Ⅰ. 事業の目的と位置づけ 3/31 LP ガスの特長 液化石油ガス ( 主成分はプロパン ) 総世帯数の約 57% 約 2,700 万世帯で利用 ボンベで供給 広範なエリアに供給 配管などのインフラが不要 ( 非常用電源 可搬電源に対応可 ) Ⅰ. 事業の目的と位置づけ 4/31 固体高分子形燃料

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1 固体高分子形燃料電池 / 水素エネルギー利用プログラム 1 1/ LP ガス固体高分子形燃料電池システム開発事業 1/31 第 1 回中間評価分科会 平成 15 年 5 月 26 日 ( 月 ) 新エネルギー 産業技術総合開発機構 水素エネルギー技術開発室財団法人エルピーガス振興センター Ⅰ. 事業の目的と位置づけ LP ガスエリアと天然ガスエリア 一般燃料としての需要 ( 電力用 化学原料用を除く ) LP ガス 16.0 百万 t 天然ガス 15.2 百万 t エネルキ ー生産 需要統計年報平成 11 年 利用世帯数 総数約 4700 万世帯 2/31 天然ガス 43% LP ガス 57% (2001 年度推計値 ) LP ガスエリア LPG 輸入基地 36 ヶ所 LPG 二次基地 79 ヶ所天然ガスエリア LNG 輸入基地 23 ヶ所

2 Ⅰ. 事業の目的と位置づけ 3/31 LP ガスの特長 液化石油ガス ( 主成分はプロパン ) 総世帯数の約 57% 約 2,700 万世帯で利用 ボンベで供給 広範なエリアに供給 配管などのインフラが不要 ( 非常用電源 可搬電源に対応可 ) Ⅰ. 事業の目的と位置づけ 4/31 固体高分子形燃料電池 / 水素エネルギー利用プログラム 1. 目的我が国のエネルギー供給の安定化 効率化 地球温暖化問題 ( CO 2 ) 地域環境問題 (NOx PM 等 ) の解決 新規産業 雇用の創出 水素エネルギー社会の実現等に資するため 固体高分子形燃料電池について 早期の実用化 普及を目指す 2. 目標効率性 環境特性に優れる燃料電池は CO 2 による地球温暖化問題 都市部における自動車の NOx PM 問題等の解決に資する技術であり 燃料電池自動車については 2010 年約 5 万台 2020 年約 5 百万台 定置用燃料電池については 2010 年約 2.1 百万 kw 2020 年約 10 百万 kw の導入を目指す

3 Ⅰ. 事業の目的と位置づけ NEDO における固体高分子形燃料電池関連事業 5/31 事業年度シナリオ指標 PEFC 技術開発 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 H 運輸 民生用高効率エネルギーシステム技術開発第 1フェーズ第 2フェーズ 固体高分子形燃料電池の研究開発高効率燃料電池システム実用化技術開発 H12 H13 H14 H15 H16 H 基盤整備 導入段階技術実証段階普及段階 FCV 5 万台 FCV 住宅用コジェネの導入定置用 2.1 百万 kw FCV 500 万台定置用 10 百万 kw 固体高分子形燃料電池システム技術開発事業固体高分子形燃料電池要素技術開発等固体高分子形燃料電池システム化技術開発 LP ガス固体高分子形燃料電池システム開発事業 携帯用燃料電池技術開発 ソフト面での PEFC インフラ整備 燃料電池普及基盤整備高効率燃料電池システム基盤技術開発 固体高分子形燃料電池システム普及基盤整備 Ⅰ. 事業の目的と位置づけ 家庭用燃料電池のシステム構成 本事業の範囲要素技術開発 水素 空気 空気 6/31 2 燃料処理装置 1 脱硫器 3PEFC スタック 排熱 空気供給装置 4 インバーター 6 貯湯槽 電力 LP ガス 5 熱回収装置 温水 燃料利用 オフガス 温水

4 Ⅰ. 事業の目的と位置づけ 7/31 LP ガス固体高分子形燃料電池の技術課題 ガスの主成分は 炭素数 3のプロパンであり メタンを主成分とする都市ガスに比べ 炭素析出を起こしやすい ガスには 着臭剤以外に 石油由来の硫黄分が含まれ 脱硫条件が厳しい LPガスはボンベで供給されるため ガス消費率に依存して ガス組成 成分が変動する 家庭用燃料電池として用いるには 小型化 高効率化が必要である Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 目標設定理由 脱硫剤の開発 1 硫黄成分が種類が多く ( 石油由来 着臭剤 ) 含有量も多い 2 組成変動を起こす ( 硫黄成分 濃度 ) 8/31 改質触媒の開発 1 炭素数が多い ( プロパン ブタン等 ) 2 組成変動を起こす ( プロパン ブタンの比 ) 燃料処理装置の開発 1 高効率化 2 小型化

5 Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 9/31 LP ガス固体高分子形燃料電池システム開発事業の目標 脱硫能力 改質能力 発電効率 燃料電池システムの小型化 0.1ppm 以下 ( 約 1 年間性能を維持すること 別途自主目標あり ) 改質温度 =700 以下 S/C=3.0 以下 改質プロセス効率 =75% 以上 ( 耐久性に対する自主目標あり ) 40%(LHV) 以上 現状技術の 80% 以下 注 ) 達成目標 次の条件を設定 1.1kW 級 6,000 時間 / 年運転 2. 脱硫 : 吸着脱硫方式 6,000 時間運転 3. 発電効率 : 電池効率 =60%( 直流出力 ) インバーター効率 =90% 4. 燃料電池システム : 現状技術 =360L 程度 (1kW 級の天然ガス対応燃料電池システム ) Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 10/31 目標に向けた研究開発方針 改質技術の要素技術開発 LP ガスの燃料電池への適応性評価研究 燃料電池本体との適応性研究 熱利用も含めたトータルシステムとしての適応性研究 総合調査研究

6 Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 研究体制 ( 役割 分担 ) 経済産業省資源エネルギー庁石油流通課 NEDO 水素エネルギー技術開発室 共同研究 ( 補助率 :2/3) エルピーガス振興センター 研究推進委員会 技術開発技術動向調査資産管理等 11/31 プログラムを踏まえた方向性の検討 基本計画 実施方針策定 プログラムを踏まえた技術開発の効率的 効果的推進 ( 及び研究評価 ) 運営 管理等 袖ヶ浦研究室 + 門真分室 ( 水蒸気改質 ( 起動 停止方式 )) 横浜研究室 ( 水蒸気改質 ( 長期連続方式 )) 守山研究室 ( メンブランリアクター ) 堺研究室 ( 触媒燃焼併発型改質 ) 委員長委員委員委員委員委員委員委員委員委員 嘉藤徹 辰巳敬 研究推進委員会 菊地英一 石田政義 薄井一司 大井登 大塚潔 岡田治 小島紀徳 里川重夫 早稲田大学理工学部教授 筑波大学機能工学系助教授 コスモ石油中央研究所主席研究員 三菱液化ガス営業本部開発グループ次長 東京工業大学大学院理工学研究科教授 大阪ガス開発研究部多機能型改質触媒プロジェクト部長 産業技術総合研究所電力エネルギー研究部門燃料電池グループ主任研究員 成蹊大学工学部教授東京ガス基礎研究所 横浜国立大学工学部教授 12/31

7 Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 13/31 LP ガスの改質方法 水蒸気改質 ( 起動 停止運転方式 ) 水蒸気改質 ( 長期連続運転方式 ) ( 将来型技術 ) メンブランリアクター ( 水素分離型 ) 触媒燃焼併発型改質 Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 水蒸気改質方式の流れ 14/31 原料 +H 2 O 水素 +CO ( 水蒸気改質反応 ) CO+H 2 O 水素 +CO 2 (CO 変成反応 ) CO+O CO 2 2 (CO 選択酸化反応 ) 水蒸気 水素 メタン CO 2 H 2 O LP ガス インバータ 脱硫 改質 CO 変成 CO 選択酸化 セルスタック 電力 熱利用 改質温度 :600 以上 CO 濃度 : 約 10% 水素濃度 : 約 70% 反応温度 : 200~300 CO 濃度 : 約 1% 反応温度 : 100~150 CO 濃度 : 約 10ppm

8 触媒燃焼併発型改質 ( 熱中和改質方式 ) 15/31 POR aatr TNR Partial Oxidation Reforming 部分酸化改質 触媒 Advanced Autothermal Reforming 改良オートサーマル改質 Thermo-Neutral Reforming 熱中和改質 熱中和改質触媒 原料ガス + 1/2O 2 Rh-Pt 触媒高速 SV 改質触媒 触媒燃焼触媒 原料ガス + O 2 + H 2 O 改質反応の熱を部分的に前段の燃焼で供給 予熱用触媒燃焼器 原料ガス + O 2 + H 2 O or 原料ガス + O 2 + CO 2 Ni-Ce 2 O 3 -Pt-Rh 触媒高速 SV, 低温起動 Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 16/31 メンブランリアクター LP ガス + H 2 O 水素 + CO 2 純水素分離 水蒸気 改質触媒 水素分離管 LP ガス 脱硫 水素 水素透過で反応平衡をずらす ボンベの自圧を利用 CO 2 純水素 99% % 以上 ( 目標 )

9 Ⅱ. 研究開発マネジメントについて 17/31 LP Ⅲ. 研究開発成果について 研究成果の概要 18/31 1) 袖ヶ浦研究室 ( 水蒸気改質起動 停止運転方式 ) 脱硫剤の開発 金属系 : 全ての硫黄分を吸着するが 寿命が短いゼオライト系 : 着臭剤は取れるが COS( 石油由来 ) が取れない 100 出口ガ 10 ス硫黄濃 1 度 [ppm ppm] 0.1 組み合わせで全ての硫黄分が取り除かれ 寿命が向上する 特許 :4 件 発表 :1 件 LP ガス評価 GHSV=4,000h -1 ( 基準の 10 倍 ), 室温 (4,000h 相当 ) 脱目標寿命硫性 Ag/ セ オライト (COS がとれない ) 能 Ag/ セ オライトが高脱硫剤い金属系脱硫剤金属系脱硫剤 ( 全て吸着可能 ) セ オライト系脱硫剤 + 金属系脱硫剤 評価時間 [h] 加速試験条件の結果 LP ガス 入口 ( ほとんど S を除去 ) (COS を除去 ) 出口 脱硫ガス

10 Ⅲ. 研究開発成果について改質触媒の開発 開発触媒 ( 低 Ru 高強度触媒 ) の長期寿命評価 (3 3 倍加速 ) プロパン転化率. (%) 相対活性 (@650 ) 相対活性 (@650 ) %Conv. 領域 推定寿命 経過時間 (hr) Tim e on Stream (hr) 19/31 GHSV=6000/600h 反応速度 (WET/DRY) 70 出口組成テ ータ採取 S/C=3 テ (DRY) 時間時間 ( 換算換算 ) 転化率転化率 100% 100% 維持維持 経過時間 (hr) 寿命推定寿命推定 ( 外挿外挿 )7000 3=21000 )7000 3=21000 時間時間 運転を継続するとともに 反応後の触媒物性評価を行ない 寿命推定の精度を高める Ⅲ. 研究開発成果について ( 水蒸気改質起動 停止運転方式 ) () 20/31 LP LP 熱交換器 排気ガス 改質部 水 改質ガス 改質器 C O 変成部 空気 選択酸化部 空気 バーナー LP ガス (LHV) S/C 60% % CO S/C 3.5 CO 67% H 2 CO S/C

11 Ⅲ. 研究開発成果について 21/31 LP % 1.0(280 L ) LPG Ⅲ. 研究開発成果について 22/31 2) 横浜研究室 ( 水蒸気改質長時間連続方式 ) 水蒸気改質触媒の開発結果 1,800 時間の耐久性を確認 ルテニウム - アルミナベース 担持金属量およびプロモーター量について最適化を実施 最適化した改質触媒について耐久試験を実施 改質温度 :700 S/C:3.0 累積評価時間 (h)

12 Ⅲ. 研究開発成果について 評価用燃料電池システム概要 23/31 900W 420D 970H mm 206kg 0 40 AC1kW AC100V AC15A 60 発電効率 約 23%(LHV) 改質効率 約 65% 容積 約 367L Ⅲ. 研究開発成果について 3) 守山研究室 メンブランリアクター構造 24/31 特長 ボンベの自圧を使っている 99% 程度の濃度の水素が得られる

13 Ⅲ. 研究開発成果について メンブランリアクター運転結果 特長 高濃度の水素ガスが得られる CO 除去が小型で動力が不要である 25/31 効率向上が鍵 Ⅲ. 研究開発成果について 転化率 (%) 4) 堺研究室 ( 触媒燃焼併発型改質 ) 触媒寿命試験経過状況 触媒寿命試験実験条件導入ガス流量 LPガス :2.76 NL/min H 2 :0.1 NL/min H 2 O:23.6 NL/min O 2 :3.63 NL/min 反応管径 20mmφ 触媒 AW02002 触媒充填量 ( 高さ ) 33.3 ml(106 mm) 改質条件 S/C=2.85 O 2 /C=0.44 SV=54,000h -1 触媒寿命試験経過状況 転化率 (H 2 +CO) H 2 (H 2 +CO) H 2 CO 2 CO CH 4 C 3 H 8 転化率 H 2 CO CO 2 CH 4 H 2 (H 2 +CO) 改質効率 =72% ( 計算値 ) ( 水素利用率 85% での推算値 ) 26/31 特長 起動が速い 触媒の少量化 反応熱の効率的な利用

14 Ⅲ. 研究開発成果について 短時間起動に対する予備検討 短時間起動による予備検討 27/31 O 2 導入 O 2 導入 触媒層中部 起動時間 20 秒 暖機後は 20 秒で立ち上がる 図 短時間起動に関する予備検討結果 Ⅲ. 研究開発成果について中間目標に対する達成度 水蒸気改質 ( 起動 停止運転方式 ) 袖ヶ浦研究室 門真分室 脱硫剤の開発 ( 共通技術開発 ) 改質触媒の開発 LP ガス品質の影響に関する調査 検討 ( 共通技術開発 ) 水蒸気改質 ( 長期連続運転方式 ) 横浜研究室 触媒燃焼併発型改質 燃料電池本体との適応性研究 改質触媒の開発 燃料電池本体との適応性研究 堺研究室触媒燃焼併発型改質システムの開発 メンブランリアクター 自己評価 守山研究室メンブランリアクターの開発 28/31 : 達成 : 概ね達成 : 未達成の項目がある

15 Ⅲ. 研究開発成果について 29/31 今後の予定 脱硫剤の開発 ( ボンベ切替時の対策等 ) 改質触媒の耐久性向上 ( 運転条件 ( 温度 S/Cなど ) 坦体 添加剤など) 燃料処理装置の効率向上のための構造検討 外部発表 30/31 特許 炭化水素含有ガス用脱硫剤及び燃料電池用水素製造方法 : 特願 硫黄化合物除去用吸着剤及び燃料電池用水素の製造方法 : 特願 硫黄化合物除去用吸着剤及び燃料電池用水素の製造方法 : 特願 炭化水素含有ガス中の硫黄化合物除去方法 : 特願 外部発表 灯油や LPG を用いた石油系燃料電池用水素製造技術の開発状況 : 石油学会関西支部第 11 回研究発表会 ( ) 基調講演 水素製造と燃料電池システムのための多元機能触媒上での熱中和反応法による炭化水素類の超高速改質 : 第 225 回米国化学会 燃料化学部門シンポジウム ( ) LP ガス固体高分子形燃料電池システムに関わる脱硫剤 水蒸気改質触媒の開発 : 第 10 回燃料電池シンポジウム ( )

16 Ⅳ. 実用化 事業家の見通しについて 31/31 実用化の可能性 見通し 固体高分子形燃料電池 / 水素エネルギー利用プログラムに沿って 自動車用 定置用 PEFC の普及に資するため 研究開発が進められている NEDO 水素エネルギー技術開発室では普及基盤整備 ( ミレニアム ) 要素技術開発等 システム化技術開発 水素安全の各事業を推進している 本事業は これらのプロジェクトと協調して LP ガスを燃料とした燃料電池技術に特化した開発を進める 定置用 FC の普及目標 2010 年約 210 万 kw 2020 年約 1,000 万 kw

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はじめに (2/22) LPG 用コージェネは コージェネ設備本体 及びLPG 供給設備に対する 電気事業法 液化石油カ ス法 高圧カ ス保安法 の適用範囲が明確に示されていない状況でした 今年度より 燃料電池コージェネである エネファーム の本格的な普及にともない コンフ ライアンスを含めLPG (1/22) コージェネに関する規制 ( 小出力発電設備 10kW 未満 ) 2009 年 7 月 日本 LP ガス団体協議会 はじめに (2/22) LPG 用コージェネは コージェネ設備本体 及びLPG 供給設備に対する 電気事業法 液化石油カ ス法 高圧カ ス保安法 の適用範囲が明確に示されていない状況でした 今年度より 燃料電池コージェネである エネファーム の本格的な普及にともない コンフ

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