燃料電池の将来展望

（日本技術士会機械部会講演）

燃料電池開発情報センター本　間　琢　也

燃料電池の原理

燃料電池と従来発電プロセスの比較

水蒸気改質プロセス

改質器

ＣＯ変成器

　都市ガス（ＣＨ４８８％、Ｃ２Ｈ６６％、Ｃ３Ｈ８３％，Ｃ４Ｈ１０３％）

　　　　　　

ＣＯ除去器

改質ガス

脱硫器 腐臭剤中の硫黄化合物除去

ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　　　ＣＯ＋３Ｈ２

ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　　　ＣＯ２＋Ｈ２　　

ＣＯ＋１/２Ｏ２　　　ＣＯ２　　　

ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ　　　ＣＯ２＋４Ｈ２

Ｈ２Ｏ

蒸気発生器

空気

ＣＯ濃度

約１０％

約５０００ppm

約１０ppm以下

（Ｔ０＝９６０.７Ｋ）

（Ｔ０＝９８０Ｋ）

（Ｔ０＝９５６Ｋ）

各種改質方式水蒸気改質　ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ　　　ｎＣＯ＋（ｍ/２＋ｎ）Ｈ２－Ｑ

　ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　　　　ＣＯ＋３Ｈ２－２０６ｋＪ/ｍｏｌ

部分酸化改質　ＣｎＨｍ＋ｎ/２Ｏ２　　　ｎＣＯ＋ｍ/２Ｈ２＋Ｑ

　ＣＨ４＋１/２Ｏ２　　　ＣＯ＋２Ｈ２＋３６ｋＪ/ｍｏｌ

Auto-thermal改質（ｘ＝０；水蒸気改質）

　ＣｎＨｍＯｐ＋ｘ（Ｏ２＋３.７６Ｎ２）＋（２ｎ－２Ｘ－ｐ）Ｈ２Ｏ　　　　ｎＣＯ２＋（２ｎ－２ｘ－ｐ＋ｍ/２）Ｈ２＋３.７６ｘＮ２　

化石燃料 核燃料

再生可能

エネルギー

水蒸気改質 高温水熱化学分解

高温水蒸気電気分解

タービン発電

水　素電　気

燃料電池

　水電解

水素製造マップ

燃料電池の特徴

電気化学的反応のため熱機関に比べて低温で高効率

電力と熱を利用できるので総合効率が高い

反応生成物は水で、騒音の発生は無く、環境に優しい

発電スケールに対して制約が無く、分散型電源に最適

定格以下（部分負荷）運転で効率は下がらない

燃料を改質するので、多種類の燃料が使用可能

改質過程で発生するＣＯ２が、電池内で濃縮される

セル構造が微細、化学反応、熱、電気、流体現象が共存

信頼性、耐久性、コスト、安全性に課題

各種燃料電池の比較

KOH/H2O

６０－８０

Ｈ２

Ｏ２/空気

50~60

高分子膜

　　８０

　　Ｈ２/改質ガス

外部

Ｏ２/空気

32~40

セラミックス

８００－１０００

Ｈ２/ＣＯ/ＣＨ４

改質ガス

外部/内部

Ｏ２/空気

45~50

溶融炭酸塩

　　６５０

Ｈ２/ＣＯ/改質ガス

外部/内部

ＣＯ２/Ｏ２/空気

45~55

　Ｈ３ＰＯ４

　　２００

Ｈ２/改質ガス

外部

Ｏ２/空気

36~45

電解質

作動温度（℃）

燃料

改質方式

酸化剤

発電効率（％ＬＨＶ）

　ＡＦＣＰＥＦＣＳＯＦＣＭＣＦＣＰＡＦＣ

By Dr. J. Brouwer, November 18, 2002, Palm Springs

Anode and Cathode Reaction

低温型各種燃料電池の特徴

多孔質炭素　　　Pt

多孔質炭素　　　Pt

多孔質炭素　　　Pt

カソード

触媒

多孔質炭素　　　Pt　

多孔質炭素　　Pt/Ru

多孔質炭素　　Pt/Ru

アノード

触媒

　　２００℃　　８０℃　　８０℃　作動温度

　　　H+　　H+　　　H+電荷担体

　SiC/リン酸スルフォン　酸膜

　スルフォン　酸膜

電解質の材料

　　PAFC　　PEFC　　DMFC種　　　　類

高温型各種燃料電池の特徴

多孔質LSM板　多孔質NiO板カソード/触媒

　Ni/YSZサーメット　　多孔質Ni板アノード/触媒

　　　１,０００℃　　　６５０℃作動温度

　　　　　O2-　　　　CO32-電荷担体

　　ZrO2（Y2O3)　LiAlO2/LiNaO3電解質の材料

　　　　SOFC　　　MCFC種　　類

集電体

H2+H2O O2(air)

イオン交換膜

カソード

集電体ウイック

冷却水H2O冷却水

アノード

H+

xH2O

PEFCの原理

E.T.Dupont De Nemiours and Co. Inc.Nafion 膜ペルフルオロスルホン酸ポリマー膜Perfluorosulphonic acid polymer Membrane

－[(CF2CF2)mCFCF2]n－

O

CF2

CFCF3

O

CF2CF2SO3-－H+・xH2O

k

水和プロトン

スルホン酸基

燃料電池自動車の実用化に於ける問題点

PEFCの高出力密度化による小型軽量化の実現

起動時間が短く負荷変動に対する応答性が速い

高い信頼性と適当な耐久性

コストの削減（目標値＄５０/kW）

燃料の選択と燃料供給インフラの整備

1)純水素、2)メタノール、3)ガソリン

自動車の大きさと種類による燃料の選択

1)路線バス、2)普通自動車、3)特殊自動車

車載可能なコンパクトな改質器の開発

ハイブリッド型燃料電池動力システムの設計

実用化のための実証期間と普及の時期

自動車会社による世界的連合の形成と開発戦略

60Lの各種燃料から得られる水素の量

1311.1圧縮水素ガス（２０ＭＰａ）

41204.3液体水素

923047メタノール

1432027ＬＮＧ

1336030ＬＰＧ

2047045ガソリン

2252050軽　油

最大H2量

　(kg)発熱量ＬＨＶ(103kcal)

重 量

(kg)　　燃　　料

出展；日石三菱

１次エネルギーからの変換効率

• プロセス　　　　　　　　 　　変換効率

• 天然ガスから水素　　　　　　84.4%• 天然ガスからメタノール　　　67.4%• 原油からガソリン　　　　　　　95%• 水素ガスの圧縮 15%• (5,000psi;340atm) (of H2 energy) • トラック輸送のエネルギー　　1%

40*60*68*ＦＣ・蓄電池ハイブリッド高圧水素ガス

（将来の目標）

295058ＦＣ・蓄電池ハイブリッド高圧水素ガス

223858ＦＣ高圧水素ガス

263088ＩＣＥ・蓄電池ハイブリッド

141688現状のＩＣＥガソリン

総合効率Well to Wheel

(%)

車両効率Tank to Wheel

　（％）

燃料効率Well to Tank

（％）自動車の種類

出展；渡辺（トヨタ自動車）JEVA FORRUM 2001

総合効率(Well-To-Wheel)

DMFCの動作原理

DMFCのVI特性