地域エネルギーMOTプログラム 新エネルギー利用（3）　燃料電池

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1 YUMOT 新 エネルギー 利 用 (3) 燃 料 電 池 山 口 大 学 大 学 院 技 術 経 営 研 究 科 福 代 和 宏

2 本 講 義 の 概 要 燃 料 電 池 とは? なぜ, 今, 燃 料 電 池? 技 術 の 現 状 将 来 展 望 まとめ

3 燃 料 電 池 とは? 電 池 の 定 義 化 学 エネルギー(または 物 理 エネルギー)を 直 接 電 気 エネルギーに 変 換 化 学 電 池 : 乾 電 池, 蓄 電 池,など 物 理 電 池 : 太 陽 電 池, 原 子 力 電 池,など

4 化 学 電 池 の 発 電 原 理

5 電 池 ( 化 学 電 池 )の 種 類 一 次 電 池 ( 使 い 切 り 電 池 ) 乾 電 池,アルカリマンガン 電 池, 空 気 電 池,リチウム 電 池 二 次 電 池 ( 充 電 可 能 電 池 ) 鉛 蓄 電 池,ニカド 電 池,ニッケル 水 素 電 池,リチウムイオン 電 池 燃 料 電 池 ( 燃 料 の 連 続 供 給 ) 高 分 子 固 体 電 解 質 電 池,メタノール 燃 料 電 池

6 燃 料 電 池 の 原 理

7 燃 料 電 池 の 基 本 構 成 技 術 要 素 電 極 ( 負 極, 正 極 ) 電 気 化 学 反 応, 触 媒 作 用 電 解 質 (イオン 伝 導 体 ) イオン 伝 導 度, ガス 不 透 過 性 ( 分 離 機 能 )

8 燃 料 電 池 のメカニズム 陽 極 - + 陰 極 4e - 4e - 2H 2 4e - + 4H + +O 2 4H + +4e - 2H 2 O H 2 電 解 O 2 質 H 2 O 1839 年 にイギリスのグローブ 卿 によって 実 証 された

9 燃 料 電 池 の 種 類 と 特 徴 タイプ リン 酸 型 (PAFC) 溶 融 炭 酸 塩 型 (MCFC) 固 体 酸 化 物 型 (SOFC) 固 体 高 分 子 型 (PEFC) 電 解 質 リン 酸 水 溶 液 Li 2 CO 3 -Na 2 CO 3 Li 2 CO 3 -K 2 CO 3 安 定 化 ジルコニ ア (YSZ),など イオン(プロトン) 交 換 膜 ( 移 動 イオン 種 ) H + CO 3 2- O 2 - H + 作 動 温 度 ~ ~700 ~ ~80 使 用 可 能 燃 料 H 2 H 2, CO H2, COH2 原 燃 料 天 然 ガス ナフサまでの 軽 質 油 天 然 ガス 石 炭 ガス 化 ガス 天 然 ガス 石 炭 ガス 化 ガス 天 然 ガス メタノール 発 電 効 率 32~42% 程 度 ~60% ~65% 30~40%(*) 特 徴 比 較 的 低 温 で 作 動 高 発 電 効 率 内 部 改 質 が 可 能 高 発 電 効 率 内 部 改 質 が 可 能 低 温 で 作 動 高 出 力 密 度 *) 改 質 ガスを 用 いた 場 合

10 燃 料 電 池 開 発 の 歴 史

11 なぜ, 今, 燃 料 電 池? 燃 料 電 池 は 環 境 にやさしい? 化 石 燃 料 の 有 効 利 用 温 室 効 果 ガス(CO2)の 排 出 量 低 減 (ただし, 使 い 方 に 大 きく 依 存 )

12 排 気 ガス 比 較 ガソリンエンジン 車 と 燃 料 電 池 電 気 自 動 車 (FCEV)の 排 気 ガス 比 較

13 燃 料 電 池 は 魔 法 の 技 術 ではない! エネルギー 変 換 技 術 の 一 つ 電 気 を 産 み 出 す 技 術 ではない 物 理 学, 化 学 の 原 理 の 制 約 を 受 ける エネルギー 保 存 則,エントロピー 増 大 則 に 従 う 原 燃 料 に 化 石 燃 料 ( 石 炭, 石 油 )を 使 えばCO2はどこかで 発 生 する 燃 料 電 池 をつくるのにもエネルギーは 必 要

14 技 術 の 現 状 PEFC の 用 途 (1) ~ 燃 料 電 池 自 動 車 (FCEV)~ トヨタ 社 FCHV の 設 計 概 念 ( 同 社 HPより)

15 トヨタFCHV 車 両 概 要 車 両 乗 車 性 能 燃 料 電 池 モーター 燃 料 名 称 全 長 / 全 幅 / 全 高 (mm) 重 量 (kg) 定 員 ( 人 ) 航 続 走 行 距 離 (km) 10 15モード 最 高 速 度 (km/h) 名 称 種 類 出 力 (kw) 種 類 最 高 出 力 (kw(ps)) 最 大 トルク(N m(kg m)) 種 類 貯 蔵 方 式 最 高 充 填 圧 力 (MPa) トヨタFCHV 4,735/1,815/1,685 1, トヨタFCスタック 固 体 高 分 子 形 90 交 流 同 期 電 動 機 80(109) 260(26.5) 純 水 素 高 圧 水 素 タンク 35 2 次 電 池 種 類 ニッケル 水 素 電 池 価 格 30ヶ 月 間 のリース( 千 円 / 月 ) 1,200

16 燃 料 電 池 (PEFC)の 構 成 単 セルの 基 本 構 造 積 層 構 成 例

17 PEFCの 技 術 課 題 (1) 電 解 質 材 料 技 術 現 状 技 術 フッ 素 樹 脂 系 イオン 交 換 膜 (Nafion ) 課 題 作 動 温 度 範 囲 耐 久 性 価 格

18 PEFCの 技 術 課 題 (2) 電 極 材 料 構 成 技 術 電 極 触 媒 : 白 金, 白 金 合 金 電 極 反 応 場 の3 次 元 化 と 触 媒 利 用 効 率 の 向 上 モデル

19 PEFCの 技 術 課 題 (3) 燃 料 ( 水 素 ) 製 造 貯 蔵 技 術 現 状 技 術 天 然 ガス(メタン) 改 質 CH4+ 2H2O = 4H2+ CO2( 水 蒸 気 改 質 ) CH4+ O2= 2H2+ CO2( 部 分 酸 化 改 質 ) < 副 生 CO( 触 媒 毒 )の 低 減 > 高 圧 水 素 の 輸 送 / 貯 蔵 水 素 システム のインフラ 整 備 中

20 PEFC の 用 途 (2) モバイル 電 源 (Note PC, etc. ) TOSHIBA のPC 用 DMFC ( 同 社 HPより) NEC のモバイル 用 DMFC ( 同 社 HPより)

21 直 接 型 メタノール 燃 料 電 池 (DMFC)とは 負 極 : CH 3 OH+H 2 O=CO 2 +6H + +6e - 正 極 : 6H + +3/2O 2 +6e - =3H 2 O 全 反 応 : CH 3 OH+3/2O 2 =CO 2 +2H 2 O 長 所 改 質 によるエネルギーロスがない ( 理 論 上 ) 燃 料 の 扱 いが 容 易 短 所 電 池 からCO2が 排 出 される

22 小 型 電 子 機 器 用 DMFC 仕 様 出 力 サイズ 小 型 電 子 機 器 向 け 燃 料 電 池 システム 100 mw mm ( 厚 さ mm) 燃 料 容 量 2 ml 重 量 8.5 g ( 燃 料 含 む) 燃 料 純 メタノール TOSHIBA 社 HP より

23 DMFCの 技 術 課 題 電 極 : 高 い 触 媒 活 性 ( 燃 料 極 )の 持 続 方 策 反 応 中 間 体 (CO)による 触 媒 被 毒 多 量 の 白 金 族 触 媒 を 要 する 電 解 質 膜 : 耐 メタノール 透 過 性 クロスオーバー による 発 電 効 率 ロス

24 将 来 展 望 燃 料 電 池 は 地 球 を 救 うか? 燃 料 電 池 は ビジネス になるか?

25 燃 料 電 池 の 用 途 ( 現 状 と 将 来 ) 地 域 発 電 用 ( 大 形,MW 級 ):SOFC, MCFC 小 規 模 発 電 用 ( 数 百 kw 級 ):PAFC, PEFC 自 動 車 用 (100 kw 級 ):PEFC, DMFC 家 庭 用 小 形 発 電 ( 数 kw 級 ):PEFC, DMFC モバイル 用 ( 数 W~ 数 十 W 級 ):DMFC 用 途,タイプによって 技 術 課 題 はさまざま

26 1.クリーン 技 術 となり 得 るか 燃 料 電 池 の 原 理 的 特 性 を 把 握 すること 燃 料 電 池 自 体 :クリーンで 高 効 率 システム 全 体 : 燃 料 の 調 達, 改 質 法 がカギ 定 置 型, 輸 送 機 関,モバイル 用 途 で 評 価 は 異 なる 水 素 エネルギーシステム の 中 で

27 2.ビジネスとなり 得 るか 燃 料 電 池 とその 周 辺 技 術 燃 料 電 池 とその 周 辺 技 術 システム 設 計 最 適 化 技 術 用 途 開 発 材 料 技 術 触 媒, 電 極, 電 解 質, 改 質 燃 料,セル 構 成 材 貴 金 属 微 粒 子, 炭 素 材 料,ポリマー, 複 合 体 利 用 技 術

28 DMFC の 自 動 車 用 途 への 展 開

29 燃 料 電 池 の 特 性 を 補 完 する 技 術 例 二 次 電 池 スーパーキャパシタ エネルギー 回 生 とパ ワーアシスト 種 々の ハイブリッド の 可 能 性

30 燃 料 電 池 の 応 用 例 (1) 3.8m 2.5m 実 際 の 構 成 富 士 電 機 燃 料 電 池 システム 価 格 :60 万 円 /kw

31 燃 料 電 池 の 応 用 例 (2) 燃 料 電 池 バス 出 典 :JHFC

32 燃 料 電 池 の 応 用 例 (2)つづき 燃 料 電 池 バス( 東 京 都 ) 2003 燃 料 電 池 出 典 : 東 京 都 環 境 局

33 燃 料 電 池 の 応 用 例 (3) Mobion 燃 料 となるメタノールを 直 接 供 給 して 発 電 するタイ プのダイレクトメタノール 型 燃 料 電 池 (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 携 帯 電 話 用 超 小 型 燃 料 電 池 モジュール

34 燃 料 電 池 の 応 用 例 (4) 教 育 用 玩 具 小 型 燃 料 電 池 ミニカーキット 19,800 円

35 技 術 的 な 話 題 のまとめ 燃 料 電 池 の 歴 史 原 理 発 見 から160 年 以 上 宇 宙 船 で 実 用 されてから40 年 以 上 成 熟 技 術 となるのは? 参 考 資 料 : 関 係 メーカーHP

36 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 1-1 東 京 理 科 大 新 エネルギー 研 究 所 風 力 発 電 で 水 素 発 生 ( 点 検 大 学 発 VB)2006/05/02, 日 経 産 業 新 聞, 14ページ 自 治 体 と 組 み 融 雪 など 活 用 東 京 理 科 大 学 発 のベンチャー 新 エネルギー 研 究 所 ( 東 京 千 代 田 )は 燃 料 電 池 などエネルギー 源 としての 水 素 の 利 用 を 研 究 開 発 する 水 素 は 気 体 のままの 輸 送 が 難 しいため 液 体 の 有 機 物 質 に 結 合 させる 方 法 を 研 究 自 治 体 と 組 んで 融 雪 などに 活 用 する 水 素 は 風 力 発 電 の 電 力 を 利 用 した 水 の 電 気 分 解 で 生 産 し 環 境 にも 優 しいエネルギー 供 給 の 普 及 を 目 指 す この 一 年 は 大 きな 転 機 だった と 亀 田 光 昭 社 長 は 振 り 返 る 行 き 詰 まりつつあった 民 間 企 業 との 共 同 研 究 に 代 わり 自 治 体 とのプ ロジェクトが 新 たな 事 業 の 柱 に 育 ってきた 二 〇 〇 五 年 六 月 期 の 売 上 高 が 千 万 円 弱 だったのに 対 し 〇 六 年 六 月 期 は 一 億 円 を 見 込 む

37 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 1-2 東 北 地 方 の 自 治 体 と 組 み ある 公 民 館 をモデルとした 提 案 が 〇 五 年 八 月 から 始 動 した 風 力 発 電 の 電 力 で 水 を 電 気 分 解 して 発 生 させた 水 素 を 液 体 有 機 物 質 デカリン として 貯 蔵 し 冬 場 の 融 雪 に 使 う 燃 料 電 池 のエネルギー 源 として 利 用 する 風 力 に 加 え 温 泉 熱 を 電 力 源 として 用 いる 方 式 も 導 入 している 東 京 理 科 大 の 斉 藤 泰 和 教 授 が 主 に デカリンを 利 用 する 水 素 の 輸 送 貯 蔵 方 法 を 考 案 この 技 術 を 実 用 化 するため 新 エネル ギー 研 究 所 を2002 年 に 設 立 した 石 油 の 精 製 で 得 られ 防 虫 剤 の 原 料 として 知 られるナフタレンに 水 素 を 吸 収 させ 液 体 にして 輸 送 貯 蔵 する 運 んだ 先 で 必 要 に 応 じて 水 素 を 取 り 出 す ナフタレ ンについては 発 電 所 に 戻 して 再 利 用 する この 方 法 を デカリンサ イクル と 名 付 けている

38 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 1-3 燃 料 電 池 は 石 油 や 天 然 ガスなどに 代 わる 新 エネルギーの 切 り 札 として 注 目 されている だが 燃 料 となる 水 素 の 生 産 や 輸 送 貯 蓄 の 方 法 はまだ 確 立 していない 同 社 はクリーンエネルギーで もある 風 力 発 電 の 電 力 に 着 目 水 の 電 気 分 解 による 水 素 の 発 生 を 考 えた 水 素 を 運 搬 するには 圧 縮 してボンベなどに 詰 めるか 冷 却 して 液 体 水 素 として 運 ぶかのいずれかが 必 要 気 体 のまま 圧 縮 しても 大 量 輸 送 は 困 難 で 危 険 も 伴 う だが 液 体 にするには 温 度 を- 250 以 下 まで 下 げねばならず 膨 大 なエネルギーを 消 費 する デカリンにすれば 輸 送 貯 蓄 が 容 易 になる 利 点 がある

39 デカリン 正 式 にはデカヒドロナフタレン (decahydronaphthalene) C 10 H 18 ナフタレンを 水 素 化 することによって 合 成 される 常 温 で 液 体 であり 溶 剤 として 用 いられる

40 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 1-4 石 油 の 代 替 エネルギー 源 として 考 える 場 合 既 存 のインフラが 使 えることも 重 要 と 亀 田 社 長 は 強 調 する 既 存 のタンカーや 石 油 タンクをデカリンの 輸 送 や 貯 蔵 に 転 用 できるという 設 立 当 初 は 石 油 元 売 り 会 社 などが 関 心 を 寄 せ 共 同 研 究 を 進 め た しかし 原 油 価 格 の 高 騰 で 本 業 の 採 算 が 好 転 したため 代 替 燃 料 開 発 への 関 心 がやや 薄 れている ただ 一 方 で 自 治 体 からの 注 目 度 は 高 まりつつあるようだ 現 在 新 たに 二 つの 自 治 体 との 間 で 導 入 に 向 けた 協 議 が 進 行 中 で デカリンサイクルによる 水 素 エネルギーの 活 用 は 最 終 的 に は 国 家 規 模 のプロジェクト ( 亀 田 社 長 )と 期 待 が 高 まる まずは 自 治 体 などと 協 力 して 実 績 を 積 み 重 ね 認 知 度 を 高 めることが 普 及 に 向 けての 足 がかりになりそうだ ( 松 木 祥 介 )

41 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 1-5 エネルギー 貯 蔵 意 義 大 きく 期 待 デカリンサイクルについて 詳 しいトヨタ 自 動 車 第 三 材 料 技 術 部 の 鈴 木 寛 グループ 長 電 気 はそのままでは 貯 蔵 できない このため 風 力 発 電 で 得 たエネルギーを 水 素 に 変 換 して 貯 蔵 しておくという 点 で デカリンサイクルの 意 義 は 大 きい デカリンを 瞬 時 に 加 熱 する 装 置 の 開 発 など 技 術 的 な 課 題 が 克 服 されておらず 現 時 点 では 燃 料 電 池 を 自 動 車 に 搭 載 して 活 用 する のは 難 しい 装 置 の 大 きさの 面 でもハードルがある ただ 大 規 模 なもので 定 置 型 であれば 効 率 的 なエネルギー 源 として 期 待 でき るだろう

42 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 1-6 会 社 概 要 本 社 東 京 都 千 代 田 区 飯 田 橋 三 京 ビル2 02 電 話 社 長 亀 田 光 昭 氏 (かめだ みつあき) 大 学 との 関 係 斉 藤 泰 和 教 授 が 取 締 役 売 上 高 1 億 円 (2006 年 6 月 期 予 想 ) 株 主 構 成 社 長 本 人 斉 藤 教 授 大 学 OBら

43 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 2-1 広 島 県 と 市 水 素 燃 料 車 公 用 車 に 自 治 体 初 地 場 の 技 術 開 発 後 押 し 2006/04/22,, 日 本 経 済 新 聞 地 方 経 済 面 ( 中 国 B), 35ページ 広 島 県 と 広 島 市 は 二 十 一 日 マツダが 開 発 した 水 素 燃 料 車 R X 8ハイドロジェンRE を 公 用 車 として 導 入 した 国 や 地 方 自 治 体 は 燃 料 電 池 車 の 普 及 に 力 を 入 れているが 水 素 燃 料 車 の 自 治 体 への 導 入 は 全 国 で 初 めて 地 場 企 業 による 環 境 技 術 開 発 を 後 押 しして 地 球 温 暖 化 防 止 を 促 進 する

44 燃 料 電 池 に 関 するビジネスの 例 2-2 同 日 県 庁 と 市 役 所 で 納 車 式 を 開 いた 試 運 転 した 藤 田 雄 山 知 事 は 乗 り 心 地 はガソリン 車 と 変 わらない 県 として 温 暖 化 防 止 に 取 り 組 んでおり 環 境 イベントなどに 活 用 していきたい と 話 した マツダの 渡 辺 一 秀 会 長 は 環 境 対 応 車 のなかではコスト 面 性 能 面 で 普 及 段 階 へ 一 番 近 い とアピールした ハイドロジェンREは 既 存 のロータリーエンジンを 活 用 し ガソリン の 代 わりに 水 素 を 燃 やして 駆 動 する 二 酸 化 炭 素 (CO2)を 排 出 せず 窒 素 酸 化 物 (NOx)もほとんど 出 ない ガソリンでも 走 行 で きる リース 料 は 月 四 十 万 円 と 燃 料 電 池 車 の 半 額 以 下 で 導 入 す る 自 治 体 や 企 業 の 負 担 を 軽 減 している