特許マップ ( 燃料電池分野 ) 技術の全体概要燃料電池は 水素と酸素を常温または高温環境下で供給 反応させ この化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換し 継続的に電力を発生させる発電装置である 原料に 水素 と 酸素 を用い 化学反応によって生成される物質が 水 であることから クリーンな発電システムとして注目されている 燃料電池は電気化学反応と電解質の種類により 以下に示すようなタイプに分類される (1) アルカリ電解質形燃料電池 (AFC:Alkaline Fuel Cell) (2) リン酸形燃料電池 (PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell) (3) 溶融炭酸塩形燃料電池 (MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell) (4) 固体酸化物形燃料電池 (SOFC:Solid Oxide Fuel Cell) (5) 固体高分子形燃料電池 (PEFC, PEMFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) (6) 直接形メタノール燃料電池 (DMFC:Direct Methanol Fuel Cell) (7) バイオ燃料電池 (MFC:Mediator-less Fuel Cell) (8) 直接蟻酸形燃料電池 (DFAFC:Direct Formic Acid Fuel Cell) これら燃料電池のうち 主な燃料電池の種類と特徴を表 1にまとめる 表 1 各種燃料電池とその種類 形式 アルカリ形 (AFC) 低温型固体高分子形 (PEFC) リン酸形 (PAFC) 溶融炭酸塩形 (MCFC) 高温型 固体酸化物形 (SOFC) 電極材 触媒 ( アノード ) 銀網 PTFE 貴金属 (Pt, Pd) 担持 多孔質 Ni-Cr 焼結体 Ni-(ZrO 2 -Y 2 O 3 ) 安定化ジルコニアサーメット 燃料純水素 (CO 2 除去 ) 改質水素 (CO 除去 ) 改質水素改質水素 ( 石炭ガス ) 改質水素 電解質 KOH 水溶液 ( アスベストなどに含浸 ) 高分子膜 ( 陽イオン交換膜 ) 濃厚 H 3 PO 4 (SiC 等に含浸 ) 溶融炭酸塩 (Li 2 CO 3 -K 2 CO 3 ) (LiAlO 2 に含浸 ) 安定化ジルコニア (ZrO 2 -Y 2 O 3 薄膜 ) 移動イオン OH - H + ( 含水 ) H + 2- CO 3 O 2- 酸化剤 O 2 空気(CO 2 除去 ) O 2 空気 空気 空気 +CO 2 空気 電極材 触媒 ( カソード ) 金網 PTFE 貴金属 (Pt, Pd) 担持 多孔質 NiO(Li) La(Sr, Ca)MnO 3 作動温度 RT~230 RT~100 約 200 約 650 800~1000 発電効率 ~70 % 30~60 % 36~45 % 45~60 % 50~60 % 排熱形態 温水 温水 温水 蒸気 蒸気 蒸気 総合効率 (LHV) 80~90 % 70~80 % 70~80 % 70~80 % 70~80 % 燃料中 CO 許容濃度 <10 ppm <10 ppm <1 % OK OK 特徴 低温動作でも高発電効率 電極材料の選択性大 ( 電解液の腐食性小 ) CO 2 による電解液の改質に課題 貴金属触媒が必要 セル構成が単純 低温動作でも高発電効率 瞬時応答 電流密度大 CO 2 含有燃料も使用可能 電解質膜の水分管理が必要 貴金属触媒が必要 排熱を給湯 冷暖房に利用可能 CO 2 含有燃料も使用可能 貴金属触媒が必要 高発電効率 電流密度大 燃料の内部改質が可能 排熱の質が高い 貴金属触媒が不要 高発電効率 電流密度大 燃料の内部改質が可能 排熱の質が高い 貴金属触媒が不要 用途 宇宙 軍事用海底作業船 電気自動車家庭用携帯機器宇宙 軍事用 オンサイト発電 大規模発電 ( 火力発電代替 ) オンサイト発電 大規模発電 ( 火力発電代替 ) 分散設置型発電 各種燃料電池のうち いくつかのタイプが開発 実用化されているが 低い運転温度 (80~100 ) で発電できる固体高分子形燃料電池 (PEFC) が現在最も注目されている PEFC の基本構造は図 1に示すとおりであり PEFC は燃料極 酸素極 電解質層から構成されており
電解質層に強酸性の電解質水溶液を含む固体高分子膜 ( 陽イオン交換膜 ) が使用されていることから 固体高分子形 と呼ばれている 燃料極に水素ガス 酸素極に酸素ガスを導入すると 各電極では次の ような反応が起こり 全体としては水 ( 水蒸気 ) が生成される反応 (H2+1/2O2 H2O) が起こる 燃料極 ( 負極 ):H2 2H + +2e - 酸素極 ( 正極 ): 1/2O2+2H + +2e - H2O 燃料極で生成されるプロトン (H + ) は固体高分子膜中を拡散して酸素極側に移動し 酸素 (O2) と反応して生成された水 (H2O) は酸素極側から排出される PEFCのスタック構造例を図 2に示す PEFCは 高分子電解質膜 多孔質支持層と触媒層を接合させた燃料極 空気極電極 ( 触媒電極 ) セパレーターにより構成されるが 高分子電解質膜と触媒電極を一体化させたMEA( 膜 電極接合体 ) が重要な役割を果たす MEAは高分子電解質膜の両面に触媒電極が接した構造になっており 高い触媒利用率 耐久性 耐 CO 被毒性などが要求される PEFCには 電池構成が単純である 低温動作でも発電効率が高い 出力密度が高い CO2 含有燃料ガスも使用可能などの特長があり 車載用動力源 定置用コージェネレーションシステムとしての家庭用発電装置 コンピューター 携帯電話などの電子機器用小型電源 非常用電源としての用途が期待されている 図 1 PEFC の基本構造 図 2 燃料電池セルの主要部品構成 2-3
主要な技術要素 PEFC を例にとると 燃料電池セルは ガスケット MEA セパレーター で構成されており MEA をさらに部材展開すると 電解質 電極 触媒 で構成されている これら構成部品のうち 電極 触媒 電解質 の低コスト化と性能向上が主要な技術課題となっており 燃料電池を実用化する上での主要な技術要素といえる 電極 電極を構成する多孔質支持層 ( 図 1に示すガス拡散層 ) は 電池反応を起こす場所を提供すると同時に集電体の役割を果たす そのため 適当な多孔度 機械的強度 ガス耐性 電解質耐性を有し 良電子伝導体であることが要求される PEFCの多孔質支持層には酸化 還元に対して高い安定性を示すC( 炭素 ) が使用されているが 水蒸気 (H2O) の存在によりCOまたはCO2を生成するため 酸化による劣化が課題になっている しかし この酸化 劣化に対して 材料面からの抜本的な抑制対策はなされていない 触媒 前述した燃料電池の反応 (H2+1/2O2 H2O) 起こさせるためには触媒が必要であり 燃料極 酸素極にはそれぞれ触媒層が設けられている 触媒には 触媒活性 使用環境での安定性 電子伝導性 が求められるため 触媒材料として現状はPtが使用されている しかしながら Ptは高価であり 資源枯渇の心配もあり 耐久性の点でも十分な触媒材料とはいえない そのため 低コストで触媒活性 耐久性に優れる触媒材料の実現が切望されている セパレーター セパレーターは 燃料電池セル同士を区切る導電性平板で 一対のセパレーター間には発電に必要な電解質膜 電極等が納められている 平板セパレーター以外に セルで発生する熱を冷却 熱回収するための内部冷却水管構造のセパレーターもある PEFC では 平滑な平板セパレーターで挟まれたセルと 内部冷却水管構造セパレーターで挟まれたセルで構成され 積み重ねられている 同セパレーターは 各燃料電池の冷却 熱回収仕様により一定間隔で組み込まれており 燃料電池の各セルを仕切っているため セパレーター ( 隔壁板 ) と呼ばれているが 水素と空気がイオン交換膜の全面にわたって一様に接触して流れるようにする重要な役割を担っている セパレーターは発生した電流を隣のセルに流す役割も担っており 電気抵抗が小さいことが要求される また使用環境が強酸雰囲気になるため 高耐食性が求められる セパレーターには炭素材料 金属材料が用いられているが 炭素系は電解質膜や触媒を劣化させる金属イオンの溶出がなく 金属系に比べて比重が 1/5 と軽いという利点があるが 薄肉化が困難で価格が高いという欠点もある 金属系はステンレス鋼やチタンが使用されているが 前者は耐食性に課題があり 後者はコストに課題がある 現状はいずれの材料にも課題があり 材料選定の決め手を欠いている状況にある 技術開発のトレンド近畿圏の大学が特許出願している燃料電池分野の技術シーズに対して 電池タイプの観点でマップ化した結果 ( バブルチャート ) を図 3に示す 図 3において バブルの大きさは特許出願件数の多さを表して
いる 種々のタイプの燃料電池が存在する中で PEFC を対象にした研究開発が圧倒的に多く 燃料電池分野の研究開発を行っている近畿圏の大学のほとんどが PEFC を対象に研究開発を進めていることがわかる これは PEFC が燃料電池の中で実用化 普及が最も期待されるタイプの燃料電池であるためであり その意味で世の中全体の研究開発トレンドに沿っているといえる ただし PEFC に比べて発電効率が高く 家庭用燃料電池 エネファーム :Ene Farm にも採用されるに至った SOFC を対象とした研究開発は予想以上に少ない その他のタイプでは AFC DMFC MFC を対象とした研究開発も行われているが 実施している研究グループは限られている AFC に関しては 京都大学 ( 安部武志教授 ) のグループが 電極材料 や アルカリ導電性電解質 の研究開発 DMFC に関しては 大阪府立大学 ( 井上博史教授 ) のグループが Pt-Sn 系触媒 京都大学 ( 安部武志教授 ) のグループが MEA の構造設計 の研究開発を行っている程度である MFC に関しては 京都大学 ( 辻村助教 ) の研究グループが 酵素を利用した電極触媒 の研究開発を行っている 一方 燃料電池そのものではないが 燃料電池に係わる水素インフラに関して 水素改質 水素貯蔵材料 の研究開発も行われている 図 3 近畿圏の大学が出願している特許の対象燃料電池タイプ 燃料電池分野において 近畿圏の大学が特許出願している技術シーズを技術分類でマップ化した結果 ( バブルチャート ) を図 4に示す 特許出願されている技術内容を 電解質 電極 触媒 セパレーター その他 に分類しているが 触媒電極に関する技術シーズが圧倒的に多く セパレーターに関する技術シーズは見当たらなかった 電解質に関しては PEFC の固体高分子膜電解質膜および電解質膜補強材 SOFC の溶融塩電解質を対象にした研究開発が行われている 2-4
電極に関しては PEFC の電極構造 SOFC のカソード ( 燃料極 ) AFC の電極材料 MFC の電極材料を対象にした研究開発が行われている 触媒に関しては 貴金属系 金属系 非金属系 のうち貴金属系触媒に関するものが多い この理由は現時点で Pt 系触媒に替わる高性能触媒が見出されていないためと推察される 貴金属系触媒の主な材料は PEFC 用の Pt 系触媒であり Pt ナノ粒子の製法や電極材料 ( 炭素系材料 ) への担持方法に関する研究開発が多い また Pt コアシェル触媒に関する研究開発例も多い Pt コアシェル触媒は Pt 量を削減することにより触媒のコスト軽減を目的に研究が始められたが 結果として Pt コアシェル触媒の効果は従来の Pt 触媒に比べて触媒性能が高いことにあり Pt 使用量は低減できるものの 製法の複雑さを考慮すると 低コスト化が実現できるかは不透明な状況にある 非 Pt 系触媒では カーボン 60 を使用した触媒 バイオマスを使用した触媒 オキソポルフィリン系有機物を使用した触媒 などの研究開発が行われているが 触媒性能 ( 酸化還元反応活性 ) はまだ Pt 系触媒には及ばない状況にある セパレーターに関しては 関連する技術開発は行われていない セパレーターは燃料電池の性能を左右する重要な構成部材であり 技術課題も多く存在するが 近畿圏の大学では実施されていない この理由として 炭素系セパレーターの開発を大手化学メーカーが実施している 金属系セパレーターの開発を大手金属メーカーが実施している 燃料電池分野の大学研究者が材料学の知識を持ち合わせていないことなどが原因と推察される その他に関しては 前述した 水素改質 水素貯蔵材料 以外に 電極構造設計 セル構造設計に係わる研究開発も行われている さらに セル構造設計の一環として 燃料電池の 可視化計測技術 シミュレーション技術 などの計測評価技術の研究も行われている 図 4 近畿圏の大学が特許出願している技術シーズマップ ( 大学別 )
以上 近畿圏の大学が実施している燃料電池分野の技術開発動向を総括すると 燃料電池のタイプとし て PEFC に特化した研究開発が行われているが その技術分類では触媒材料が多く 世の中の技術開発 トレンドと合致した方向で研究開発が進められていると結論づけられる 中小企業に適した開発領域燃料電池 (PEFC) の主要な技術要素のうち 触媒 セパレーター は中小企業に適した開発領域および事業領域であると考えられる 燃料電池の 電極 は量産においても生産量がそれほど多くなく 現状の世界トップシェアを田中貴金属工業が有していることを考慮すると 中小企業で事業化の可能な製品であるといえる 事業化には開発要素を伴うが 触媒メーカー 電極材料メーカー 貴金属メーカーなどが大学と共同研究を行い 実用化することが望ましい 燃料電池の セパレーター については 近畿圏の大学は技術シーズを保有していないが 特に金属系セパレーターは低コスト化が強く求められており 流路加工のための金型プレス加工 導電性および耐食性確保のための表面処理 などは中小企業 ( 金属加工 表面処理メーカー ) に適していると考えられる その他 可視化計測などの計測評価も中小企業に適していると考えられる 以上 中小企業に適した開発領域を技術シーズマップ ( 特許マップ ) に図示すると 図 5に示すようになる 図 5 技術シーズマップにおいて中小企業に適する開発領域 以上 2-5