉄、臭素などの化合物を用いた水分解サイクルを用い、反応生成物を固体と気体のみにすることにより生成物の分離を容易にしたサイクルについて研究を進めている。 ③ヨーロッパでは、「第 5 次フレームワークプログラム（FP5：Fifth Framework Programme for R&D）」が 1998年から 2002年の間に行われ、総額約 150億ユーロの予算が付けられていた。その中で、PEFCの技術開発をはじめ、高温形燃料電池の技術開発、水素の集中的製造と燃料電池の分散利用によるネットワークの実証試験などの研究が行われており、現在 FP6（2002年～2006年）の中で研究が進められている。FP6における一番のねらいは、European Research Area (ERA) を実現することにある。ERAとは、FP5まで独立に行われていた各国の研究プログラムをひとつの EU プログラムに統合し、研究と技術革新の共同市場 (Common Market) を創出しようという構想である。 ④仏国においては、今後 30年間のエネルギー基本政策として、国民の意見を採り入れた「エネルギー白書」を作成。その中で再生可能エネルギーが重点項目にあげられている。高温ガス炉を将来型革新炉の有力候補の一つとして捉えており、CEAは、カダラッシュに高温
JNC TN9410 2004-013
付‐１ (3)
ガス炉の実験炉を 2012年頃までに、原型炉を 2020年頃に建設する予定である。水素製造技術は、この計画の中で研究開発を行う予定である。また、米国の I-NERI（国際原子力研究イニシアチブ）に参加しており、IS法による水素製造技術の米仏共同開発３カ年計画を推進している。 ⑤独国では、2001年 11月の「エネルギー報告書」の中で、省エネ、技術革新、インフラ整備の重要性について公表し、再生可能エネルギーの研究分野の中で燃料電池の研究開発が重点項目にあげられている。 ユーリッヒ原子力研究所（KFA）において、高温ガス炉を用いた化学熱輸送システムの研究が行われており、高温ガス炉で水蒸気改質法により変換した水素と一酸化炭素を配管で輸送し、消費部で水蒸気改質反応の逆反応を起こして熱を取り出す計画、ADAM-EVAプロジェクトとして、実証試験が行われている。 ⑥カナダにおいては、2025年までの化石燃料を中心としたエネルギー需給を見通しているが、自動車用燃料電池で高シェアのバラード社が存在することもあり、燃料電池が政策的に重視されており、2003年 10月にエタノール生産拡大プログラムも立ち上げられている。また、高い変換効率が達成できる高温・高圧水電解法に基づいた数万 Nm3/h規模の大規模プラントがカナダ、ブラジル等で稼働している。 ⑦IAEA においては、国際共同研究開発（CRP4）の中の HTTR に接続する熱利用系の設計、評価に、日、米、独、露、中、等が参加して 2000 年まで検討が行われた。その他、韓国では代替エネルギー、水素エネルギーの開発が重点的に進められている。
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (1)
付録-２
将来の水素利用社会の展望と代表的な水素製造方法
付録-２
将来の水素利用社会の展望と代表的な水素製造方法
目次1. 水素の消費量
2. 水素の用途
3. 国内の燃料電池自動車導入見通し
4. 燃料電池自動車導入によるCO2削減効果
5. 燃料電池自動車による石油資源節約量
6. 水素製造用原子力設備容量の評価例
7. ハード・パスとソフト・パスの協調概念
8. 回収Pdの需給バランス
9. Ru回収量とNH3合成触媒の供給規模
10.水素供給コスト
11. FBRによる水素製造の特徴
12.代表的な水素製造方法
13.代表的な新エネルギーの水素製造可能量
14.代表的な原子力水素製造方法（一覧）
15.鉛冷却多目的高速炉プラント（ANL他）
目次1. 水素の消費量
2. 水素の用途
3. 国内の燃料電池自動車導入見通し
4. 燃料電池自動車導入によるCO2削減効果
5. 燃料電池自動車による石油資源節約量
6. 水素製造用原子力設備容量の評価例
7. ハード・パスとソフト・パスの協調概念
8. 回収Pdの需給バランス
9. Ru回収量とNH3合成触媒の供給規模
10.水素供給コスト
11. FBRによる水素製造の特徴
12.代表的な水素製造方法
13.代表的な新エネルギーの水素製造可能量
14.代表的な原子力水素製造方法（一覧）
15.鉛冷却多目的高速炉プラント（ANL他）
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (2)
2. 水素の用途
産業用・燃料改質（石油精製，石炭液化，重質油の軟質化）
・化学工業（メタノール，アルコール，水素添加用）
・電子工業（シリコンウエハー，半導体，電子部品）
・硝子工業（光ファイバー，石英硝子，フロート硝子）
・金属工業（還元製鉄，光輝焼鈍，焼結，水素化粉砕）
・電力工業（発電機用冷却剤）
産業用・燃料改質（石油精製，石炭液化，重質油の軟質化）
・化学工業（メタノール，アルコール，水素添加用）
・電子工業（シリコンウエハー，半導体，電子部品）
・硝子工業（光ファイバー，石英硝子，フロート硝子）
・金属工業（還元製鉄，光輝焼鈍，焼結，水素化粉砕）
・電力工業（発電機用冷却剤）
工業用原料工業用原料工業用原料
水素利用技術
水素利用技術
水素利用技術
電力用・水素燃焼タービン，蒸気タービン，MHD発電
・燃料電池（発電用，自動車用）
電力用・水素燃焼タービン，蒸気タービン，MHD発電
・燃料電池燃料電池（発電用，自動車用）エネルギー変換エネルギー変換
・雰囲気ガス，冷熱利用
・水素吸蔵合金（アクチュエーター，センサー等）
・雰囲気ガス，冷熱利用
・水素吸蔵合金（アクチュエーター，センサー等）その他その他その他
民生用・厨房用機器，給湯器，冷暖房設備
民生用・厨房用機器，給湯器，冷暖房設備
輸送用・エンジン（レシプロ，ロータリー，ディーゼル）
・自動車（燃料電池車，水素自動車，ハイブリッド車）
・航空機用ジェットエンジン，ロケットエンジン
輸送用・エンジン（レシプロ，ロータリー，ディーゼル）
・自動車（燃料電池車燃料電池車，水素自動車水素自動車，ハイブリッド車）
・航空機用ジェットエンジン，ロケットエンジンロケットエンジン
2. 水素の用途
産業用・燃料改質（石油精製，石炭液化，重質油の軟質化）
・化学工業（メタノール，アルコール，水素添加用）
・電子工業（シリコンウエハー，半導体，電子部品）
・硝子工業（光ファイバー，石英硝子，フロート硝子）
・金属工業（還元製鉄，光輝焼鈍，焼結，水素化粉砕）
・電力工業（発電機用冷却剤）
産業用・燃料改質（石油精製，石炭液化，重質油の軟質化）
・化学工業（メタノール，アルコール，水素添加用）
・電子工業（シリコンウエハー，半導体，電子部品）
・硝子工業（光ファイバー，石英硝子，フロート硝子）
・金属工業（還元製鉄，光輝焼鈍，焼結，水素化粉砕）
・電力工業（発電機用冷却剤）
工業用原料工業用原料工業用原料
水素利用技術
水素利用技術
水素利用技術
電力用・水素燃焼タービン，蒸気タービン，MHD発電
・燃料電池（発電用，自動車用）
電力用・水素燃焼タービン，蒸気タービン，MHD発電
・燃料電池燃料電池（発電用，自動車用）エネルギー変換エネルギー変換
・雰囲気ガス，冷熱利用
・水素吸蔵合金（アクチュエーター，センサー等）
・雰囲気ガス，冷熱利用
・水素吸蔵合金（アクチュエーター，センサー等）その他その他その他
民生用・厨房用機器，給湯器，冷暖房設備
民生用・厨房用機器，給湯器，冷暖房設備
輸送用・エンジン（レシプロ，ロータリー，ディーゼル）
・自動車（燃料電池車，水素自動車，ハイブリッド車）
・航空機用ジェットエンジン，ロケットエンジン
輸送用・エンジン（レシプロ，ロータリー，ディーゼル）
・自動車（燃料電池車燃料電池車，水素自動車水素自動車，ハイブリッド車）
・航空機用ジェットエンジン，ロケットエンジンロケットエンジン
1. 水素の消費量（現在、将来）世界の総需要量世界の総需要量 年間約5，000億 Nｍ3（富士山の半分程度）
約４０％がアンモニア合成、約２０％が石油精製で消費されている
約５０％が石油精製で使用され、その他にアンモニア、メタノールなどの工業原料として消費
国内の総需要量国内の総需要量 年間約150～200億 Nｍ3（琵琶湖の５～７割程度）
ボンベによる外販水素の需要量は、年間１～２億 ｍ3程度（東京ドーム約80杯～160杯分）
燃料電池自動車による国内需要見通し燃料電池自動車による国内需要見通し
燃料電池自動車導入目標（累計） 10年５万台, 20年500万台, 30年1500万台
年間水素需要見通し ４億Nｍ3 65億Nｍ3 170億Nｍ3
全車両が燃料電池自動車に移行した場合
2060年頃の燃料電池自動車導入台数
約７５００万台
定置型燃料電池等の水素利用も考慮すれば、需要量はさらに増えると予想される
運輸部門の年間水素需要量
約１３００億Nｍ3
0
4
8
12
16
2000 2020 2040 2060 2080 2100
（年）
(百億Ｎｍ3）
水素需要量
燃料電池自動車による消費
燃料電池自動車による消費
図２図２ 国内の運輸部門における水素需要見通し国内の運輸部門における水素需要見通し（サイクル機構推計）（サイクル機構推計）
1. 水素の消費量（現在、将来）世界の総需要量世界の総需要量 年間約5，000億 Nｍ3（富士山の半分程度）
約４０％がアンモニア合成、約２０％が石油精製で消費されている
約５０％が石油精製で使用され、その他にアンモニア、メタノールなどの工業原料として消費
国内の総需要量国内の総需要量 年間約150～200億 Nｍ3（琵琶湖の５～７割程度）
ボンベによる外販水素の需要量は、年間１～２億 ｍ3程度（東京ドーム約80杯～160杯分）
燃料電池自動車による国内需要見通し燃料電池自動車による国内需要見通し
燃料電池自動車導入目標（累計） 10年５万台, 20年500万台, 30年1500万台
年間水素需要見通し ４億Nｍ3 65億Nｍ3 170億Nｍ3
全車両が燃料電池自動車に移行した場合
2060年頃の燃料電池自動車導入台数
約７５００万台
定置型燃料電池等の水素利用も考慮すれば、需要量はさらに増えると予想される
運輸部門の年間水素需要量
約１３００億Nｍ3
0
4
8
12
16
2000 2020 2040 2060 2080 2100
（年）
(百億Ｎｍ3）
水素需要量
燃料電池自動車による消費
燃料電池自動車による消費
図２図２ 国内の運輸部門における水素需要見通し国内の運輸部門における水素需要見通し（サイクル機構推計）（サイクル機構推計）
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (3)
3. 国内の燃料電池自動車導入見通し
水素燃料電池自動車の導入見通し水素燃料電池自動車の導入見通し**1)1)燃料電池実用化戦略研究会資料（燃料電池実用化戦略研究会資料（20042004年年33月月1111日）日）
西暦（年）西暦（年）
• 燃料電池実用化戦略調査会目標
２０１０年；５万台，２０２０年；５００万台，２０３０年；１５００万台
• サイクル機構推計 ２１世紀中頃には全車両が燃料電池車に移行
国内自動車台数（万台）
国内自動車台数（万台）
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
自動車合計
実績
化石燃料
自動車型
燃料 電池自 動車燃料電池実用化戦略研究会推計＊1）
500万台
５万台
1500万台
3. 国内の燃料電池自動車導入見通し
水素燃料電池自動車の導入見通し水素燃料電池自動車の導入見通し**1)1)燃料電池実用化戦略研究会資料（燃料電池実用化戦略研究会資料（20042004年年33月月1111日）日）
西暦（年）西暦（年）
• 燃料電池実用化戦略調査会目標
２０１０年；５万台，２０２０年；５００万台，２０３０年；１５００万台
• サイクル機構推計 ２１世紀中頃には全車両が燃料電池車に移行
国内自動車台数（万台）
国内自動車台数（万台）
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
自動車合計
実績
化石燃料
自動車型
燃料 電池自 動車燃料電池実用化戦略研究会推計＊1）
500万台
５万台
1500万台
4. 燃料電池自動車導入によるCO2削減効果
運輸部門における自動車の二酸化炭素排出見通し運輸部門における自動車の二酸化炭素排出見通し**１１))運輸部門のうち船舶，鉄道，航空を除いた最終エネルギー消費ベースの計算値運輸部門のうち船舶，鉄道，航空を除いた最終エネルギー消費ベースの計算値
西暦（年）西暦（年）
二酸化炭素排出量（百万
二酸化炭素排出量（百万㌧‐㌧‐））CC
0
10
20
30
40
50
60
70
1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
運輸部門の１９９０年度CO2排出量
（炭素換算 約４,８４０万トン*1）
燃料電池自動車
導入ケース
従来型持続ケース
• サイクル機構推計 石油資源を燃料とする従来型車両の運用が持続した場合，
長期に渡り１９９０年度水準を上まわる。
4. 燃料電池自動車導入によるCO2削減効果
運輸部門における自動車の二酸化炭素排出見通し運輸部門における自動車の二酸化炭素排出見通し**１１))運輸部門のうち船舶，鉄道，航空を除いた最終エネルギー消費ベースの計算値運輸部門のうち船舶，鉄道，航空を除いた最終エネルギー消費ベースの計算値
西暦（年）西暦（年）
二酸化炭素排出量（百万
二酸化炭素排出量（百万㌧‐㌧‐））CC
0
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1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
運輸部門の１９９０年度CO2排出量
（炭素換算 約４,８４０万トン*1）
燃料電池自動車
導入ケース
従来型持続ケース
• サイクル機構推計 石油資源を燃料とする従来型車両の運用が持続した場合，
長期に渡り１９９０年度水準を上まわる。
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (4)
5. 燃料電池自動車による石油資源節約量
国内運輸部門の石油資源節約見通し国内運輸部門の石油資源節約見通し**１１))経済産業省「エネルギー生産・需給統計年報」（経済産業省「エネルギー生産・需給統計年報」（20002000））
石油資源節約量（万キロ
石油資源節約量（万キロ㍑㍑））
• サイクル機構推計 ２１世紀中頃には１９９９年度国内備蓄量相当
の石油資源節約が見込まれる
西暦（年）西暦（年）
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
2000 2020 2040 2060 2080 2100
１９９９年度国内石油備蓄量＊1
（国家と民間の総量８,８０５万ｋL）
燃料電池自動車による
石油資源節約量
5. 燃料電池自動車による石油資源節約量
国内運輸部門の石油資源節約見通し国内運輸部門の石油資源節約見通し**１１))経済産業省「エネルギー生産・需給統計年報」（経済産業省「エネルギー生産・需給統計年報」（20002000））
石油資源節約量（万キロ
石油資源節約量（万キロ㍑㍑））
• サイクル機構推計 ２１世紀中頃には１９９９年度国内備蓄量相当
の石油資源節約が見込まれる
西暦（年）西暦（年）
0
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4,000
6,000
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10,000
2000 2020 2040 2060 2080 2100
１９９９年度国内石油備蓄量＊1
（国家と民間の総量８,８０５万ｋL）
燃料電池自動車による
石油資源節約量
© 燃料電池自動車導入目標と長期見通し
・国の導入目標（累計）２０２０年 ５百万台＊1
・長期見通し＊2
２０６０年頃 約７５百万台
© 年間水素消費量
２０２０年 約６２億Nm３＊3
２０６０年 約１３百億Nm３＊2
© 水素製造用原子力設備容量
２０６０年頃の水素製造設備容量
・水電気分解法 約６３GWe
・低温熱化学法 約４４GWe
・低温水蒸気改質法 約１９GWe
(備考） ＊１：経済産業省「燃料電池実用化戦略調査会推計」＊２：JNC TN1340 2001-008「サイクル機構技報」No.12、別冊2001.9＊３：小林「燃料電池自動車の導入シナリオ（中間報告）」エネルギー総合工学研究所第206回月例研究会資料（2002.10.25）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
2000 2020 2040 2060 2080 2100
6. 水素製造用原子力設備容量の評価例• 評価方法
© 国内運輸部門の乗用車、貨物およびバスが燃料電池自動車に移行した場合の水素消費量を
推計し、その需要増加分の水素製造に用いる原子力設備容量を試算した。
© 原子力による水素製造方法は、低温水蒸気改質法、低温熱化学法と水電気分解法を想定した。
• 評価結果の概要
電力供給用（７０GWe）
低温水蒸気改質法
低温熱化学法
水電気分解法
原子力設備容量
水素製造用を含めた原子力設備容量の長期見通し
（GWe）
西暦（年）
© 燃料電池自動車導入目標と長期見通し
・国の導入目標（累計）２０２０年 ５百万台＊1
・長期見通し＊2
２０６０年頃 約７５百万台
© 年間水素消費量
２０２０年 約６２億Nm３＊3
２０６０年 約１３百億Nm３＊2
© 水素製造用原子力設備容量
２０６０年頃の水素製造設備容量
・水電気分解法 約６３GWe
・低温熱化学法 約４４GWe
・低温水蒸気改質法 約１９GWe
(備考） ＊１：経済産業省「燃料電池実用化戦略調査会推計」＊２：JNC TN1340 2001-008「サイクル機構技報」No.12、別冊2001.9＊３：小林「燃料電池自動車の導入シナリオ（中間報告）」エネルギー総合工学研究所第206回月例研究会資料（2002.10.25）
0
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2000 2020 2040 2060 2080 2100
6. 水素製造用原子力設備容量の評価例• 評価方法
© 国内運輸部門の乗用車、貨物およびバスが燃料電池自動車に移行した場合の水素消費量を
推計し、その需要増加分の水素製造に用いる原子力設備容量を試算した。
© 原子力による水素製造方法は、低温水蒸気改質法、低温熱化学法と水電気分解法を想定した。
• 評価結果の概要
電力供給用（７０GWe）
低温水蒸気改質法
低温熱化学法
水電気分解法
原子力設備容量
水素製造用を含めた原子力設備容量の長期見通し
（GWe）
西暦（年）
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (5)
7. ハード・パスとソフト・パスの協調概念
© 核燃料サイクル
© 分散電源、燃料電池自動車化学プラント（原料、触媒） etc.
© CO2フリーエネルギー
© Pt,Pd,Ru等の国外依存の緩和 （南ア、
ロシアに偏在）
FP分離変換（再処理）
軽水炉、FBR高温ガス炉
希少元素
電力水素
ソフト・パス
ハード・パス
7. ハード・パスとソフト・パスの協調概念
© 核燃料サイクル
© 分散電源、燃料電池自動車化学プラント（原料、触媒） etc.
© CO2フリーエネルギー
© Pt,Pd,Ru等の国外依存の緩和 （南ア、
ロシアに偏在）
FP分離変換（再処理）
軽水炉、FBR高温ガス炉
希少元素
電力水素
ソフト・パス
ハード・パス
8. 回収Pdの需給バランス
図3. 回収Pd需給量の計算例（LWR再処理）
• 需給状況– 累積需要量；2100年までの累計で約180 tが見込まれる
（1999年総供給量の2倍程度）– 累積回収量；需要量相当の約180 tが見込まれる
PdPd水素水素
改質器改質器
0
50
100
150
200
2000 2020 2040 2060 2080 2100（年）
Pd需要量
回収Pd量
Pd累積量：ton
2050年頃海外依存率約50%
8. 回収Pdの需給バランス
図3. 回収Pd需給量の計算例（LWR再処理）
• 需給状況– 累積需要量；2100年までの累計で約180 tが見込まれる
（1999年総供給量の2倍程度）– 累積回収量；需要量相当の約180 tが見込まれる
PdPd水素水素
改質器改質器
0
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2000 2020 2040 2060 2080 2100（年）
Pd需要量
回収Pd量
Pd累積量：ton
2050年頃海外依存率約50%
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (6)
9. Ru回収量とNH3合成触媒の供給規模
Ru水素
触媒
• Ru回収量– 2100年までの累計； 約280 t（年平均回収量 約2.4 ｔ ）– NH3合成触媒の供給規模； 約70基（日産1000t級で規格化）– 1998年のNH3生産量に基づくプラント数；国内 6基（〃）
世界 360基（〃）
〔稼働率の仮定 約80%〕
図4. 回収Pd需給量の計算例（LWR再処理）
0
50
100
150
200
250
300
2000 2020 2040 2060 2080 2100 年
0
15
30
45
60
75
90
回収Ru量
アンモニアプラント数
Ru累積量
（ton）
アンモニアプラント基数の累計（基）
日産1000トン/日のプラント規 模 で 規 格 化 し た 基 数
9. Ru回収量とNH3合成触媒の供給規模
Ru水素
触媒
• Ru回収量– 2100年までの累計； 約280 t（年平均回収量 約2.4 ｔ ）– NH3合成触媒の供給規模； 約70基（日産1000t級で規格化）– 1998年のNH3生産量に基づくプラント数；国内 6基（〃）
世界 360基（〃）
〔稼働率の仮定 約80%〕
図4. 回収Pd需給量の計算例（LWR再処理）
0
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回収Ru量
アンモニアプラント数
Ru累積量
（ton）
アンモニアプラント基数の累計（基）
日産1000トン/日のプラント規 模 で 規 格 化 し た 基 数
10. 水素供給コスト10. 水素供給コスト
• 概要
水力資源が豊富なカナダやノルウェーでは安価な電力が得られるためアル
カリ電解型水素製造が普及しているが，国内のエネルギー価格を考慮した
WE-NETのコスト試算結果によると，国内の水素供給コストは電気分解法より
も天然ガス等を原料とする水蒸気改質法の方が安い傾向にある。
水素ステーションにおける水素供給コストの試算例
軽水炉発電による電気分解法と化石燃料を熱源とする水蒸気改質法のコスト比較
水蒸気改質法のCO2を回収・処分しない場合 電気分解法のコストは改質法の約２．５倍
水蒸気改質法のCO2を回収・処分する場合 電気分解法のコストは改質法の約１．１倍
WE-NETの実証試験
水素・燃料電池実証プロジェクト
にて検証される予定
水素ガス輸送・貯蔵型 ： 50円/Nm3
液体水素輸送・貯蔵型 ： 65円/Nm3
天然ガス改質型 ： 40円/Nm3程度
水電解型 ： 68円/Nm3程度
10. 水素供給コスト10. 水素供給コスト
• 概要
水力資源が豊富なカナダやノルウェーでは安価な電力が得られるためアル
カリ電解型水素製造が普及しているが，国内のエネルギー価格を考慮した
WE-NETのコスト試算結果によると，国内の水素供給コストは電気分解法より
も天然ガス等を原料とする水蒸気改質法の方が安い傾向にある。
水素ステーションにおける水素供給コストの試算例
軽水炉発電による電気分解法と化石燃料を熱源とする水蒸気改質法のコスト比較
水蒸気改質法のCO2を回収・処分しない場合 電気分解法のコストは改質法の約２．５倍
水蒸気改質法のCO2を回収・処分する場合 電気分解法のコストは改質法の約１．１倍
WE-NETの実証試験
水素・燃料電池実証プロジェクト
にて検証される予定
水素ガス輸送・貯蔵型 ： 50円/Nm3
液体水素輸送・貯蔵型 ： 65円/Nm3
天然ガス改質型 ： 40円/Nm3程度
水電解型 ： 68円/Nm3程度
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (7)
0
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4,000
6,000
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10,000
12,000
14,000
2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120
西暦（年）西暦（年）
原子力設備容量
原子力設備容量(G
We)
(GWe)
将来のエネルギー需要量将来のエネルギー需要量
WECWEC－－BBケースケース２１００年予測２１００年予測（５（５,,２００２００GWeGWe））
③③FBR2030FBR2030--1.21.2
⑤⑤FBR2050FBR2050--1.31.3
④④FBR2030FBR2030--1.31.3WECWEC--B(B(参考）参考）
①①LWRLWRワンススルーワンススルー
発 電 用発 電 用
設備容量設備容量
水素生産水素生産
設備容量設備容量
②②LWRLWRプルサーマルプルサーマル
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120
西暦（年）西暦（年）
原子力設備容量
原子力設備容量(G
We)
(GWe)
将来のエネルギー需要量将来のエネルギー需要量
WECWEC－－BBケースケース２１００年予測２１００年予測（５（５,,２００２００GWeGWe））
③③FBR2030FBR2030--1.21.2
⑤⑤FBR2050FBR2050--1.31.3
④④FBR2030FBR2030--1.31.3WECWEC--B(B(参考）参考）
①①LWRLWRワンススルーワンススルー
発 電 用発 電 用
設備容量設備容量
水素生産水素生産
設備容量設備容量
②②LWRLWRプルサーマルプルサーマル
11. FBRによる水素製造の特徴• 長所(1) 環境負荷低減効果
– CO2を排出しない二次エネルギー（電力、水素、熱）の安定供給
– 超ウラン元素のリサイクル化による高レベル廃棄物処分量の削減
(2) 効率的なウラン利用による一次エネルギーの持続的供給
• 開発課題– FBRの経済性、水素－原子力プラントを併設した場合の安全方策確立
– FBR導入体系における水素製造プロセス技術の原理確認ならびに実証
図１図１ FBRFBRによる一次エネルギーの持続的供給能力の評価例による一次エネルギーの持続的供給能力の評価例（世界規模での原子力最大導入可能量（世界規模での原子力最大導入可能量 ））
世界エネルギー会議（WEC）の需要予測Bケース（標準的な需要）
FBR導入条件
増殖比 1.2～1.3
導入年 2030／2050年
LWR制約条件
ウラン資源量 1,650万t
（解体核含む）
想定条件想定条件
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
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2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120
西暦（年）西暦（年）
原子力設備容量
原子力設備容量(G
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(GWe)
将来のエネルギー需要量将来のエネルギー需要量
WECWEC－－BBケースケース２１００年予測２１００年予測（５（５,,２００２００GWeGWe））
③③FBR2030FBR2030--1.21.2
⑤⑤FBR2050FBR2050--1.31.3
④④FBR2030FBR2030--1.31.3WECWEC--B(B(参考）参考）
①①LWRLWRワンススルーワンススルー
発 電 用発 電 用
設備容量設備容量
水素生産水素生産
設備容量設備容量
②②LWRLWRプルサーマルプルサーマル
0
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6,000
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12,000
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2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120
西暦（年）西暦（年）
原子力設備容量
原子力設備容量(G
We)
(GWe)
将来のエネルギー需要量将来のエネルギー需要量
WECWEC－－BBケースケース２１００年予測２１００年予測（５（５,,２００２００GWeGWe））
③③FBR2030FBR2030--1.21.2
⑤⑤FBR2050FBR2050--1.31.3
④④FBR2030FBR2030--1.31.3WECWEC--B(B(参考）参考）
①①LWRLWRワンススルーワンススルー
発 電 用発 電 用
設備容量設備容量
水素生産水素生産
設備容量設備容量
②②LWRLWRプルサーマルプルサーマル
11. FBRによる水素製造の特徴• 長所(1) 環境負荷低減効果
– CO2を排出しない二次エネルギー（電力、水素、熱）の安定供給
– 超ウラン元素のリサイクル化による高レベル廃棄物処分量の削減
(2) 効率的なウラン利用による一次エネルギーの持続的供給
• 開発課題– FBRの経済性、水素－原子力プラントを併設した場合の安全方策確立
– FBR導入体系における水素製造プロセス技術の原理確認ならびに実証
図１図１ FBRFBRによる一次エネルギーの持続的供給能力の評価例による一次エネルギーの持続的供給能力の評価例（世界規模での原子力最大導入可能量（世界規模での原子力最大導入可能量 ））
世界エネルギー会議（WEC）の需要予測Bケース（標準的な需要）
FBR導入条件
増殖比 1.2～1.3
導入年 2030／2050年
LWR制約条件
ウラン資源量 1,650万t
（解体核含む）
想定条件想定条件
12. 代表的な水素製造方法
代表的な原料代表的な原料 水、化石燃料、バイオマス等
一次エネルギー一次エネルギー 化石燃料、自然エネルギー 、原子力バイオマス等
･化石燃料
･風力
･水力
･海洋
･原子力
･地熱
･太陽
･バイオマス
電力
（光合成性細菌分解，嫌気性発酵）
（水の電気分解）
（水熱化学分解）
（水の光分解）
熱
（化石燃料改質）（水蒸気） 水素水素
（二次エネルギー）
（二次エネルギー）
太陽
光
12. 代表的な水素製造方法
代表的な原料代表的な原料 水、化石燃料、バイオマス等
一次エネルギー一次エネルギー 化石燃料、自然エネルギー 、原子力バイオマス等
･化石燃料
･風力
･水力
･海洋
･原子力
･地熱
･太陽
･バイオマス
電力
（光合成性細菌分解，嫌気性発酵）
（水の電気分解）
（水熱化学分解）
（水の光分解）
熱
（化石燃料改質）（水蒸気） 水素水素
（二次エネルギー）
（二次エネルギー）
太陽
光
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (8)
13. 代表的な新エネルギーの水素製造可能量
約１５兆円約３０兆円約６０兆円建設費
１５％２８％６４％需給率*2
19750.535598.3824223小計
実際的潜在量B*1実際的潜在量A*1物理的限界潜在量 *1
105
22
228
水素製造量（億ｍ3）
5.0
2.5
43.0
発電容量
（百万ｋW）
727.321014.6廃棄
物発電
115.015535.0風力
発電
11486.0459173太陽光発電
水素製造量（億ｍ3）
発電容量
（百万ｋW）
水素製造量（億ｍ3）
発電容量
（百万ｋW）
（備考） ＊１：「新エネルギーの潜在性と経済性」、総合エネルギー調査会新エネルギー部会資料（平成12年1月27日）
＊２：2060年頃の運輸部門における年間水素需要量1,280億ｍ3（サイクル機構推計値）を100％とした場合の供給割合
上記の水素製造量は、水電気分解法を用いた場合の製造量（製造電力は水素１ｍ3当り約４ｋW（低位発熱量ベース）
13. 代表的な新エネルギーの水素製造可能量
約１５兆円約３０兆円約６０兆円建設費
１５％２８％６４％需給率*2
19750.535598.3824223小計
実際的潜在量B*1実際的潜在量A*1物理的限界潜在量 *1
105
22
228
水素製造量（億ｍ3）
5.0
2.5
43.0
発電容量
（百万ｋW）
727.321014.6廃棄
物発電
115.015535.0風力
発電
11486.0459173太陽光発電
水素製造量（億ｍ3）
発電容量
（百万ｋW）
水素製造量（億ｍ3）
発電容量
（百万ｋW）
（備考） ＊１：「新エネルギーの潜在性と経済性」、総合エネルギー調査会新エネルギー部会資料（平成12年1月27日）
＊２：2060年頃の運輸部門における年間水素需要量1,280億ｍ3（サイクル機構推計値）を100％とした場合の供給割合
上記の水素製造量は、水電気分解法を用いた場合の製造量（製造電力は水素１ｍ3当り約４ｋW（低位発熱量ベース）
14. 代表的な原子力水素製造方法（一覧）
（備考） 「原子力による水素エネルギー」 ,原子力システム研究懇話会（2002）を基に作成
研究W.H法
実証膜分離法
開発SER法約４５０℃
～９００℃約７０%
実用高温法
水蒸気
改質法化石資源
研究UT-3法 約５０%
研究I-S法
熱化学法約８００℃
～１０００℃
熱
実用固体酸化物法
実用固体高分子法 ２５～４５％
実用アルカリ法
電気
分解法
約１００℃
～１２０℃電 気
水
温度レベルエネルギー
形態
総合効率開発状況水素製造方法
供給エネルギー
使用原料
14. 代表的な原子力水素製造方法（一覧）
（備考） 「原子力による水素エネルギー」 ,原子力システム研究懇話会（2002）を基に作成
研究W.H法
実証膜分離法
開発SER法約４５０℃
～９００℃約７０%
実用高温法
水蒸気
改質法化石資源
研究UT-3法 約５０%
研究I-S法
熱化学法約８００℃
～１０００℃
熱
実用固体酸化物法
実用固体高分子法 ２５～４５％
実用アルカリ法
電気
分解法
約１００℃
～１２０℃電 気
水
温度レベルエネルギー
形態
総合効率開発状況水素製造方法
供給エネルギー
使用原料
JNC TN9410 2004-013
付‐2 (9)
15.15.鉛冷却多目的高速炉プラント鉛冷却多目的高速炉プラント（（ANLANL他）他）＊１）＊１）
水素貯蔵
酸素貯蔵
水貯蔵
水素
酸素
熱利用
電気
飲料水
塩
脱塩
発電
水分解
原子炉燃料施設
新燃料
使用済燃料
核分裂性物質
親物質
廃棄物
廃熱
海水
復水
＊１) ｢原子力による水素エネルギー｣，原子力システム研究懇話会，NSAコメンタリー№10，2002年6月
鉛冷却多目的高速炉
プラント構成概念
15.15.鉛冷却多目的高速炉プラント鉛冷却多目的高速炉プラント（（ANLANL他）他）＊１）＊１）
水素貯蔵
酸素貯蔵
水貯蔵
水素
酸素
熱利用
電気
飲料水
塩
脱塩
発電
水分解
原子炉燃料施設
新燃料
使用済燃料
核分裂性物質
親物質
廃棄物
廃熱
海水
復水
＊１) ｢原子力による水素エネルギー｣，原子力システム研究懇話会，NSAコメンタリー№10，2002年6月
鉛冷却多目的高速炉
プラント構成概念
JNC TN9410 2004-013
付‐３ (1)
付録-3
FBR水素製造技術開発プロジェクトタスフォースのメンバーリスト
リーダ ： 小野 清 システム部 FBRサイクル解析グループ メンバー ： 大滝 明 システム部 FBRサイクル解析グループ 近澤 佳隆 システム部 FBRシステムグループ 中桐 俊男 技開部 新材料研究グループ 佐藤 博之 技開部 新技術開発グループ 関根 隆 実験炉部 技術課 事務局 ： 大岡 誠 開発調整室
