水素エネルギーの製造法

質問

はじめまして、今、私は、卒業研究のテーマとしてバイオエネルギーの基礎研究（もっともクリーンで効率の良い水素製造法）に向けての下調べ、文献調査をしている所です。将来的に化石燃料を資源とした石油から水素へとエネルギー資源をシフトしていかせるために各社、研究室、大学等が研究、開発を進めています。
燃料電池は良い例で水素（もしくはメタノール）を必要とし電力を得ています。
水素を得る方法としては、化石資源（炭化水素、メタノール）、水の電気分解や直接分解、バイオマスによって得られることを知りましたが他にも何かありませんか？どんな内容でもかまいません。
また、クリーンな製造をテーマとしているため光触媒を利用したいと考えています。つまり光合成によって水素を放出する植物や微生物ですがどのようなものがあるのか知っている方みえませんか？それ、もしくはそれに近い内容について知っている方教えてください。
質問範囲が狭くなっていますがどんな小さなことでも構いません。宜しくお願いします。

回答No.6

bokewo · ベストアンサー

＃４です。石油を造る微生物ですが、私が知ったのは何年か前のＴＶでのニューストピックスだったと記憶しています。そのものと同じであるかは分かりませんが、京都大学の石油生成菌 「ＨＤ‐１」がその後、ＴＶで取り上げられたようです。また、水素を生成する微生物についての情報ですが、本日(３月９日）深夜０時よりＮＨＫ教育ＴＶで放送されたサイエンスＺＥＲＯは、ご覧になりましたか。燃料電池の内容だったのですが、その中で水素の供給源として、水素を排水から抽出した有機酸から造りだす大腸菌のことが取り上げられていました。何でも大腸菌のＤＮＡを操作して、水素生成能力を飛躍的に上げることに成功したそうです。大腸菌溶液１Ｌに有機酸を加えると直ちに水素を発生し、時間当たり２００Ｌの水素生成能力があるそうです。

お礼

たびたびお返事ありがとうございます。
サイエンスＺＥＲＯというのは新番組だったようでそのような内容について取り上げられているとは知らず見逃してしまいました。残念です・・・。
できれば再放送、もしくはＤＶＤにてもう一度取り上げてもらいたいと切実に思っています。（悲）
見逃してしまったのは仕方が無いとして、どのような内容について取り上げられていたのかをＨＰにて徘徊しましたが「”燃料電池”実用化最前線」というタイトルが分かっただけでどのような内容だったのかまではわかりませんでした。
今回の内容を紹介しているサイトについて教えていただければ幸いです。
　大腸菌を使用して水素生成することは前々より知っていました。ヒドロゲナーゼという微生物による水素の吸収と発生に関与する酵素でこの酵素は大腸菌も保有しており、そのヒドロゲナーゼをなんらかの作用により発現を強化させ水素の発生量を促進させようとするものです。
水素発生に関与する酵素としてニトロゲナーゼ、ヒドロゲナーゼがあるのを知りました。藻類と光合成細菌ではニトロゲナーゼが関与し緑藻ではヒドロゲナーゼが関与しているらしいです。
今回の番組では有機酸とＤＮＡの操作により水素の発生を向上させたようですが詳しく知ることができなかったのは残念です。
しかし、このような内容について取り上げられていたとこについてご報告してくださったことは感謝しております。
ありがとうございました。

回答No.7

nozomi500

＃６の補足（というか・・）
＃３で紹介された方法というのは、
＞しかし、この北大の教授の手法だとＣＯ２を出さずに水素を取り出せるという特徴があります
・・・って、
ベンゼンを二酸化炭素まで酸化しないで処理する方法みたいなんですね。
そんなことでいいんだろうか、と思うんですが。

お礼

＃６の回答に対するお礼のコメント欄にて訂正させていただきたいところがありますので
この欄にてよろしくお願いします。
一酸化炭素とベンゼンを同じ物質として考えてしまったところに間違いがありました。
訂正させていただきます。すいませんでした。
メタンを水素に変換させる方法なのですが、水蒸気改質法と触媒を用いた方法の２つがありました。
実際は２つだけではないかと思いますが。
まとめさせていただきますと、水蒸気改質法はこのような反応式になります。
　　ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ　　　＋　３Ｈ２
　　メタン＋　水　　→一酸化炭素　＋　水素　
上式が改質の主反応になりますが、副反応として、主反応で生成された一酸化炭素の一部がさらに
水と反応して二酸化炭素と水になります
　　ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２　＋　Ｈ２
この二式を合わせた改質反応全体として次のようになります。
　　ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋４Ｈ２
以上の改質法により１モルの二酸化炭素と４モルの水素が生成されます。

次に触媒を用いた改質法について説明します。
北大の手法と似ているものでベンゼンを発生させます。
メタンを触媒を用いて水素とベンゼンにします。この反応式を表すと次のようになります。
　　６ＣＨ４　→９Ｈ２＋Ｃ６Ｈ６　
　メタン＋触媒→水素　　ベンゼン
以上の改質法により９モルの水素と１モルのベンゼンが生成されます。
メタンより得られた水素とベンゼンはシクロヘキサンに変換させることもできます。
　　９Ｈ２＋Ｃ６Ｈ６　　→　　Ｃ６Ｈ１２
　　水素　＋ベンゼン＋触媒→　シクロヘキサン
シクロヘキサンは水素貯蔵ができるものとして注目されています。またシクロヘキサンから
水素とベンゼンを得ることも可能で水素の発電も可能です。
以上よりシクロヘキサンにすることで水素貯蔵合金と考え、水素貯蔵の技術として注目されて
いるのではないでしょうか。
北大の手法だとメタンガスと炭酸ガスより水素とベンゼン、エチレンを取り出しシクロヘキサンに
変換する点は二酸化炭素を用いていることにとりＣＯ２削減しようとしているので更なるクリーン
エネルギーとして認められているのではないでしょうか。

回答No.5

nozomi500

#3で紹介された、天然ガスから水素を取り出す方法。

トータルでみれば、メタンを水素とベンゼンに変化させることになりますが、（炭素原子1つについて3つの水素原子を取り出す）
ベンゼンという有機化合物を生成するのでは、化学エネルギーとして高いものを残すことになります。手を加える過程が多いわりに効率が悪いような・・・。
また、生成されたベンゼン（有毒物質）をどう処理するのか、という疑問があります。
二酸化炭素なら、炭酸カルシウムという化学エネルギーをして「低い」無機化合物にすることができますが・・。

水の電気分解、というのは、最も効率の悪い方法で、
電気エネルギーを使って電気エネルギーの材料をつくったのでは、意味がない。
発電所で水素を作って輸送するより、そのまま送電した方がエネルギーとして効率的でしょう。深夜みたいな余剰電力の始末で考えるなら、「エコアイス」みたいに、利用エネルギー（この場合は熱エネルギー）として保存するほうが効率的だと思います。

クリーンさを第一に考えるなら、現在捨てられている有機物を原料に考えるのが一番でしょうね。

お礼

そうですね。天然ガスから水素を取り出すには高温で水蒸気を加えます。
その時の反応が、１モルの一酸化炭素（ベンゼン）と３モルの水素が発生します。
ここで、このベンゼンは更に水分と反応させ１モルの二酸化炭素と１モルの水素にします。
よってトータルでは４モルの水素と１モルの二酸化炭素を発生させるためベンゼンは処理
されますよ。
確かに効率は悪いです。
化石燃料の改質は二酸化炭素を発生させるし、電気分解は効率が悪い。
クリーンな生成法はバイオマスを用いたいですね。

回答No.4

nozomi500

以前、TVでやっていましたが、しろありに紙ゴミ等を食べさせて、燃料電池の原料にする研究があるそうです。
あれも、腸内細菌の酵素反応ですね。
ただ、原料が「ゴミ」（固形物）だと、直接細菌を働かせるより、しろありに噛み砕かせて反応させたほうが効率的だとか。

参考URL：

http://homepage1.nifty.com/hankai/backnum7/mag394.htm

補足

新鮮な情報ありがとうございます。
シロアリからの水素生成ですか。知らなかったです。というかとても興味深い記事でした。
藍類であるシネココッカスを用いて水素の生成をしようと思っていたのですが入手が難しくて。
シロアリが牛乳ビン１５本分の水素を生成したのは驚きました。
文献など調べてみようと思います。
さならる詳しい情報があれば宜しくお願いします。

回答No.3

bokewo

水素のクリーンな製造方法とのことですが、ビール会社のゼロエミッションは参考になるのではないでしょうか。確か、以前にＴＶで見たと記憶しているのですが、ビールの製造で出る大量の排水を処理するとメタンガスが発生します。これを触媒に通すと、固形炭素と水素ガスが得られるというものです。炭素の固定化触媒の開発が大変だったとの内容でした。排水処理で直接水素を放出する微生物がいれば効率的ですが、そんなものがいるのでしょうか？石油を造る微生物がいるとは聞いたことはありますが、、、。

お礼

キリンやサントリー、サッポロ等多くのビール会社でゼロエミッションを目指して、二酸化炭素の削減、メタンガスの製造に力を入れているのですね。各社の出す環境報告書に記載されていました。
なんか、日本はメタンガスの製造に関する技術は豊富にあるみたいですね。メタンハイドレードという物質もメタンを出す物質で、北海道周辺に多く埋蔵されているらしいです。
微生物についてですが、緑藻類や光合成細菌類は光合成の過程で水素を出しますね。クラミドモナス、セネデスムス、クロレラがありますが排水の成分に問題がありますね。
石油を造る微生物がいるのははじめて知りました。
どのような微生物なのでしょうか？

回答No.2

noname#11476

バイオマスであれば、実際に北海道十勝方面で試験を行っていますね。
まずは北海道庁のＨＰなどから
http://www.pref.hokkaido.jp/menu.html

水素利用となると、国の研究関係も調べる必要があるでしょう。
http://www.nedo.go.jp/
http://www.enaa.or.jp/WE-NET/index.html
http://www.meti.go.jp/
http://www.soumu.go.jp/
最近の研究状況なども伺い知ることが出来ますよ。
水素の貯蔵タンクの研究などもＮＥＤＯが行っています。

また、ご質問の中には書かれていませんが「天然ガス」「メタンハイドレード」も重要なキーワードです。

あと、水素貯蔵や生成については、
http://epc.eng.hokudai.ac.jp/centerhou/ichikawa.htm
が非常に注目されています。
基本的に、バイオマス、天然ガス、メタンハイドレードなどメタン、メタノールなどから水素を取り出して発電する場合は、ＣＯ２を出しますので必ずしも完全にクリーンではありません。
（排ガスは確かに水ですが、メタン→水素でＣＯ２が出る）
しかし、この北大の教授の手法だとＣＯ２を出さずに水素を取り出せるという特徴があります。

ちなみにメタンはＣＯ２よりも桁違いに温室効果の高いガスですから、メタン→ＣＯ２でも意味はあるので、廃棄物生成メタン発電というのも温暖化対策として一応あります。

バクテリアによる光合成の水素発生も実際に研究されていますね。ただ人工生物ですから環境への影響が心配ですが。

あと、欧州、アメリカでは風力発電が非常に盛んです。これも水素生成の貴重なエネルギー源になると見られています。
日本ではあまり良い風が吹かない、建設できる場所が少ないという問題があるのですけど、離島では経済的にも、燃料電池との組み合わせが有効であるとのレポートが国により出されています。

お礼

お返事ありがとうございます。
微生物、水素製造という言葉をキーワードに検索すると結構ＨＩＴしました。
バイオエネルギーを用いて水素を製造する技術は結構進んでいるのですね。

回答No.1

K-1

製造だけでなく、貯蔵に関しても調べてみるのはいかがでしょうか。
水素吸収金属、液化など何種類かあります。
動力源を水素に切り替えるには安全で低コストな貯蔵、輸送が出来なければなりません。
これらエネルギーインフラが機能してこそ水素が「使える」燃料になるのではないでしょうか。

お礼

お返事ありがとうごさいました。
確かに水素貯蔵法についても考えていかなくてはならない課題なのですが、水素の貯蔵、製造、インフラと幅広く考えると卒研のテーマが少しぼやけてしまいます。エネルギーインフラが機能してこそ水素が燃料として使用できるのは事実なのですが、効率よく、ＣＯ２をまったく排出させない水素製造法についても考えなくては水素をエネルギーとした社会の構築はできません。つまり製造、貯蔵ともに技術を高めていかなくてはいけないですよね。
そこで私は製造という部門に絞り水素製造について考えていこうと思っています。
メタノールやガソリンからでなく自然からの製造です。
とはいっても、やはり貯蔵に対する知識も得なくてはならないと思いまして、
貯蔵には、高圧水素タンク、液体水素、水素吸蔵合金があることを知りました。
その中でも、水素吸蔵合金法は一番貯蔵できるエネルギー量が多く、商用としても使用されていることが分かりました。
また、水素分子を多く吸着させる素材についても開発していることが分かり期待されている貯蔵法だということが分かりました。その中でも特にカーボンナノチューブを用いた貯蔵法に関心を持ちました。これは、微小な炭素の繊維状の結晶が、水素を高密度で吸蔵する物で、この開発が進めばさらに高密度、小型化された貯蔵法が可能になると思います。