当研究室で取り組んでいる研究テーマの紹介です。


研究活動

[Get Picture]

研究テーマ

テーマ名をクリックすると概要が表示されます。

エネルギー材料系

  • パルス静電応力法を用いた無機絶縁材料の空間電荷挙動の測定手法の開発

      Development of space charge movement technique for inorganic insulation materials using Pulsed Electro-Acoustic method

       近年、化石燃料の枯渇問題からエネルギー資源の高効率利用が望まれており、燃料電池システムが注目されている。その中でも固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell :SOFC)は600-1000℃という高温で作動するため、燃料の内部改質が可能であり、発電効率が高いといった利点がある。SOFCの絶縁部には無機材料が利用されているが、高温や直流高電圧、還元雰囲気などの環境下にあるために、電気絶縁材料の劣化やそれに伴う周辺機器への影響が懸念されている。SOFCの普及拡大には絶縁信頼性の向上が必要不可欠となっている。絶縁体に直流電圧を印加することで材料内に空間電荷が蓄積し、絶縁破壊を誘発することが知られている。しかし、空間電荷の蓄積が無機材料に及ぼす影響は解明されていない。そこで本研究では、高分子材料の空間電荷分布測定を行うために開発されたパルス静電応力(Pulsed Electro Acoustic :PEA )法を無機材料での測定に適応させ、空間電荷挙動が絶縁特性に与える影響を調査する。無機材料の空間電荷測定において本来測定できるはずの誘導電荷が見られないといった問題が存在する。絶縁材料の結晶構造および電気特性などの面からこのメカニズムの解明をはかり、従来のPEA法をもとに無機材料に適した測定手法の開発を行う。

  • 高温水素雰囲気における連続直流課電時の酸化物系無機材料の絶縁特性

       近年、化石燃料の枯渇が問題となっており、新エネルギー技術が注目されている。その中で高温作動である固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)は燃料の内部改質が可能であり、排熱利用による複合化で総合効率を高められることから、大規模発電システムとして開発が進められている。しかし、600-1000℃という高温で作動するため、構成材料の劣化やそれに伴う機器の故障が懸念されている。特に電気絶縁材料の劣化は機器の重大な故障につながる可能性がある。SOFCの普及拡大・長期運転のためには、耐久性の向上が求められており、絶縁技術の確立が必要不可欠である。

       SOFCの主絶縁には無機材料が使用され、それらは600-1000℃の高温、水素雰囲気といった特殊な環境にある。また、無機材料はガスシール機能を兼ねていることから、水素のリークによる燃焼反応の熱及び火炎に曝される可能性もある。このような環境での無機材料の絶縁特性の研究はほとんどされていない。そこで本研究では、アルミナ・マグネシアを対象とし、高温水素雰囲気における連続直流課電時の絶縁特性を調査する。

  • PLD法によるSOFC用ナノコンポジット薄膜電極の性能評価

       エネルギー資源の枯渇や高騰などが問題視されている背景から、発電効率と燃料利用率の高い燃料電池が注目されている。その一種である固体酸化物形燃料電池(SOFC)は作動温度が700-1000℃と高いため、燃料電池の中でも高い発電効率を有しており、現在も研究・開発が進められている。SOFCの過電圧の半数程度はカソード過電圧によるもので、作動温度を低くするとその割合がますます高くなると報告されている。耐久性の向上や使用可能な材料の拡大といった観点から、SOFCの低温作動化に関する研究が盛んに行われている中、さらなる発電性能の向上にはカソード過電圧の抑制が必要不可欠である。

       本研究では、パルスレーザー堆積(PLD)法を用いてSOFC用のナノコンポジット薄膜電極を作製し、性能評価を行う。ナノコンポジット薄膜電極とはカソードと電解質を合わせた薄膜カソードで、お互いに規則正しく柱状に配列させることで反応場を増やし、過電圧を抑制することができる。具体的な手法として、カソード・電解質材料の混ざった試料にレーザーを照射して昇華し、対向している基板上に薄膜を堆積する。作製した薄膜の表面や断面、結晶構造、組成を観察し、ナノコンポジットが形成されているかの確認をした後、実際に単セルを製作して電極の特性を調べる。

  • 高温水蒸気電気分解向け固体電解質中における溶解プロトンの伝導特性と生成水素純度との関係性

       古くは化学製品製造時の原料として、金属鉱石還元時の還元剤として、超電導状態時の冷却材として、また近年導入が進められている自動車用・家庭用の燃料電池の燃料として、水素は極めて多様な用途を持つ。更には、再生可能エネルギーを貯蔵し輸送する技術の一つとしても期待されている。これに伴い高効率で高純度な水素製造法に関する研究が行われており、高温水蒸気電気分解法に注目が集まっている。この方法は生成ガスの分離操作が必要無く、一つのプロセスで高純度な水素を製造することが可能となる。また、常温での水の電気分解と比べて反応速度が速く、尚且つ熱力学的に低い電圧で水素製造が可能である。

       高温水蒸気電気分解はおよそ600℃から1000℃までの高温域で作動するため電解質には固体のものが用いられる。固体電解質には大きく分けて、プロトン伝導性を示すものと酸素イオン伝導性を示すものがある。高純度水素製造にはプロトン伝導性固体電解質が適しており、理論上は純度100%の水素の製造が可能である。しかし、実際はプロトンの伝導が電解質雰囲気に影響され生成水素純度が低下する。そこで、本研究では雰囲気とプロトン伝導度そして生成水素純度の三つの関係を解明する。

  • 小規模アンモニア合成のためのRu担持触媒開発

      Development of Ru supported catalyst for small-scale ammonia synthesis

      現在、化石燃料の枯渇が社会問題となっている。そこで様々な代替エネルギーが提案されているが、その1つである風力発電などで生産した電力、すなわち再生可能エネルギーを利用し、水電解により水素を発生させ、アンモニアに変換することで貯蔵・輸送を行う一連のプロセスに注目した。アンモニアは燃焼してもCO2の発生を伴わず、水素と窒素に戻す際の分解反応のエネルギーも他の水素キャリア候補に比べ小さい。有害物質に指定されているが、既に冷凍機の冷媒として使われてきた実績も長い。インフラ・法規も整備されており、しっかりと管理できれば安全性は高い物質である。将来、各地でアンモニア合成を行い、広く利用を促すためには現在のような高温・高圧(500℃・200-350気圧)を必要とする大規模施設ではなく、狭い土地でもアンモニアを生産できるような小規模のアンモニア合成施設を実現する必要がある。高温・高圧条件を緩和することができれば、アンモニア合成の設備は現在より小規模になり得るが、現在主流の鉄触媒では条件の緩和には限界がある。そこで、鉄触媒に変わる新たなアンモニア合成用触媒の開発が必要である。本研究ではより低圧でアンモニア合成を実現するため、低圧でのアンモニア合成活性を期待できるRuを担持した金属触媒の開発を試みる。

水素プロセス系

  • 水素吸蔵合金利用精製装置を適用した燃料電池システムの概念設計と運用シミュレーション

       固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下PEFC)は、排熱回収を考慮した総合効率が約80%と高いことを特徴とする。現在の改質装置を備えた定置型PEFCの燃料は、CO2などの不純物を含む水素であるため負荷変動への対応が悪いため、PEFCの更なる高効率運用に向けては純水素の利用が必要であると考えられている。現在、水素吸蔵合金(Metal Hydride、以下MH)とCO吸着材を用いた水素精製・貯蔵プロセスCOA-MIB(CO Adsorption Metal Hydride Intermediate Buffer)が開発されている。本プロセスは複数のMH塔のスイング運用により、純水素の精製・供給を連続的に行うことが可能である。

       しかし、現在の一定のサイクル時間でMH塔をスイング運用すると、1日の電力需要の変動に対してPEFCへの水素供給が行えない時間帯がある。これに関してはMHの水素放出時間を制御し対応する。また本プロセスで使用するMHは、水素放出時にMHの温度が低下する。PEFCが負荷追従運転するための水素圧を確保するには、温度を60℃程度に保つ必要がある。この熱源にはPEFC排熱を利用するが、十分な熱量を賄えるか確認されていない。

       本研究では、水素精製にCOA-MIBプロセスを適用した燃料電池システムの電力需要の変動に対する制御方策の確立、PEFCの発電・排熱回収試験を通し、電力需要を満たしつつ熱的にも成立するシステムであるかを確認する。その上で本システムの運用シミュレーションを行い、どの規模において既存の発電システムに対して優位であるかを定義することを目的とする。

  • 純水素精製・貯蔵のためのAB2系水素吸蔵合金のCO2被毒耐性向上に向けた組成設計

      Compositional design of AB2-type metal hydride for improvement of CO2 tolerance for hydrogen purification and storage

       化石燃料の枯渇や温室効果ガス削減といった課題に対して固体高分子形燃料電池(PEFC)の有効利用が注目されている。PEFCは純水素供給により高効率発電が可能である。現在は水素インフラが整っていないため、既存の炭化水素インフラに改質装置を利用することで水素をPEFCに供給している。しかし、改質装置利用には以下の様な問題点がある。1. 改質ガスに含まれる不純物によりPEFCの発電効率の低下。2. 改質反応が律速となりPEFCが負荷に追従した発電ができない。これらの問題を解決するための純水素精製・貯蔵システムとしてCOA-MIB(CO Adsorption Metal hydride Intermediate Buffer)法が考案された。COA-MIB法は、CO吸着除去器を用いることで燃料電池の電極触媒の性能低下を招くCOを改質ガスから除去し、水素吸蔵合金(MH)の選択的に水素を吸蔵する性質を利用することで純水素精製・貯蔵とPEFCへの純水素供給を同時に行うことを可能にするシステムである。MHは水素以外の不純物(COやCO2など)によって性能が低下する(被毒する)。COA-MIB法ではMHに水素とCO2の混合ガスが流れるためCO2被毒耐性が求められる。そのため、現在はCO2被毒に強いAB5系のレアアースを用いたMHが使用されている。将来の実用化を考えると、レアアースは単独元素としての分離が困難なため高価、生産地の偏りによる安定供給などの課題がある。そのため本研究では、現在用いられているMHと同等以上のCO2被毒耐性・水素吸蔵特性を持ちレアアースを使用しないMHの開発を目的としている。AB2系のMHは水素吸蔵量がAB5系よりも多いがCO2被毒耐性が低いため、本研究ではこの系の合金のCO2被毒耐性が向上するように組成設計を行う。

  • メチルシクロヘキサン放出水素を適用した固体酸化物形燃料電池に関する電気化学特性の解明

      Study on electrochemical characteristics of solid oxide fuel cell using hydrogen supplied from methylcyclohexane

       メチルシクロヘキサン(Methylcyclohexane: MCH, C7H14)は水素貯蔵密度が高く、常温・常圧で安定的な液体である。また、その性状はガソリンと類似しており、タンカーやタンクなどの既存のインフラ設備を利用することができるメリットがある。これらの特徴から、MCHは水素貯蔵媒体としての利用が検討されている。MCHから高い転化率で水素を放出させるには、300℃付近まで加熱する必要がある。放出された水素にはMCHや水素放出反応時に水素とともに生成されるトルエン(C7H8)などの炭化水素不純物が含まれるといった課題もある。

       これらのMCH放出水素の利用時における課題を補完するために、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)を使った発電を検討している。SOFCは、600-1000℃で作動し、高温排熱をMCHから水素を放出する反応や炭化水素燃料の改質反応へ利用が可能である。しかし、炭化水素をSOFCに供給した場合、発電条件や燃料条件によって燃料極で炭素が析出する。それにより、燃料ガスの拡散抑制や燃料極材料に使用されているニッケル(Ni)の劣化が生じ、発電性能が低下することが知られている。本研究では、MCHから放出される水素中の炭化水素不純物の影響調査として、水素中のトルエンがSOFCの発電特性や材料特性に及ぼす影響を調査することを目的とする。

  • メチルシクロヘキサン放出ガスの水素吸蔵合金による水素精製システムに関する性能評価

      Performance evaluation of hydrogen purification system of methylcyclohexane emission gas using metal hydride

       近年、エネルギー源として水素が注目を集めている。水素の利点として、質量エネルギー密度が高いことや発電時に二酸化炭素を排出しないことなどが挙げられる。しかし、水素は常温で気体であり貯蔵・輸送が困難であるという問題を抱えており、これを解決するため常温・常圧で液体である有機ハイドライドの研究がされている。有機ハイドライドの中でもメチルシクロヘキサン (MCH: methylcyclohexane) は高い水素貯蔵密度を有することや常圧下で液体となる温度域が広い(沸点が高く、融点が低い)こと、安全性が比較的高いことから水素貯蔵媒体として注目を集めている。MCHの脱水素反応後の水素利用法の1つとして固体高分子形燃料電池 (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell) が挙げられる。MCH脱水素ガスの主な不純物はトルエンであり、これはPEFCの発電性能に悪影響を及ぼすことが懸念されるため除去する必要がある。現在、不純物を含むガスから水素を精製する方法として圧力スイング吸着 (PSA: Pressure Swing Adsorption) 法が主に適用されている。しかし、PSA法は定格での連続運転で性能を発揮するプロセスのため、PEFCのような起動停止や負荷変動が求められるシステムへの適応性は低い。

       そこでMCH脱水素ガスの水素精製法として起動停止や負荷変動に対応が可能とされる水素吸蔵合金 (MH: Metal Hydride) を用いた精製法を提案する。しかし、トルエンのMHへの影響は明らかにされていないため、本研究では水素とトルエンの混合ガスを作製し、MHにより水素を精製する際の水素吸蔵量を測定し、純水素供給時の値と比較することでトルエンのMHへの影響を調査する。

       また、トルエンが合金容器内で凝縮して合金の粒子間に残留し、水素放出時にこれが気化することで水素純度の低下が起きると想定される。そこで水素吸蔵終了後に水素を容器内に噴射することで、凝縮したトルエンを合金から分離・回収し、水素純度とトルエン回収率の向上を目指す。この際、合金粒子に撥水・撥油剤をコーティングすることで分離を容易にする。しかし、コーティング剤が水素吸蔵を阻害することが懸念されるため、水素吸蔵量、トルエン回収率、水素純度を測定し、コーティング未施工時と値を比較してコーティングの効果を検証し、提案する水素精製法の性能を評価する。

  • アニオン交換膜水電解におけるアノード側水素リーク評価

      Evaluation of hydrogen leak at anode side in anion exchange membrane water electrolysis

       将来的な化石燃料の枯渇が懸念され、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーが注目されている。しかし、これらは天候によって出力が変動するため、安定した安定利用をするために蓄電装置の利用が挙げられる。その中で、水素利用蓄電システムが注目されている。このシステムは余剰電力が生じた際に水電解にその電力を利用し、発生した水素を水素貯蔵装置に貯蓄し、必要に応じて燃料電池に供給することで変換ロスを軽減できるシステムである。そのうち本研究では負荷応答に優れた水電解に着目した。すでに普及が進んでいるプロトン交換膜を利用した水電解があるが、これは構成部材に耐酸性のある貴金属触媒の利用が求められるためコストが高くなるといった欠点が挙げられる。そこで、アニオン交換膜を利用した水電解に注目した。アニオン交換膜を利用することで貴金属触媒の利用する必要が無くなり、Fe系やNi系の安価な金属を利用することが可能である。しかし、アニオン交換膜を利用した水電解は研究段階にあり実用化のためには数多くの課題を抱えている。特に性能面ではプロトン交換膜水電解に劣るため、純度の高い水素生成などが求められている。そのため、水電解時の水素のリークを調査する必要がある。先行研究ではプロトン交換膜水電解において水素のリークを調査した研究があり、低電流域においてアノード側の水素のリークが増加傾向にあるという結果が報告されている。そこで、本研究ではアニオン交換膜水電解時におけるアノード側の水素リークについて調査をした。

電力システム系

  • 太陽光発電用バッテリ-キャパシタハイブリッド蓄電システムの高効運用に向けた制御最適化

      Control optimization for high-efficiency operation of battery/capacitor hybrid energy storage system applied to photovoltaic power generation

       太陽光発電(PV)は気象条件によって出力が変動するため、PV単独では電力の需要と供給を一致させることができない。この問題に対し、蓄電装置をPVに併設して運用することで電力の需給調整を行う方法が開発されている。需給調整を行う蓄電装置には、電力需給差の急峻な変動に対応するための高い入出力密度と、長時間の電力余剰または不足に対応するための高いエネルギー密度が求められる。本研究室では高エネルギー密度で大容量での使用に適したリチウムイオンバッテリ(LiB: Lithium-ion Battery)と、出力密度、サイクル寿命、充放電効率および応答性に優れるリチウムイオンキャパシタ(LiC: Lithium-ion Capacitor)を組み合わせたバッテリ-キャパシタハイブリッド蓄電システムを提案している。PV出力と負荷との間の電力需給差の変動をフィルタで分離し、緩やかな変動を大容量のLiBに、急な変動を高出力密度・長寿命のLiCに分担させる。こうすることで、それぞれの蓄電デバイスの長所を活かし短所を補い合う運用が可能となる。これまでに時系列解析を用いた予測によって緩やかな電力変動トレンドを抽出し、LiBとLiCの出力分担を決定する方法が検討されてきた。しかし、システムの構成上、一方のデバイスの分担が過多になるとシステムの効率が低下してしまうという問題があるため、フィルタの設定は重要な課題である。本研究ではシステムの総合効率が最大となるようにフィルタを最適化することを目的とする

  • 再生可能エネルギーを利用した水電解システムの合理化および運用最適化に関する検討

      Consideration of rationalization and system operation optimization for water electrolysis using renewable energy

       近年、CO2排出量削減のための燃料電池自動車普及拡大に向けて水素ステーションの導入が進められている。その際、環境負荷低減や地球温暖化対策の観点から再生可能エネルギーを用いた水電解水素生成が望ましい。一方、太陽光発電(PV)を利用する水電解水素生成では、PVの利用率の低さ、出力変動への対応、発電地域と水素需要地とのミスマッチ等が課題として挙げられる。そこで、本研究では、再エネを利用した水電解システムの電力バッファや電力系統を含めた合理化および運用最適化に関する検討を目的として研究を進めている。

その他

  • 長尺化に向けた高温超電導線材の曲げひずみによる臨界特性

       超電導線材を大型コイルとして用いる場合、使用する線材をハンダで接続し、長尺化して利用すると考えられる。この接続部分の臨界電流値がコイルの径にどの程度依存するかを知る必要がある。そこで、本研究ではコイルの半径に起因した曲げ歪の影響による高温超電導線材の臨界電流値の変化を詳細に調査することを目的とする。


ホーム | 研究活動 > 研究テーマ(ページ先頭)

筑波大学 大学院 システム情報工学研究科 構造エネルギー工学専攻 エネルギー変換研究室
照会先:〒305-8573 つくば市天王台1-1-1 電話 029-853-6193(教員室:石田 政義)
Copyright©1999 - 石田 政義 & エネルギー変換研究室 All Rights Reserved.