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
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
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
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
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
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
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
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 90 160 200 600-700 800 1000 ( 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
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
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
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 (%) 40 30 20 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) 0.01 0.1 1 10 100 1000 システム規模 (kw) 11
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
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
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) 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 0.1 0.01 チューブ径 (mm) 2000 1500 1000 500 圧力損失 (Pa) モジュールの小型 高性能化 14
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 ) -1-2 -3-4 -5 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 800 500 0.8 1.0 1.2 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 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
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
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
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 % 80 70 60 50 40 30 20 10 0 燃料極 電解質 1300 以下で電解質緻密化を達成 1000 1100 1200 1300 1400 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
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 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Cell C 600 o C Cell B 0.0 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 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 600 o C 550 o C 0.5 0.4 0.4 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Current density, A cm -2 YSZ でも低温化が可能 0.3 0.2 0.1 Power density, W cm -2 19
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 ) 450 550 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
発電効率と発電密度の関係 500 台の発電性能 0.8 1.2 1.1 (a) 0.20 Maximum efficiency- max 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 600 o C 650 o C 700 o C 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Power density, W cm -2 1250 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 2 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 500 o C 0.4 0.00 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Current density, Acm -2 550 o C -6-4 (b) 500 o C -2 550 o C 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Z', Ohm cm 2 500 域での発電性能向上にはガス拡散抵抗の改善が有効 0.15 0.10 0.05 Power density, Wcm -2 21
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
電極への機能触媒付与による燃料利用率の向上 0.8 0.8 最大発電効率 - max 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 @700 o C @650 o C 機能層あり @700 o C @650 o C @750 o C 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 機能層なし 0.1 燃料極 機能層 0.0 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 電力密度, W cm -2 電力密度 W/cm 2 23
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
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
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 ( 50 200 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
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
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
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 (2005-2010) の中で産学官連携にて進められました 29