2016.6.27 東京都水素社会の実現に向けた東京推進会議 水素エネルギーと自動車 ( エネルギー密度の視点とメタノールという選択肢について ) 首都大学東京大学院理工学研究科機械工学専攻エネルギー環境システム研究室教授首藤登志夫
自動車における自然エネルギー利用 ( 簡略版 ) 太陽光などの自然エネルギー 電気エネルギー 水素 EV で利用 FCV 等で利用 ( 航続距離の点で有利 ) 液体燃料を合成して自動車で利用輸送用エネルギーキャリアとして利用 液体バイオ燃料 ( エタノール,BDF) を製造して自動車で利用
自動車におけるエネルギー利用の選択肢 石油 LPG 天然ガス 石炭等自然エネルギー原子力 電気エタノール BDF 水素 電気自動車 FT 軽油 DME FT ガソリンメタノールアンモニア 水素燃料電池自動車 CIエンジン自動車 (HEVを含む) SIエンジン自動車直接型燃料電池自動車 (HEVを含む) 改質型燃料電池自動車改質型 SIエンジン自動車 (HEVを含む) 改質型 HCCIエンジン自動車 (HEVを含む)
主なエネルギーキャリアのエネルギー密度と自動車用途の例 エネルギーキャリア 体積エネルギー密度 自動車用途 気体水素 11 MJ/m 3 (293K, 0.1MPa) 鉛バッテリー 288 MJ/m 3 (80Wh/L) 小型 EV Liイオンバッテリー 1800 MJ/m 3 (500Wh/L) EV 圧縮水素 5077 MJ/m 3 (293K, 70MPa) FCV CNG(CH 4 ) 8120 MJ/m 3 (293K, 20MPa) ( トラック等 ) 液体水素 8517 MJ/m 3 (20K, 0.1MPa) (FCV 等 ) メタノール 15759 MJ/m 3 ( 乗用車等 ) DME 19230 MJ/m 3 (293K, 0.6MPa) ( トラック等 ) エタノール 20200 MJ/m 3 ( 乗用車等 ) LPG(C 3 H 8 +C 4 H 10 ) 24400 MJ/m 3 (293K, 0.8MPa) タクシー BDF(FAME) 32400 MJ/m 3 ( トラック等 ) ガソリン 34500 MJ/m 3 乗用車 軽油 36300 MJ/m 3 トラック バス
メタノール利用の利点 特徴と課題 利点 特徴 海外の再エネを日本に輸入する際, 液体水素の約 2 倍のエネルギー密度で輸送できる. 自動車エネルギーキャリアとして見ると, エネルギー密度の高さは航続距離の点で有利. 非常時の燃料として見ると, 高いエネルギー密度で安定して備蓄できることは利点. メタノールからの水素生成も容易. その際に未利用の低温排熱の有効利用が可能. 燃料電池やエンジンでの直接利用の他, 車上で水素を生成して利用することも可能. 課題 直接メタノール燃料電池(DMFC) は水素燃料電池よりも出力が低い. DMFCの出力向上が求められる. メタノールの利用時にCO2が生成する( ただし, 石油系燃料と比べると少ない ). 例えば再エネ水素と大気中 CO2を利用したメタノール合成は理想的. メタノールの毒性. 一般ユーザーが安全に取扱える体制が必要.
メタノール利用システムの例 水素の製造化学反応によるメタノールからの水素生成電気分解によるメタノールからの水素生成 車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン排熱回収メタノール改質式 HCCI 燃焼エンジン メタノールを直接利用するシステムメタノールをガソリンのように直接利用するエンジンメタノールを直接燃料とする燃料電池 (DMFC) ( 水素燃料電池と比べて劣る発電出力の向上が課題 )
金属多孔体を用いた全面供給型の反応物流路の例 T. Shudo, K. Suzuki, Int. J. of Hydrogen Energy, Vol.33, No.11, (2008). T. Shudo, Fuel Cell, Vol.7, No.3, pp.139-142, (2008). T. Shudo, S. Naganuma, Proc. 28th Hydrogen Energy System Society, B20, (2008). S. Naganuma, T. Shudo, Proc. 47th Combustion Symposium, (2009). T. Shudo, Fuel Cell, Vol.9, No.2, pp.8-10, (2009). T. Shudo, S. Naganuma, Proc. JSME Power and Energy Symp., (2009). T. Shudo, Fuel Cell, Vol.8, No.4, pp.61-65, (2009). T. Shudo, S. Naganuma, K. Oyabu, Proc. JSME Power and Energy Symp., D205, pp.389-390, (2010). T. Shudo, Y. Takahashi, Proc. Japan Society of Automotive Engineers, No.111-10, pp.1-4, (2010). Y. Takahsashi, T. Shudo, Proc. 30th Hydrogen Energy System Society,, A10, pp.37-40, (2010).
金属多孔体球を用いた全面供給型流路による DMFC の発電出力向上 Cell voltage [V] Power density [W/cm 2 ] 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.15 0.10 0.05 0 0 Groove Cell temperature: 333K Anode feed: 10cc/min Cathode feed: 1000cc/min Porous (SMP) Both electrodes Cathode only 0.2 0.4 0.6 Current density [A/cm 2 ] Anode only -jx [m ] 50 40 30 20 10 Z = R + jx Porous (SMP) Cell temperature: 333K Anode feed: 10cc/min Cathode feed: 1000cc/min Current density: 0.2A/cm 2 Groove 0 0 10 20 30 40 50 60 70 6e - CH 3 OH + H 2 O anode R [m ] 6e - CO 6H + 2 6H + 3/2O 2 cathode membrane 3H 2 O
メタノール利用システムの例 水素の製造化学反応によるメタノールからの水素生成電気分解によるメタノールからの水素生成 ( 理論電解電圧が低く, 高効率の水素生成が可能 ) 車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン排熱回収メタノール改質式 HCCI 燃焼エンジン メタノールを直接利用するシステムメタノールをガソリンのように直接利用するエンジンメタノールを直接燃料とする燃料電池 (DMFC)
メタノールの電気分解による水素生成 6e - 6e - CO 2 6H + 6H + 3H 2 CH 3 OH + H 2 O Current density [A/cm 2 ] 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 MeOH (13.2wt%) Anode feed : 10cc/min Cell temp.: 298 K Groove flow fields H 2 O anode cathode membrane Theoretical electrolysis voltage Water Ethanol (aq. solution) Methanol (aq. solution) 1.235V 0.084V 0.016V メタノールは水に比べて大幅に低い電圧で電気分解可能. 高効率の水素生成が可能. Energy efficiency [%] 0 0.5 1 1.5 2 Cell voltage [V] 95 90 85 80 75 エネルギー変換効率 90% Cell temp.: 333K 303K 70 0.05 0.10 0.15 0.20 Current density [A/cm 2 ]
メタノール利用システムの例 水素の製造化学反応によるメタノールからの水素生成電気分解によるメタノールからの水素生成 車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン ( 燃料電池と比べて劣るエネルギー効率の向上が課題 ) 排熱回収メタノール改質式 HCCI 燃焼エンジン メタノールを直接利用するシステムメタノールをガソリンのように直接利用するエンジンメタノールを直接燃料とする燃料電池 (DMFC)
直接噴射層状給気による水素燃焼の冷却損失低減と効率向上 Q/Q fuel dq/dt kj/s P MPa 2 kw/m q 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1000 800 600 400 200 0 Stratified =1.5 (DI fuel 20%) ( u =0.94) Homogeneous =1.0 ( u =0.92) Stratified =1.5 (DI fuel 20%) ( w =0.34) Homogeneous =1.0 ( w =0.43) 0 10 20 30 40 50 Time after ignition ms i [%] Hydrogen homogeneous combustion =1.0, w =0.43 Hydrogen DI stratified charge =1.5, w =0.34 0.25 0.75 1.25 1.75 2.25 60 50 40 30 Time after ignition u 0.98, 1.4, glh 0.95 0.2 0.3 0.25 0.15 w 0.1 8 10 12 14 16 18 ms w 0.34 (stratified) w 0.43 homogeneous)
メタノール利用システムの例 水素の製造化学反応によるメタノールからの水素生成電気分解によるメタノールからの水素生成 車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン排熱回収メタノール改質式 HCCI 燃焼エンジン ( 高効率の新規燃焼と排熱回収の組合せて高い総合効率 ) メタノールを直接利用するシステムメタノールをガソリンのように直接利用するエンジンメタノールを直接燃料とする燃料電池 (DMFC)
排熱回収メタノール改質式 HCCI エンジン Air HCCI 燃焼 : ガソリンエンジンのような予混合気をディーゼルエンジンのように圧縮着火させる新たな燃焼方式. 高い効率を実現するが, 着火時期制御が困難なため実用化に至っていない. 排熱回収メタノール改質式 HCCI エンジン In. MFC MFC HCCI engine Buffer tank Buffer tank Ex. H 2,CO Reformer for DME MFC DME Reformer for MRG MFC Methanol fuel tank MFC Methanol evaporator CH 3 OH -> 2H 2 + CO ( 吸熱 ) 2CH 3 OH -> CH 3 OCH 3 + H 2 O ( 吸熱 ) Exhaust Engine efficiency i % Heat increase in reforming r % Overall efficiency i r % 50 40 30 20 10 150 140 130 120 110 100 50 40 30 20 SI Compression ratio: 9.7 HCCI calculated for ideal cases 10 0 1 2 3 4 5 Excess air ratio 6 着火性の異なる水素と DME をメタノール改質で生成し, 両者の比率で着火時期を制御. 吸熱反応を利用して排気熱の一部を回収し, 高い総合効率を実現.
2016.6.27 東京都水素社会の実現に向けた東京推進会議 水素エネルギー社会構築推進研究センターの紹介 首都大学東京大学院理工学研究科機械工学専攻エネルギー環境システム研究室教授首藤登志夫
首都大学東京水素エネルギー社会構築推進研究センター 都市環境科学研究科附属の研究センターとして平成 28 年 4 月設立 構成員 部局 職 現在の専門 役割分担 金村聖志 都市環境科学研究科教授 電池 エネルギー化学 研究総括 川上浩良 都市環境科学研究科教授 燃料電池 高分子化学 研究の実施 宍戸哲也 都市環境科学研究科教授 触媒化学 表面化学 研究の実施 内山一美 都市環境科学研究科教授 分析化学 マイクロ化学 研究の実施 久保由治 都市環境科学研究科教授 超分子化学 研究の実施 Yan Mulyana 都市環境科学研究科准教授 錯体化学 研究の実施 宇治公隆 都市環境科学研究科教授 コンクリート工学 研究の実施 須永修通 都市環境科学研究科教授 環境建築学 研究の実施 首藤登志夫 理工学研究科教授 水素エネルギー 自動車 研究の実施 楊明 システムデザイン研究科教授 マイクロデバイス 研究の実施
水素エネルギー社会構築推進研究センターのビジョン