金属触媒と特定の温度および圧力条件下で、水素と窒素が直接結合してアンモニアが生成されます。合成アンモニアは現在、精製所に次いで 2 番目に大きな水素の用途です。 最も一般的に使用される触媒は鉄をベースにし、K2O、CaO、SiO2、Al2O3 で修飾されたものです。混合ガスは通常、4 つの触媒床を通過し、各冷却床の間で冷却されて、適切な反応平衡を一定に維持します。ガスが触媒床を通過するたびにアンモニアに変換されるのはわずか約 15% です。液体アンモニアは除去され、未反応ガスはコンプレッサーを通して再循環されます。最新の工場では、合計変換率が 97% 以上に達することがあります。 1,000 トン/日の合成アンモニア プラントでは、生成されるアンモニア 1 トンあたり 336 m3 の水素が必要になります。合成アンモニアの大規模生産の主なコストは、水素のコストによって決まります。

メタノールは、銅と酸化亜鉛でコーティングされたアルミナ粒子触媒を備えた固定床反応器内で合成ガス（一酸化炭素と水素）から製造できます。メタノールは、水素と二酸化炭素を直接結合させることによっても生成できます。このプロセスでは、水素と二酸化炭素が触媒を含む反応容器の密閉チャンバーにポンプで注入され、180～250℃に加熱されます。二酸化炭素のメタノールへの最大変換率は約 24% です。未変換の二酸化炭素と水素は回収され、容器に戻されます。 1 日あたり 2,500 トンの生産能力を持つメタノール プラントでは、製造されるメタノール 1 トンあたり約 560 m3 の水素が必要です。

1. 石油精製プロセスでは、水素は主にナフサ水素化脱硫、軽油水素化脱硫、重油水素化脱硫、航空機燃料の無炎高さの向上および水素化分解に使用されます。

2. 水素化分解は、水素の存在下で実行される接触分解プロセスです。反応の主な特徴は、C-C 結合の切断、低い空間速度、および大量の水素の使用です。石油化学産業では、水素は主に C3 留分の水素化、ガソリンの水素化、C6 ～ C8 留分の水素化脱アルキル化、およびシクロヘキサンの製造に使用されます。

1. ナフサ中の硫化物、窒素化合物、鉛、ヒ素などの不純物を除去します。

2. ディーゼル留分と重質留分の水素化脱硫の操作圧力は 3 ～ 4MPa、温度は 340 ～ 380℃です。重油の水素化脱硫は、主に環境保護の要件によるものです。大気汚染の 95% は、重油の燃焼時に放出される SO2 によって引き起こされるため、水素化脱硫では大量の水素が消費されるため、プロセスでは直接または間接的な脱硫を使用できます。

3. 選択的水素化は主に高温分解生成物に使用されます。気相水素化はエチレン留分に使用され、液相水素化はジオレフィン、オレフィンおよび芳香族炭化水素が豊富なガソリン留分に使用されます。これらの化合物はプロセス中に空気と接触してコロイドが生成されるため、不安定な化合物を安定な製品に変換するには水素化を実行する必要があります。

有害な化合物を除去するための水素化プロセスでは、硫化水素、メルカプタン、全硫黄に加えて、アルキン、アルケン、金属、半金属もすべて除去できます。したがって、現代の石油化学処理では、水素化技術を使用することで石油化学製品の品質を向上させ、最も価値のある石油化学製品の生産量を増やし、重油残留物やタールの生成を減らし、炭素堆積量を減らし、石油化学製品の効率を向上させることができます。その適応性により、石油処理廃棄物から一連の製品を精製し、有害な不純物を除去して、多くの貴重な石油化学製品を得ることができます。水素は、現代の石油化学工業製品の最も一般的な精製剤および架橋剤であり、大規模な分解装置の生産能力を向上させることができます。

石油化学産業の分野では、水素と一酸化炭素を反応させて、エチレングリコールの合成、ポリメチレン（ポリメチレン）の合成、アルコールの同族体化反応、不飽和化合物との反応など、さまざまな有機化合物を合成するために使用できます。炭化水素からアルデヒドなどを生成します。フィッシャー・トロプシュ法を使用すると、エンジン燃料や、固体パラフィン、含酸素化合物などの一連の貴重な単一有機化合物を含む、さまざまな炭化水素を合成できます。

1. アルデヒドからアルコールの製造、アルキンからアルケンの製造、トルエンの脱アルキルによるベンゼンの製造、ニトロベンゼンの水素添加によるアニリンの製造、ナフタレンから水素添加ナフタレンの製造など。

2. 軽化学工業で使用されるジフェニルメチレンジイソシアネート (MDI)、トルエン ジイソシアネート (TDI)、アジピン酸、脂肪アルコールなどはすべて接触水素化プロセスを必要とします。

「電子材料の結晶成長や基板の準備、酸化プロセス、エピタキシャルプロセス、化学蒸着（CVD）技術では、反応ガス、還元ガス、保護ガスとして水素を使用する必要があります。

酸化プロセス：水素と酸素の合成と酸化に使用する場合、高純度水素と高純度酸素を常圧下で石英管に流し、一定の温度で燃焼させて高純度の水蒸気を生成します。シリコンと反応して高品質のSiO2膜を生成します。

エピタキシャルプロセスでは、四塩化シリコンまたはトリクロロシランが加熱されたシリコン基板表面の水素と反応してシリコンを還元し、シリコン基板上に堆積してエピタキシャル層を形成します。

化学蒸着 (CVD) 技術: 1 つまたは複数の気相化合物または薄膜元素を含む元素を使用して、基板の表面で化学反応を実行して薄膜を形成する方法。化学蒸着は、無機材料を調製するためにここ数十年に開発された新しい技術です。化学蒸着は、物質の精製、新しい結晶の開発、およびさまざまな単結晶、多結晶、またはガラス状の無機薄膜材料の堆積に広く使用されています。これらの材料は、酸化物、硫化物、窒化物、炭化物、または III-V、II-IV、IV-VI 族の二元素または多元素間化合物であり、その物理的機能は気相ドープ堆積プロセスを通過できます。正確に制御されています。 」

エレクトロニクス産業におけるポリシリコンの製造には水素の使用が必要です。シリコンが塩化水素を使用してトリクロロシラン SiHCl3 を生成する場合、精製されたトリクロロシランは、H2 雰囲気中で高純度の SiHCl3 を還元および堆積するための分別プロセスを使用して分離されます。その化学反応 SiHCl3 H2→Si HCl は、半導体に必要な純度に達します。

タングステンやモリブデンなどの電気真空材料やデバイスの製造工程では、酸化物粉末を水素で還元し、線材や条材に加工します。使用する水素の純度が高いほど、水分含有量が低くなり、還元温度も低くなります。が低いほど、得られるタングステンおよびモリブデン粉末はより微細になります。

水素サイリスタ、イオン管、レーザー管などのさまざまなガス充填電子管の充填ガス純度要件はさらに高く、受像管の製造に使用される水素の純度は 99.99% 以上です。

半導体集積回路の製造には非常に高いガス純度が要求されます。たとえば、酸素不純物の許容濃度は です。微量の不純物の「取り込み」により、半導体の表面特性が変化し、製品の歩留まりが低下したり、スクラップが発生したりすることがあります。

アモルファスシリコン太陽電池の製造にも高純度水素が必要です。アモルファスシリコン薄膜半導体は、過去 10 年間に国際的に開発に成功した新材料であり、太陽エネルギー変換や情報技術において魅力的な応用の可能性を示しています。

光ファイバーの応用と開発は、新しい技術革命の重要な象徴の 1 つです。石英ガラスファイバーは、製造プロセス中に水素と酸素の火炎加熱と数十回の蒸着を使用する必要があります。水素の純度と清浄度を決定するには、すべて非常に高い要求があります。

ガラス産業で広く使用されているガスは、水素、アセチレン、酸素、窒素です。フロートガラス成形装置内には溶けた錫液があり、酸化しやすく酸化錫が生成し、ガラスが錫で汚れて錫の消費量が増加するため、錫槽を密閉し、純水素を供給する必要があります。窒素混合ガスを常時供給し、タンク内を陽圧・還元雰囲気に保ち、錫液の酸化を防ぎます。フロートガラス工場での水素消費量は生産規模によって異なりますが、一般的には 80 ～ 150 m3/h です。

「鉄鋼産業による炭素排出は、我が国の総炭素排出量の約 18% を占めています。

水素製鋼は、炭素の代わりに水素を還元剤として用い、炭素削減による炭素排出量を削減することを目的としており、鉄鋼製造プロセスにおける製鉄プロセス、すなわち長工程の高炉製鉄や直接還元製鉄を対象としている。プロセスが短いため、還元反応からの炭素排出を排除するだけでなく、石炭コークス化プロセスからも炭素排出を排除できます。炭素還元鉄反応の化学式によれば、鉄１モルを還元するのに必要な還元剤炭素は、鉄のモル質量比により、１．５～３モルである（直接還元と間接還元の参加割合により異なる）。 、炭素と二酸化炭素の比率が56:12:44で生成されます。鉄1トンの炭素還元反応で発生する二酸化炭素排出量は0.59トンで、これに長いプロセスでのコークス化炭素排出量0.1トンを加えたものとなります。この長いプロセスにより、理論的には炭素排出量が約 0.69 ～ 1.28 トン、つまり 34 ～ 62% 削減されます。

高炉水素リッチ製錬と水素リッチガスベースのシャフト炉は、我が国における水素冶金発展の2つの主な方向性です。従来の「炭素冶金」と比較して、水素冶金は二酸化炭素排出量を最大85%削減できます。 。鉄鋼産業の水素化は炭素排出削減に大きく貢献します。

高炉の水素富化とは、炭素削減の一部を置き換えて炭素排出量を削減するために、純水素、天然ガス、コークス炉ガス、その他の水素富化ガスなど、水素含有量の高い物質を高炉に注入することを意味します。ガスベースシャフト炉の水素富化とは、ガスベースの還元ガス中の水素の割合を増やすことを意味します。 」

「水素は主に、金属酸化物を金属に還元するための還元ガスとして使用されます。

水素は、鉱石（鉄重石、灰重石、鉄重石）からタングステンを抽出するために商業的に使用されています。シェルタイトおよびシェルタイト（酸化銅、CuO）からの銅の製造にも使用できます。 」

一部の金属機器を高温で鍛造する場合、金属の酸化を防ぐための保護ガスとして水素がよく使用されます。

「水素は、不飽和脂肪を飽和油脂に変換するために使用されます。たとえば、食品産業では、マーガリンやバターなどの水素添加植物油を製造するために水素が使用されます。

多くの天然食用油は高い不飽和度を持ち、水素添加後、得られる製品は保存に対して安定しており、細菌の増殖を防ぎ、油の粘度を高めます。

硬化食用油の製品は、マーガリンや食用タンパク質に加工できます。 」

非食用油の水素化では、石鹸や家畜の飼料を製造するための原料を製造できます。このプロセスでは、グリセロール中の水素と不飽和酸（オレイン酸、リノール酸など）を使用して、液体脂肪または植物の組成に水素を導入します。油。

将来の航空燃料の多くの要件を満たすことができます。最も重要なことは、水素の燃焼が基本的に環境に汚染を引き起こさないことです。単位質量ベースで、水素の燃焼熱量 (119900 ～ 141900kJ/kg) は、炭化水素燃料の燃焼熱量の 1.8 倍です。液体水素と液体酸素から構成される推進剤は、高い比推力を持っています。

水素は酸素と反応する際に多量の熱を放出し、その燃焼温度は3100Kに達することがあります。水素がアーク炎を通過すると分解して原子状水素が溶接面に飛来し、金属がさらに加熱されます。金属の溶接面の温度は3800～4300Kにも達します。この原子状水素は、最も高融点の金属、高炭素鋼、耐食性材料、非鉄金属などの溶解と溶接に使用できます。原子状水素を溶接に使用する利点は、水素原子線により溶接部の酸化を防ぐことができるため、溶接箇所に酸化スケールが発生しないことです。

「水素は熱伝導率が高いため、大型発電機セットのローター冷却材としてよく使用されます。

水素はヘリウムを除けば沸点が極めて低い気体であるため、液体水素は真空中で蒸発させると14～15Kの低温が得られるため、超低温が必要な科学研究では冷媒としてよく使われます。 」

原子水素溶接 (AHW) は、水素保護雰囲気中での 2 つの金属タングステン電極間のアーク溶接プロセスであり、高融点金属とタングステンの溶接に使用できます。

水素は、揮発性物質を分離するためのガスクロマトグラフィーのキャリア相として使用できるガスの 1 つです。

水素は密度が低いため、高高度気象観測気球や飛行船の充填に使用できます。

「輸送分野は、水素エネルギーの最も重要な応用シナリオです。現段階では、水素燃料電池自動車は、輸送分野における水素エネルギーの推進と応用の入り口であり、キーポイントです。短期的には、乗用車や中型車が、小型物流車両がエントリーポイントとなり、中長期的には燃料大型トラックがメインとなる。

燃料電池車は、重量物や長距離の輸送に適しており、走行距離が長く、積載量が大きい市場での競争力が高くなります。

今後の開発方向は大型トラック、長距離輸送用乗用車などです。燃料電池車は航続距離が650キロメートルを超え、輸送市場においてコスト面での優位性が高い。乗用車や市バスは航続距離が短いことが多いため、純粋な電気自動車には利点があります。燃料電池車は、長いエネルギー補充時間と低温環境への適応性の低さの問題を克服し、動作効率を向上させ、純粋な電気自動車のアプリケーションシナリオを補完します。 」

「内陸水路と沿岸海運は水素燃料電池技術によって電化でき、外洋海運はバイオ燃料やアンモニアのゼロカーボン水素合成などの新しい燃料によって脱炭素化できます。

我が国の一部の企業や機関は、国内の水素エネルギーと燃料電池技術の進歩に基づいて、水素燃料船の開発を開始しています。現段階では、水素燃料船は通常、湖、内陸河川、沖合などで、小型船の主動力として、または大型船の補助動力として使用されます。海洋エンジニアリング船、海洋RORO船、スーパーヨットなどの大型の水素燃料船が今後の開発トレンドとなっています。 」

「水素エネルギーは、航空の低炭素化の可能性をもたらします。水素エネルギーは、航空業界の原油への依存を減らし、温室効果ガスと有害ガスの排出を削減できます。化石エネルギーと比較して、燃料電池は炭素排出量を75%～90%削減できます。直接ガスタービンエンジンでの水素の燃焼は炭素排出量を 50% ～ 75% 削減でき、合成燃料は炭素排出量を 30% ～ 60% 削減できます。

水素を燃料とする航空機は、短距離および中距離の航空における二酸化炭素削減ソリューションとなる可能性があります。 」

「鉄道輸送分野における水素エネルギーの応用は、主に燃料電池と組み合わせて、従来の内燃機関に代わる電力システムを形成することです。水素動力列車の利点は、既存の鉄道を改造する必要がないことです。」線路を通る列車はポンプを介して水素が充填され、騒音は低く、二酸化炭素排出量はゼロです。

「水素ステーションは、水素エネルギーの利用・開発の中枢であり、燃料電池自動車への給油に特化した場所です。また、水素エネルギー輸送の商用利用の中枢として、水素開発の重要なインフラです」エネルギー産業。

さまざまな供給源からの水素を水素圧縮機で加圧し、高圧貯蔵タンクに貯蔵し、水素充填機で水素燃料電池車用の水素を充填します。水素エネルギー戦略における非常に重要なリンクとして、水素給油ステーションは、蓄えた水素燃料を周囲の地域に放射し、車両がタイムリーにエネルギーを補給できるようにし、燃料電池の開発を促進する良いサイクルを形成します。

「水素エネルギー産業発展中長期計画（2021～2035年）」では、安全性の確保を前提に、水素の製造・貯蔵・充填を一体化した水素ステーションなどの新たなモデルの検討も積極的に進められています。利用 オンサイト水素製造の低製造コストの利点により、水素エネルギーの分散製造と身近な利用が促進されます。 」

太陽光発電や風力、太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーを利用して水を電気分解して水素を製造するため、水素の製造過程で温室効果ガスが基本的に発生しないため、「ゼロカーボン水素」と呼ばれています。

「揚水発電は電力貯蔵量の86％以上を占めています。水素エネルギー貯蔵には、長い放電時間、大規模な水素貯蔵の高い費用対効果、柔軟な貯蔵および輸送方法などの利点があり、生態環境を損なうことはありません」電力供給側では、水素エネルギー貯蔵により電力の放棄が減り、電力網の変動が滑らかになり、送電網のピーク容量が増加し、送電線の混雑が緩和されます。

水素エネルギー貯蔵は現在、アルカリ電解槽技術と高圧ガス状水素貯蔵技術およびプロトン交換膜燃料電池を組み合わせて行われていることがほとんどである。再生可能エネルギーの貯蔵と電気から電気への変換、エネルギー変換効率を向上させる必要があります。 2025年までに、アルカリスタック、電極、セパレータ材料の改善、固体高分子電解槽の設計と製造プロセスの最適化、水素貯蔵圧力の向上と水素液化装置と貯蔵タンクの開発による水素貯蔵効率の向上により、再生可能エネルギー貯蔵の効率を向上させる。 、40〜45%の電気から電気への変換効率と15〜20mol/Lの水素貯蔵密度を達成できます。 」

金属水素化物の水素を吸収して放熱し、脱水素して吸熱する性質を利用することで、ヒートポンプサイクルや吸熱型圧縮機を構築することができます。

水の電気分解の逆反応を利用し、水素と酸素（または空気）を電気化学反応させて水を生成し、電気エネルギーを取り出す「燃料電池技術」。燃料電池は、固定または移動式発電所、バックアップピーク発電所、バックアップ電源、熱電併給システム、およびその他の発電装置で使用できます。

「純粋な水素、または水素と天然ガスの混合物はガスタービンに動力を供給することができ、それによって発電産業を脱炭素化することができます。水素から発電するには2つの方法があります。1つは、吸引、圧縮、燃焼を行うガスタービンで水素エネルギーを使用することです」水素エネルギー生成装置は送電網の送電線に組み込むことができ、電力消費量が少ない時間帯に水素生成装置と連携して水を電気分解して水素を生成します。電力を生成することで、電力エネルギーの利用を合理化し、資源の無駄を削減します。夜間はバレーパワーを使用した水素製造が使用され、日中は、水素製造プラント、公共補助装置を含む太陽光発電を含む再生可能エネルギーが水素製造に使用されます。 、輸送工学、環境保護工学、充填機能。

建物における水素の初期の使用は、主にハイブリッド形式で行われます。既存の設備やパイプラインを変更することなく、水素を天然ガスに体積比で最大20％混合することができます。

純粋な水素を使用する場合と比較して、水素を天然ガスパイプラインに混合すると、コストを削減し、季節のエネルギー需要のバランスをとることができます。水素のコスト低下に伴い、北米、欧州、中国など、天然ガスインフラが整備され、低コストの水素が利用できる地域では、建物の冷暖房に水素を徐々に利用することが見込まれている。

水素の価格が 10 ～ 21 元/kg と低い場合、分散暖房においては天然ガスと競合できます。

2030 年までに、建物の熱と発電を組み合わせた水素エネルギーの需要は年間 30,000 ～ 90,000 トンに達すると予想されています。Det Norske Veritas DNV は、2030 年代後半には建物内での純粋な水素の使用がこの量を超えると予測しています。混合水素のそれ; 2050年までに、水素は建物の冷暖房のための総エネルギー需要の約3〜4％を占めるでしょう。