愛媛大学ジュニアドクター育成塾

今回の内容について整理しましょう

次世代エネルギーである水素や温室効果ガスである二酸化炭素について理解を深める。

・水素と二酸化炭素の特性を知る。

・燃料電池を知る。

・次世代エネルギーとしての水素の利用法を体験する。

・水を電気分解して電気を作る実験

・水素と二酸化炭素の性質を確認する実験

・水素社会を体験する

の3つを通じて，水素エネルギーについて理解を深める。

前のブロマガで説明した，水を電気分解して水素を作り，水素から電気を作る方法を実験で確かめました。

科学は基準の学問です。そのため，実験で，もっとも大事なのは『くらべる』ことです。実験の結果が，ほんとうに実験によるものなのか，そうではないのかを知るためには『くらべなければなりません』。そこで，まず『くらべる』ための実験をしました。

①プラカップに，鉛筆の芯をさし，水と少量の食塩を入れました(どうして食塩が必要なのでしょうか？疑問はどこにでもありますね)。

②鉛筆の芯にワニ口クリップケーブルで，LEDを接続しました。

この結果は重要です。もし，電気分解していない状態でLEDが光ったとしたら，電気分解で発生した水素から電気ができるとはいえなくなるからです。

いよいよ実験開始です。(1)②のLEDを外して角型電池につなぎかえます。これで，水の電気分解がはじまります。


図1　電気分解で水から水素と酸素が発生

すぐ鉛筆の芯から気体が発生し始めました。赤いクリップの方が，黒いクリップよりも多く気体が発生していました。電極，気体の発生量から，どちらが水素か確認できそうですね。

角型電池を外してLEDにつなぎかえます。


図2　電気分解した水でLEDが点灯

結果：LEDが点灯しました。

この結果は(1)とちがいますね。つまり，電気分解によってつくり出したエネルギーを使って発電しているのです。

何が起こっているのでしょうか？

電気分解で，水から水素と酸素をつくり出しました。

水　→　水素　＋　酸素

そして，つくり出した水素と酸素から水ができる過程で，化学反応のエネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができたのです。

水素を使って発電しているのです。これが燃料電池のもっともかんたんな仕組みです。
実際の燃料電池では，もっとうまく電気を取り出す方法が日々研究されています。

次世代エネルギーの水素，地球温暖化を起こす二酸化炭素は，どんな性質を持っているのでしょうか。シャボン玉とアントシアニンを使った実験で体験しました。

シャボン玉で遊んだとき，ふわふわと浮いたあと，地面に落ちて割れるのを見たことがあるでしょう。このシャボン玉には，あなたの『呼気(はいた息)』が入っています。
では，シャボン玉のなかに『水素』や『二酸化炭素』が入っていたら，どうなるのでしょうか？

水素は，気体の中でもっとも軽い性質を持っています。


図3　水素は真上に上がっていきます

結果：水素を入れたシャボン玉は，天井に向かって真っ直ぐに飛んでいきます。水素の『軽い気体』としての性質は，シャボン玉で確かめることができます。

二酸化炭素は，大気中にある気体のなかでは重い方です。


図4　二酸化炭素は真下に落ちていきます

結果：二酸化炭素を入れたシャボン玉は，地面に向かって真っ直ぐに落ちます。二酸化炭素の『重い気体』としての性質もシャボン玉で確かめることができます。

水素は，化学反応しやすい気体です。酸素ともよく反応するので，かんたんに言えば『燃えます』。この性質をうまく利用しているのが，ロケットです。ロケットは水素と酸素との爆発的な化学反応−私たちは，これを『燃える』と呼んでいます−によって，ロケットを宇宙まで運ぶエネルギーを得るのです。


図5　水素シャボン玉は燃えます

結果：水素を入れたシャボン玉に火をつけると，シャボン玉は燃え上がります。

・燃えない！
二酸化炭素は炭素が酸素と化学反応したあとの気体です。つまり，これ以上は酸素と反応できませんので，かんたんに言えば『燃えません』。この性質をうまく利用しているのが消火器です。二酸化炭素で，まわりの酸素をふきとばして火を消すのです。さらに気体ですからあとに残りません。
結果：二酸化炭素を入れたシャボン玉に火をつけると，シャボン玉が熱で割れるだけで終わります。

二酸化炭素は水に溶けます。これを一番かんたんに確認する方法は炭酸飲料です。開けるとプシュッと音がして，気体がシュワシュワと出てきます。この気体が二酸化炭素です。そこで，この二酸化炭素が水に溶ける現象を実験で確認してみましょう。

①ムラサキキャベツから青紫色の色素(アントシアニン)を煮出す。
②ペットボトルなどのフタができる容器に入れる。


図6　最初のアントシアニン溶液(青紫色)

③二酸化炭素をふきこむ(ドライアイスや重曹も使えるでしょう)。
④一生懸命ふる


図7　青紫色の溶液を振ると……


図8　赤紫色になって，ペットボトルが凹みました

結果1：青紫色の液体は，一生懸命ふると赤紫色になりました。
これは，二酸化炭素が水に溶けて，水が酸性になったからです。

酸性？

そうです。炭酸飲料を飲んだときにチリチリと感じる刺激は，酸性だからなのですね。

結果2：容器は凹んでしまいました。
これも二酸化炭素が水に溶けたことが原因です。
気体が水に溶けたので，溶けた分だけ体積が小さくなりました。しかし，フタが閉まっているので，体積が小さくなった分だけ，容器が凹んだのです。つまり，もしドライアイスや重曹でおなじ実験を行ったとすると，ちがう結果になる可能性があります(どうなるのでしょうか？ナゾは身近にありますね)。

水素について実験を通して考えたので，今度は水素エネルギーの利用について実感しましょう。

(1)模型を使った水素社会
岩谷産業株式会社様が自作された
・燃料電池模型自動車
・水素ステーション模型
をつかって，水素社会をシミュレーションしました。


図9　燃料電池模型自動車


図10　水素ステーション模型(後ろに水素ボンベがあります)

水素ステーションから燃料電池模型自動車に水素を充填しました。
※模型自動車では水素は後ろの風船に充填されています。
スイッチを入れると，模型自動車は(これも手作りの)コースを走り始めました。あと20年くらい経つと，この風景はふつうに見られるようになるかもしれません。

ここで不思議な事が。

模型自動車の走る速度が速いのです。ふつうのミニ四駆に近い速度で走っています。
燃料電池の模型自動車はたくさん市販されていますが，どれもゆっくりと走ります。
荘所先生によると
「市販品は遅くてつまらないので，100均で買ってきた車体に良い燃料電池を無理矢理のせて速く走るようにした」
そうです。だから自作の燃料電池模型自動車だったのですね。
研究では，こうした遊び心も大事です。

(2)ロケット
こちらも岩谷産業株式会社様が自作されたロケットモデルを使わせていただきました。
ロケットの発射台に，水素と酸素を充填して，着火ボタンを押すと……


図11　水素ロケット

ポンッという音とともに，ロケットは発射されます。これが大きなスケールになると，衛星や宇宙飛行士を運んでいくのです。

(3)燃料電池自転車
四国岩谷産業株式会社様が自作された燃料電池を実感するモデルです。
「市販の予定はないので，ありものをくっつけて作った」
とおっしゃっておられましたが，燃料電池のすごさを誰にでも実感できる教材だと思います。
いまのところ公道を走ることができませんが，海外では市販に向けた燃料電池自転車が開発されています。


図12　燃料電池自転車

電気が発生しない状態では，とても重い自転車ですが，燃料電池が動いていると軽快に走ることができます。受講生や大学生は電動自転車になれていないのか，だいぶ苦戦していましたが，軽快な乗り心地でした。

(4)燃料電池自動車MIRAIとCLARITY

インタビューしよう！
体験のあとに，荘所研究員にインタビューしました。すでに課題2で公開しているものをふくめ，さまざまな質問を通して，受講生は水素社会に必要な科学技術について理解を深めました。


図15　荘所研究員にインタビュー

水素社会の到来と，そこで必要とされる科学技術についてイメージできたでしょうか？
最終目標と具体的な目的は，どこまで達成されたでしょうか？

2020年の東京オリンピックに向けて，水素社会の到来は加速しています。愛媛県には，まだ水素ステーションの建設計画はありませんが，これを機会に整備に進んでくれることを願っています。

あなたは，未来の社会でどんなことをしてみたいですか。それは夢物語ではなく，20年後に現実になるものです。明確な目標を持つことが大事です。

岩谷産業は，LPガスやカセットコンロなどを中心としたエネルギー事業を行っている，わたしたちの生活にとても身近な会社です。「主婦をかまどから開放する」という理念で，エネルギー事業を推進してきた，主婦の強い味方です。これからの季節，お鍋をする機会は多いと思います。カセットコンロに『iwatani』と書いてあるかどうかを確認してみましょう。

岩谷産業は，こうした身近な分野だけでなく，水素などの産業ガスもあつかっています。今回の実施では，四国岩谷産業株式会社様にご紹介をいただいて，岩谷産業中央研究所から荘所正研究員に来学していただけることになりました。

産業革命以降，私たちの生活はどんどん便利に，豊かになってきました。こうした現代社会の便利な生活は，多くのエネルギーによって支えられています。そして，現在，そのエネルギー源として化石燃料が利用されています。輸送用エネルギーでは石油，電気エネルギーでは石炭などが多く使われています。これらの化石燃料を燃焼させることによって，私たちは多くのエネルギーを手に入れて，安全で快適で便利な暮らしを送ることができるようになりました。

化石燃料は，植物や微生物からできていますので，炭素と水素をふくむ化合物です。化石燃料を燃やすと，以下のような反応が起こっています。

化石燃料　＋　酸素　→　二酸化炭素　＋　水蒸気

つまり，燃焼によって二酸化炭素が発生します。


図5　灯油を燃やしても二酸化炭素が出ます

私たちの暮らしが便利になるにしたがって，二酸化炭素の量は増えていき，二酸化炭素の大気濃度は産業革命以降1.4倍になってしまいました。二酸化炭素が増えていった，この100年間で世界の平均気温は約0.7℃上がっています。このままでは二酸化炭素によって大きな気候の変化が起こり，多くの人の暮らしに影響が出てしまうかもしれません。そのため，世界で話し合いがすすめられ，1997年の京都議定書，2015年のパリ協定で，二酸化炭素を出す量をへらし，これ以上，気温が上がるのをおさえようという決定がされました。

地球温暖化を防ぐために，一番かんたんな方法は，便利な暮らしをあきらめることです。

図6　地球のために便利な暮らしを捨てる？

私たちの生活を江戸時代くらいまでもどせば，いまよりもずっと少ないエネルギーで暮らしていくことができます。そのためには，みなさんが生まれてきてから当たり前に思っている生活(そう，インターネットも！)を，あきらめなければなりません。それは大変なことです。そこで，私たちの暮らしを守りつつ，できるだけ地球環境を変えないようなエネルギーが求められています。

地球環境を守る次世代エネルギーとして注目されているのが『水素』なのです。

水素から電気エネルギーを取り出すときの化学反応は以下の通りです。

水素　＋　酸素　→　水

酸素は，大気中に無限に存在します。水素から電気エネルギーを取り出したあとには，水しかできません。そのため，水素から電気エネルギーを生み出すときには，地球環境に大きな負担をかけません。そして，この水を電気分解で，水素にもどせば，新しい物質を使わずに(もちろんエネルギーは使います)，水素を生み出すことができます。

水素はとても軽い気体で，反応しやすい物質でもありますから，大気中にはほとんどありません。つまり，使うための水素を作り出さなければなりません。しかし，心配はいりません。水素を作る方法はいくつもあります。

①水の電気分解

②産業の副成物

③化石燃料

①水の電気分解は，中学校2年生で習います。電気エネルギーで水を水素と酸素に分解する反応です。

②鉄鋼業や化学産業では，製品を作る過程で水素が副成物として得られます。むかしから企業は得られた水素を使って，製品を作ったりしています。

③水素はメタンから作ることもできます。これは水蒸気改質と呼ばれる方法で，たとえばエコキュートは，この水蒸気改質を使ってメタンから水素を作り，燃料電池を使って発電しています。


図8　いろいろな水素の供給方法　出典：福島新エネルギー社会構想(資源エネルギー庁)

生活を支えるエネルギーを考えるとき，一番大事なことは『エネルギーを貯めておける』ことです。エネルギーを貯めることで，必要なときに必要なだけエネルギーを使うことができるようになります。

ここで課題になるのは，電気エネルギーを貯めるのはむずかしいということです。電池は，使っていなくても少しずつエネルギーを放出しています。バッテリーの研究は進んでいますが，放電をゼロにすることはきわめてむずかしいのです。

水素は，エネルギーを加えないかぎり分子の状態で安定していますので，電気エネルギーとちがって，貯めることができるようになります。そこで，たとえば再生可能エネルギーから水素をつくりだすなど，電気エネルギーを水素の形にして貯めるという使い方が計画されています。

どうでしょうか？
水素の利点見えてきましたか？