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ふさこおおばま
9 years ago
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1 インテレクチャルカフェスマートエネルギー社会を支える分散型電源の開発とその利用革新的 SOFC 研究開発の現場から独立行政法人産業技術総合研究所先進製造プロセス研究部門機能集積モジュール化研究グループ 1

2 分散電源の普及の流れ大規模工場から小規模施設分野へ施設単体のエネルギー消費 1980 年代 1995 年 2000 年以降電力消費大小熱需要大小需要家 : 産業分野 ( 大規模工場 ) 導入機種 : 大型コジェネ (GT) 需要家 : 産業分野 ( 中小規模工場 ) 導入機種 : 中小型コジェネ (GT) 需要家 : 業務分野 ( 店舗病院ホテル等 ) 導入機種 : 小型コジェネモノジェネ (DE,GE) 福祉施設 (59) 病院 (88) 工場 (29) 店舗 (94) 平成 21 年度常用自家発電設備設置状況 ( 日本内燃発電設備協会 ) 12.8 万 kw( 内燃機関 ) <=90% が業務用 H21 年度の設置台数は409 台設置施設数 373カ所 ( 減少傾向 ) 常用自家発電設備の設置はH15 年度より伸び悩み H18 年度より減少傾向 ( 設置台数 ) 10kW 未満 ( 小型 )189 台 : 大幅減少 10kW 以上 100kW 未満 14 0 台 : 横ばい 100kW 以上 8 台 : 横ばい 2

工場 (29) 店舗 (94) 平成 21 年度常用自家発電設備設置状況 ( 日本内燃発電設備協会 ) 12.

3 分散電源の設置 1. 経済性系統電力が安い ( かった ) 2. 商用電源との二重化による供給信頼性 ( 非常時への対応 ) 3. コージェネによる廃熱回収 => エネルギー利用効率を向上 ( 熱需要を活用 ) 分散電源のメリットが高い大規模熱需要 ( 産業分野 ) オンサイト発電サービスにてリスク回避 3

4 分散電源 ( 分野容量 ) 電力需要大電力需要小熱需要の少ない分野民生分野業務用分野住宅分野 10MW 以上 10MW 5 MW 1 MW 500kW 100kW 10kW 1kW 未満大学短大 (GE,DE) 大型総合スーパー (DE,GE) 複合大型ショッピングセンター (DE,GE) テナントビル (GE) データーセンター (GE,MGT) 中小スーパー (DE) 総合病院 (DE,GE) スポーツ施設 (GE,DE) 学校 ( 小中高 )( 太陽電池,SOFC) 集合住宅 (GE,SOFC) ファーストフードファミレス (MGT,MGE) 中小病院 (DE,MGE) 福祉施設 (GE) コンビニ (SOFC) ガソリンスタンド等 (SOFC) ラーメン店そばうどん店 (MGE) 戸建住宅 ( 太陽電池 SOFC) ホテル (DE,GE) ビジネスホテル旅館 (DE) 温浴施設 (MGE) 熱需要の多い分野産業分野素材分野工場製鉄石油化学紙パルプ素材分野以外の大型工場大手食品工業自動車工場電子部品電機製品工場中小規模工場一般食品工業プラスティック製品電気機械分散電源の本命と言われる燃料電池が市場導入住宅分野小規模施設への普及が進展熱と電気の利用時間のずれの問題エネルギー負荷シフト技術 ( 蓄電蓄熱複数施設でのエネルギー共有 ) 4

(GE) コンビニ (SOFC) ガソリンスタンド等 (SOFC) ラーメン店そばうどん店 (MGE) 戸建住宅 ( 太陽電池 SOFC) ホテル (DE,GE) ビジネスホテル旅館 (DE) 温浴施設 (MGE) 熱需要の多い分野産業分野素材分野工場製鉄石油化学紙パルプ

5 エネファーム補助金申し込みが急増東日本大震災後に受付を開始した今年度は 4 月から 7 月 7 日の約 3 カ月で昨年の 1.6 倍の受付が殺到平成 24 年 1 月末までの期限を半年以上前倒しする結果 (2011 年度の予算 86 億円を全て使い切り 2012 年度予算の概算要求では 96 億円を要求 ) 5

6 1. 燃料電池開発について 2. 次世代燃料電池の設計と製造技術開発 ( マイクロ SOFC 構造制御 ) 3. まとめ 6

7 燃料電池の発電原理酸素 O 2 e - 1V 外部回路 e - H 2 燃料ガス : 窒素 O 2- : 水素 : 酸素 N 2 電解質 H 2 O : 水カソードアノード電池全体の反応 ( カソード側 ) 1/2 O 2 +2e - O 2- ( アノード側 ) H 2 +O 2- H 2 O + 2e - ( セル全体 ) H 2 + 1/2 O 2 H 2 O 7

8 燃料電池の種類固体高分子形 (PEFC) リン酸形 (PAFC) 溶融炭酸形 (MCFC) 固体電解質形 (SOFC) 電解質材料プロトン伝導性高分子膜 : ナフロン等リン酸溶融炭酸塩酸素イオン伝導性セラミックス作動温度常温約 ( 低温作動が求められている ) 特徴作動温度が低く取扱が容易家庭用自動車携帯用に向けて研究が進み一部商用化市販されている燃料電池の中で業務用として最も普及工場での分散電源へ利用されている大型化が容易燃料にごみや木材を利用し生成するバイオガスが利用可能二酸化炭素の分離も可能高温で作動するため種々の燃料が改質なしで利用可能変換効率も高く熱も複合利用将来の分散電源として期待されている発電効率 38% 35-42% 45-60% 40-70% 8

携帯用に向けて研究が進み一部商用化市販されている燃料電池の中で業務用として最も普及工場での分散電源へ利用されている大型化が容易燃料にごみや木材を利用し生成するバイオガスが利用可能

9 次世代エネファーム (SOFC) 定置型燃料電池システム 2011 年燃料電池展発電部次世代エネファーム :SOFC 2011 年 10 月に発売 (270 万円 ) 発電効率は定格で 45% と PEFC 仕様より 10% 高い作動温度も高いので高価な触媒がなくても反応が進むお湯も 75 と貯湯ユニットも 36% 小さい 9

10 次世代燃料電池の設計と製造技術開発 ~ マイクロ SOFC~ 従来に無い革新的なマイクロセラミック燃料電池の新規ニーズに対し主に中部地域のセラミック製造メーカーエネルギー自動車産業の連携による発電モジュールの開発事例とその展開セラミックリアクター開発プロジェクト (NEDO 電子材料ナノテク部 :2005~2010 年 ) 産総研中部センターに材料部材製造プロセスの開発拠点を設置して実施角砂糖サイズで出力 3W 1 低温作動 (650~500 ) を可能とする電極電解質材料の部材化 2 有効反応体積を飛躍的に増大させる高機能部材の高度集積プロセス革新的なセラミックリアクターのプロトタイプモジュールを創製 ~ 性能実証小型高効率 ( 出力 2kW/ リットル ) 構成ユニット細分で耐熱衝撃性向上分 - 秒単位の急速起動が可能大幅な低温作動化運転制御が容易低コスト化可能等 10

部材製造プロセスの開発拠点を設置して実施角砂糖サイズで出力 3W 1 低温作動 (650~500 ) を可能とする電極電解質材料の部材化 2 有効反応体積を飛躍的に増大させる

11 発電効率とシステム規模コンパクトかつ高性能 & 低温作動のマイクロ SOFC 集積モジュール化技術は今後小型高効率発電や民生応用にて重要電気自動車モバイル機器レジャー災害用等ポータブル電源補助電源 (APU) 小型定置発電等 SOFC+GT 50 高い産業ニーズ ( 数 W~kW) ダイレクトメタノール形 (DMFC) 効率 (%) 高分子形 (PEFC) 固体酸化物形 (SOFC) リン酸形 (PAFC) エンジン溶融炭酸塩形 (MCFC) リーンバーンエンジンガスタービン (GT) システム規模 (kw) 11

W~kW) ダイレクトメタノール形 (DMFC) 効率 (%) 40 30 20 高分子形 (PEFC) 固体酸化物形 (SOFC) リン酸形

12 パーソナル電源ニーズでの急速起動停止運転が可能で多燃料にて改質器を必要としない次世代型高効率燃料電池 ( 燃料電池を用いる高効率電源 ) 現状の定置形燃料電池 ( エネファーム等 ) ( 第 1 世代 SOFC では定常運転 ( 止めない ) が中心 ) 次世代 SOFC 電源今後さらなる省エネ作動では必要なときに ON/OFF 可能な急速起動停止運転のニーズへシフト急速起動停止運転多燃料作動に関する製品ニーズに対応する評価技術が重要 SOFC エネファーム ( 家庭用コジェネ ) ユーザー ( 使用 ) に即した設計ブラックアウト対応入手可能な炭化水素バイオマス等 ( 低高品位 ) の多燃料に対応する直接改質技術が耐久性や低コスト化の鍵省エネグリーンイノベーションに関する製造産業の展開アジア ( 日本韓国中国等 ) 欧州米国 3 兆 8000 万円の市場 (2025 年 ) 予測 12

多燃料作動に関する製品ニーズに対応する評価技術が重要 SOFC エネファーム ( 家庭用コジェネ ) ユーザー ( 使用 ) に即した設計ブラックアウト対応入手可能な炭化水素バイオマス等 ( 低

13 固体酸化物形燃料電池 (SOFC) の利点と課題 ( 高分子電解質形燃料電池 PEFC の比較 ) 1. 高い発電効率 (40% 以上 ) 2. 炭化水素系燃料 (CO 含む ) が利用可能 3. 貴金属が不要 1. 高温運転 (800 以上 ) 材料の限定耐久性の問題 2. 急速起動停止運転が困難セラミック部材利用 SOFC 実用化従来は 1W/cm 3 程度 (PEFC: 水素燃料 ) 低温化 (650 以下 ) 急速作動高出力コンパクト化 (2W/cm 3 ) 高集積化技術で起動性を改善!! 13

14 マイクロ SOFC の優位性高い耐熱衝撃性大型セル小型セル大小起動エネルギー ( 加熱 ) 温度分布急速起動運転バーナーによる急速起動試験体積当たりの高い発電密度体積発電密度 (W/cc) 開発ターゲットこれまでの開発サイズチューブ径 (mm) 圧力損失 (Pa) モジュールの小型高性能化 14

(W/cc) 20 15 10 5 0 10 開発ターゲットこれまでの開発サイズ 0 1 0.

15 材料 = イオン伝導イオン伝導性セラミックス高性能マイクロ SOFC の開発と集積化 1cm 導電率 Log σ (Scm -1 ) ランタンガレート :LSGM スカンジア安定化ジルコニア :ScSZ セリア系 :GDC イットリア安定化ジルコニア :YSZ 温度 1000/T (K -1 ) ユニットを組み合わせたモジュールのスケールアップマイクロチューブ型電気化学反応に適した微細構造制御での世界最高性能のセル & モジュール高集積化技術による新規構造を有する次世代型高性能電気化学リアクターマイクロハニカム型規則配列空間への電気化学セル構造形成 1mm 15

2 1.4 温度 1000/T (K -1 ) ユニットを組み合わせたモジュールのスケールアップマイクロチューブ型

16 チューブ型マイクロ SOFC 製造プロセス ( 量産可能な手法 ) 燃料極チューブ押し出し電解質コーティング共焼成 φ2 mm 例 :1.8 mm 径空気極コーティング焼成チューブ型マイクロ SOFC(~2 mm 径 ) φ0.8 mm φ0.4 mm 電解質 ( 薄膜化緻密化 ) 均質電解質スラリー溶液の開発燃料極 ( チューブ ) 構造 ( 気孔率 ) 焼成温度添加物バインダー 16

17 SOFC の高性能化構造制御セル発電性能 (max. power)=v 2 /4R ( セル抵抗 ) 酸素電子水素 R = 電解質抵抗 + 電極抵抗酸化物イオン空気極燃料極電解質水膜厚イオン伝導電気化学反応触媒活性従来材料の適用 : ジルコニア (ZrO 2 ) 系電解質材料ガス拡散気孔率電解質 : ジルコニア系酸化物 (ZrO 2 ) 燃料極 : ニッケルジルコニア ( 支持体 : チューブ ) 空気極 : ランタンコバルト系セリア系酸化物新規製造プロセス開発による構造制御による高性能化検討 17

18 燃料極気孔率の焼成温度依存性と電解質緻密化燃料極気孔率 % 燃料極電解質 1300 以下で電解質緻密化を達成焼成温度電解質緻密 3~30μm 燃料極 ~60% 一度の製造プロセスで実現従来は気孔率 10~20% 18

19 ジルコニア電解質セルの低温作動化検討セリア系セル製造プロセスで培った技術を発展 Cathode Electrolyte~ 3μm 燃料極構造制御 ScSZ セル気孔率 50% 以上へ Cell A Cell B Cell C Anode 電解質薄膜化 YSZ セル ~1ミクロンオーダーへ焼成温度 1300 o C Electrolyte~1μm 燃料極気孔率 54% 47% 37% Anode Volatge, V Cell C 600 o C Cell B Current density, A/cm 2 Cell A 電極構造が発電性能へ与える影響が明らかに Science,2009 年掲載 Power density, W/cm 2 Voltage, V o C 550 o C Current density, A cm -2 YSZ でも低温化が可能 Power density, W cm -2 19

0 0 1 2 3 Current density, A/cm 2 Cell A 電極構造が発電性能へ与える影響が明らかに Science,2009 年掲載 1.5 1.0 0.5 0.0 Power density, W/cm 2 Voltage, V 1.1 1.

20 マイクロ SOFC 型リアクター ( 高効率マイクロ燃料電池モジュール開発 ) の低温領域で動作するマイクロ固体酸化物形燃料電池モジュール化技術を開発発電効率 40 % 以上自然拡散による空気供給でも 2W/cm 3 以上の発電電力密度を 550 で実証 ( 世界初 ) ジルコニア系電解質にて 600 の低温にて 1W/cm 2 の発電密度を達成 ( 世界最高 ) ジルコニア電解質燃料極空気極空気極 1W 発電チューブ SOFC 新開発のマイクロ SOFC モジュール多孔質燃料極ジルコニア系薄膜電解質 ~3µm 1μm Ni-ScSZ ナノ電極気孔率 54% 多孔構造電極低温で世界最高レベルの発電密度達成電極ナノミクロ構造制御 20

1W/cm 2 の発電密度を達成 ( 世界最高 ) ジルコニア電解質燃料極空気極空気極 1W 発電チューブ SOFC 新開発のマイクロ SOFC モジュール

21 発電効率と発電密度の関係 500 台の発電性能 (a) 0.20 Maximum efficiency- max o C 650 o C 700 o C Power density, W cm サンプル AIST 標準サンプル 650 運転温度において効率 40% 以上を達成 ( 水素燃料 LHV) Voltage,V Z'', Ohm cm o C Current density, Acm o C -6-4 (b) 500 o C o C Z', Ohm cm 域での発電性能向上にはガス拡散抵抗の改善が有効 Power density, Wcm -2 21

22 450 o C の低温で発電できるマイクロ固体酸化物形燃料電池 - 低温域でのメタン燃料の直接改質発電を世界で初めて実証 - ポイントメタンなどの炭化水素燃料を直接改質して利用できる機能性触媒層を付加ナノメートルサイズのセリア触媒を用いて 450 o C の低温でメタン燃料の直接改質発電を実証低温で作動する固体酸化物形燃料電池システムの小型化簡便化が可能に平成 23 年 1 月 18 日中日新聞 (7 面 ) 等空気極電解質燃料極管触媒層 ( 内壁 ) 内壁へのスラリーコーティングにより機能性触媒層を付与炭化水素燃料ナノセリア膜多燃料利用による次世代自動車用高効率レンジエクステンダや移動体向けの小型電源へ 22

23 電極への機能触媒付与による燃料利用率の向上最大発電効率 - max o o C o o o C 機能層なし 0.1 燃料極機能層電力密度, W cm -2 電力密度 W/cm 2 23

24 機能層付与による炭化水素燃料直接利用の検討通常のシステム新規提案システム炭化水素燃料改質反応器 SOFC スタック炭化水素燃料 SOFC スタックシステムの小型化低コスト化空気極 Cathode 集電電極電解質 Electrolyte 燃料極 Anode tube 平板型 SOFC では燃料極集電 = 電極表面改質層 Functional layer 空気極燃料極 * 導電性の低い改質層 ( 触媒機能層 ) 付与が不可電解質 ( 酸化物イオン伝導体 ) Hydrocarbon Fuel 炭化水素燃料極集電 =チューブ端外壁改質層 = 炭化水素改質用途 24

25 マイクロフラットチューブ型 SOFC モジュール開発燃料マニホールド付きマイクロフラットチューブ型 SOFC 外観 10W クラステストモジュール外観 1 ユニットの大面積化に成功新規スタック / モジュール構造の開発集電をフラットチューブ側面に設けることで長さ方向の制限がなくなる + - Manifold Fuel interconnect 25

26 ポータブル電源 ( 長時間長時間 ) 小型 & 長時間 ( 低騒音 ) 電源として米国では主にベンチャー等で開発 ( W) => 非常電源 SOFC: メリット > 小型高効率長寿命多燃料対応システム簡易耐久性信頼性検討は今後の課題 AIST プロトタイプ試作機 2009 年 ( 数十 W 級 ) Kerosene Fuel Tank Air Blower Air Filter Fuel Pump Insulated Zone: Stack + Balance of Plant Heat Recuperator Tail-Gas Combustor CPOX Reformer stack 灯油を使用した Palm Power システム出所 :ITN Energy Systems 26

27 次世代高効率電源 (SOFC 活用 ) SOFC 50W SOFC 200W 可搬型ガスエンジン発電機連続運転時間 * 52 h 13 h 2.2 h(225w 出力 ) 発電効率 40 % 40 % 7.3~15 % * カセットボンベ 2 本利用急速起動や低温での多燃料利長時間発電が可能な小型電源用が可能なセルモジュール 27

28 自動車用 SOFC ハイブリット技術 SOFC 発電モジュール 2015 年電気効率 60% 熱交換器 =>SOFC 制御システム電池効率 30% サーマルマネージメント ( 断熱熱移動熱制御 ) 2030 年発電機 ( オルタネータ ) SOFC 発電モジュール 2020 年エンジン ( 内燃機関 ) 熱電気熱電気全固体電池次世代型電源レンジエクステンダ (SOFC>> エンジン ) => 超小型間欠起動耐久性エンジン / 起動装置 + ポンプ熱電動自動車セラミック電池 (SOFC+ 全固体電池 )/ エンジン高効率ポータブル電源 (SOFC> エンジン ) => 小型急速起動 / 効率運転コジェネレーション技術 (SOFC< エンジン ) => 急速起動 / ハイブリット運転 28

29 今後の展開次世代 SOFC SOFC これまでに無いコンパクトな高効率発電機 ( 低温急速起動停止 ) を利用する可搬型ハイブリット電源等への適応が期待高度なセラミック製造プロセス技術の適用を図ることで 650 以下の低温領域で作動可能なサブミリ径チューブ集積型ミクロハニカム型のマイクロ SOFC ユニットを実現 ( キューブ出力 3W/cm 3 ( 作動温度 550 ) スタックモジュール化 ) マイクロセラミック部材集積化技術の開発により革新的な電気化学リアクターモジュールが実現しマイクロ SOFC の自動車補助電源家庭用分散電源やポータブル移動機器用電源等への幅広い応用に向け道を拓くものと期待今後の課題としてスタックモジュール化検討を進め小型高効率化のみならずモジュールとしての熱制御やシステム構成検討によりプロトタイプにおける基本的な作動特性の実証を進めさらに安定性向上や多燃料対応等を図る * 本成果の一部は NEDO プロジェクトセラミックリアクター開発 ( ) の中で産学官連携にて進められました 29

開発の社会的背景燃料電池は高い発電効率が実現でき地球温暖化の原因の 1 つといわれる CO 2 発生量を大幅に削減する技術としてさまざまな方式のものが開発されているそのなかでも最も効率が高い燃料電池はセラミックス部材から構成される固体酸化物形燃料電池 (SOFC) である SOFC はほかの

開発の社会的背景燃料電池は高い発電効率が実現でき地球温暖化の原因の 1 つといわれる CO 2 発生量を大幅に削減する技術としてさまざまな方式のものが開発されているそのなかでも最も効率が高い燃料電池はセラミックス部材から構成される固体酸化物形燃料電池 (SOFC) である SOFC はほかのマイクロチューブ型固体酸化物形燃料電池 (SOFC) を集積したコンパクトで低温運転可能な燃料電池モジュールを開発 - 自動車用補助電源や家庭用定置電源への適用に期待 - 平成 21 年 9 月 10 日独立行政法人産業技術総合研究所ファインセラミックス技術研究組合日本特殊陶業株式会社東邦ガス株式会社ポイントマイクロチューブ型 SOFC を高集積した 50-200 W 級のプロトタイプモジュールを開発