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

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研究テーマ

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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。

  • 高品質バイオディーゼル燃料製造用Pd系部分水素化触媒の高耐久化

       近年,地球環境保全及びエネルギーセキュリティの観点から,軽油の代替としてBDF(Bio Diesel Fuel :BDF)の利用技術の開発が活発に行われている.しかし,現状のBDFでは不純物や燃料中に含まれる飽和脂肪酸メチルエステル(Fatty Acid Methyl Ester : FAME)の組成割合による低温流動性及び酸化安定性の低下により,車両トラブルが生じており,品質の改善が急務である.そこで,部分水素化により低温流動性低下の要因となる多不飽和FAMEを1価不飽和FAMEへと変換する方法が注目されている.これにより,酸化安定性と低温流動性の向上効果が期待できる.本研究では,効率的かつ安定的に1価の不飽和FAMEを生成する部分水素化触媒技術の確立を研究目的としている.

  • 固体酸化物燃料電池の低温作動用薄膜電解質に関する電気伝導測定手法の確立

       固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、高い作動温度 (700 ~ 1000 度) が原因で耐久性・信頼性の面で問題を抱えている。耐久性・信頼性向上を目的とした中低温(~ 700 度)作動化の1つのアプローチとして電解質の薄膜化関する研究が盛んに行われている。しかし、作製および取り扱いが困難であるため薄膜電解質の物性について未知情報が多く存在する。本研究では、8YSZおよび10GDCといった2種類の薄膜電解質の中低温領域(400 ~ 700 度)での厚さ方向における電気伝導特性を評価可能な新しいセルモデルを提案し、その有効性を検討。

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。

  • 水素混合都市ガスからの合金を用いた水素分離

      近年、再生可能エネルギーの導入が進んでいる一方で、出力変動や蓄電が困難であるという課題がある。この再生可能エネルギーを水電解装置を用いて水素として貯蔵・輸送することが考えられており、欧州では再生可能エネルギー由来の水素を都市ガスパイプライン中に混合して利用している。供給された水素は都市ガスとともに燃焼のための燃料として使われているが、水素の燃焼カロリーは低いため、燃焼の燃料としては水素は効率良く利用できない。この水素を回収し、燃料電池による発電に利用することで、より効率的に再生可能エネルギー由来の水素を利用できる。本研究では、パイプライン中の水素の分離回収法として、水素吸蔵合金(MH: Metal Hydride)を用いた水素の分離回収を提案する。

  • 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。

  • 熱駆動型水素吸蔵合金圧縮機を用いた昇圧システム開発

      現在、福島水素エネルギー社会構想が検討され、都心部への輸送用高圧水素精製における水素昇圧技術が必要である。従来の水素昇圧技術には、空気圧縮機による機械的駆動水素昇圧が用いられている。しかし、機械的駆動では駆動部分の装置が水素脆化により損傷する可能性があり、ランニングコスト及び安全性、空気混入による水素純度の低下等の問題がある。そこで、従来の水素昇圧技術の代替技術として、異なる解離圧を持つ複数の水素吸蔵合金(MH:Metal Hydride)の特性を利用した熱的駆動による水素昇圧技術が提案されている。一般的なMHは危険物であるため、法規制により高圧水素ガス施設と危険物施設との間には、保安距離を設ける必要がある。そのため、危険物に該当しない合金開発が必須となる。本研究では、非危険物のMHとして体心立方格子(BCC: Body-Centered Cubic)構造MH利用を検討し、水素昇圧用水素吸蔵合金最適化に向けた100 MPa級のPCT特性評価装置の開発を行う。

  • 固体高分子形燃料電池におけるセル全体の水分バランスの最適化

      Optimization of total water balance in polymer electrolyte fuel cell

      現在,化石燃料消費に伴う二酸化炭素および環境汚染物質の排出、地球温暖化や大気汚染などの諸問題を世界規模で引き起こしている.日本の各自動車メーカーにおいては様々な環境技術開発が行われ、環境に配慮した自動車開発が進められている.その中でも固体高分子形燃料電池(Polymer electrolyte fuel cell:PEFC) を利用した燃料電池自動車は,水素と空気中の酸素を燃料として稼働・発電して,二酸化炭素を排出しないクリーンな走行が可能であることから,環境負荷が極めて少ない自動車として期待されている.特にPEFCは,運転温度が他の燃料電池と比較して低温域であるため,起動時間が早く,熱損失が少ないという利点がある.また,構造が単純であり,作製も容易であるといった特徴がある.しかし,このPEFCには改善すべき問題点が多くある.その一つとして,燃料電池内の水分管理が挙げられる.PEFCでは空気極側の還元反応による生成水が触媒電極面あるいはガス拡散層 (GDL) に滞留することで反応ガスである空気の供給を阻害するフラッディングが発生し,発電性能の著しい低下を招く.また,水素極側では低加湿時にセル内が乾燥し高分子膜内のプロトン伝導性が低下してしまうドライアップが考えられる.特に広範な出力条件下での運転が要求される自動車用燃料電池においては、フラッディングやドライアップを発生させないセル内の最適な水分バランスの検討が必要である. 本研究では,アノード/カソード間の水分移動量の測定から,水素循環流量およびGDL特性が水分移動量に与える影響の評価を行い,広い運転条件で高い発電性能の発揮できるセル内の最適な水分バランスを検討する.

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。

  • 需要家機器による電力系統フレキシビリティ提供技術の開発

      Development of Optimal Operation of Residential Fuel Cell for Flexibility Dispatch

        再生可能エネルギーは,天候により発電量が変化するため,大規模に導入するには,電力系統の調整力(フレキシビリティ)の強化が必要となる。電力会社の設備を増強するには膨大な費用を要するが,需要家の機器(DER)を活用すれば,その費用を抑えられる。(a)需要家のDERを統合的に制御して,需要家が電力系統へフレキシビリティを提供する技術の開発,(b)電力系統の状況に応じて,適切にフレキシビリティが提供されるよう,需要家に対する経済インセンティブの最適設計,(c) フレキシビリティ提供による電力系統への効果と可能性に関する分析,といった研究課題がある。具体的な研究テーマとしては,次のようなものがある。 [1]社会にとって最適な家庭用燃料電池の運用方法とその評価:家庭用燃料電池(エネファーム)をCO2削減や経済性を考慮して、社会的に最適に運用するべく、運用方法を検討する。その際、電力・ガス自由化や再生可能エネルギー普及に伴う電力システムの変化を大胆に考慮することが求められる。運用方法の違いによるステークホルダー(家庭・電力会社・ガス会社など)の経済的得失等を計算する。 [2]再生可能エネルギー大量導入時代における電力系統へのフレキシビリティ確保のための需要家の参加:再生可能エネルギーの大量導入が進んだ場合、電力系統は、より大きなフレキシビリティ(調整力)が必要とされる。社会コストを低減するためには、需要家が、自らの機器(家庭用燃料電池、CO2ヒートポンプ給湯機、蓄電池など)を用いて参加・協力することが望ましい。本テーマでは、電子計算機モデルを構築して需要家機器によるフレキシビリティ提供可能性を分析する。

  • 統合分散エネルギーマネジメントシステム(IDEMS)の開発

      Development of Integrated-Distributed Energy Management System

       需要家が積極的に参加するシステムの実現には,現在の中央集中制御から分散型の制御システムへの移行が必要であり,そのためのシステム技術の開発を行う。需要家内の機器を統合的に最適に制御し,かつ,他の需要家や電力会社との協力を図り,社会全体として,自律分散的な制御によって最適運用がなされるシステムを目指す. 具体的なテーマとしては、次のようなものがある。 [1]需要家が互いに協力するようなエネルギーマネジメントシステムの開発:需要家、アグリゲータ、エネルギー市場等のモデルを構築し、エネルギー運用シミュレーションを行う。特に、需要家のエネルギーマネジメントシステム(EMS)モデルを開発し、各需要家に見立てた小型PCへ実装し,複数の小型PCとアグリゲータモデルとの間で通信や交渉を行って、互いに協力し合えるようなアルゴリズム・モデルの開発を目指す。モデルには人工知能やエージェント技術の応用も考えらえる。

その他

  • 高温超電導線材の接続部抵抗評価

       一般的な超電導体は高磁場では臨界電流特性が大きく低下するのに対して、(RE)Ba2Cu3O7 (REBCO, RE : rare earth) や (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi-2223) などの高温超電導体(HTS: High-Temperature Superconductor)は、高磁場中でも低温超電導に比べて高い臨界電流特性を示す。臨界電流値が高いほど、高磁場利用が可能であるため、機器の高磁場化が可能となる。また、HTSは超電導状態に転移する温度の臨界温度が77 Kより高いため、液体窒素運転が可能となる。そのため、ヘリウムレス化により、冷媒コストの削減につながる。従って、これらの機器にHTSを応用できれば、更なる高解像度化やコンパクト化、低価格化が期待されている。しかし、現在高温超電導体の接続部分の抵抗値の評価方法が十分に確立されているとはいえない状況にある。 そのため、本研究では、HTSの永久電流モード運転の実現に向けて、HTS接続部抵抗値の評価を目的とする。


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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
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