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Hydrogen

グリーン 水素を基盤とした水素エネルギー社会. ゼロエネルギーハウス. 水素ステーション. FC コージェネシステム. 水素転換システム ( 過剰電力→水素 ). FC 自動車. 水素精製. バイオマス工場 ( 廃棄物→水素 ). Hydrogen. 水素供給. 水素タンカー ( 有機ハイドライド or 液化水素 ). 水素タービン発電所. 有機ハイドライド生成. 風力発電所. 太陽光発電所. H 2. 液化水素製造. 水電解. H 2. 安全・安心技術. 酸化剤. 燃料. e. -. e. -. e. -. e. -.

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Presentation Transcript

  1. グリーン水素を基盤とした水素エネルギー社会グリーン水素を基盤とした水素エネルギー社会 ゼロエネルギーハウス 水素ステーション FCコージェネシステム 水素転換システム (過剰電力→水素) FC自動車 水素精製 バイオマス工場 (廃棄物→水素) Hydrogen 水素供給 水素タンカー (有機ハイドライド or 液化水素) 水素タービン発電所 有機ハイドライド生成 風力発電所 太陽光発電所 H2 液化水素製造 水電解 H2 安全・安心技術

  2. 酸化剤 燃料 e - e - e - e - e - O O O O e - H H H H 2 2 2 2 H H + + 2 2 2 2 H H H H O O O O 2 2 2 2 2 2 2 2 H H + + e - e - H H + + H H H H O O O O H H H H 2 2 2 2 2 2 2 2 H H + + H H H H O O O O 2 2 2 2 H H H H O O O O 2 2 2 2 水 電 解 質 アノード カソード 燃料電池の原理 原理 電解質（イオン伝導）／電極（電子伝導）界面反応 　アノード：燃料の酸化反応（脱電子反応） 　カソード：酸素の還元反応（受電子反応） 特徴 １．単セルで1V以下の直流電源 　　　出力に比例した 　　　燃料、酸化剤の反応 ２．低温で高い理論効率 ３．小型で効率低下無し 　　　スケールメリット無し ４．環境に優しい NOx無し、騒音・振動無し ５．二次元反応装置 　　　大きく、重たい

  3. フッ素樹脂系イオン交換膜開発の歴史 1958年～　燃料電池用イオン交換膜の開発(GE) SulfonatedPolystyrene 1965年　　Gemini衛星 1966年　　Nafionの開発(Du Pont) 1973年　　日本でイオン交換膜法食塩電解開発開始 1980年　　Du Pont のFayetteville工場稼働 1985年　　Nafion溶液市販開始 1986年　　Dow膜の発表 　　　　　　→　LANL, Texas A & M Univ. へ BallardのPEFC開発 1990年～　日、米、独で燃料電池車開発 　　　　　　ダイムラーのNECAR１（1994）

  4. Nafion117とDow膜を用いたPEFC (Srinivasan,1988)

  5. 我が家の燃料電池：1 kW PEFC (2005.7.09 - ) 1 kW 家庭用熱・電気併給装置 70000 台以上が稼働中 2009年度から販売開始 容量 700W～1 kW Hot water (60oC, 200 L) Daily Start and Stop without N2 purge (Hot water oriented mode) ・高いエネルギー効率（CO2削減率）を実証 ・耐久性を確保

  6. 我が国の燃料電池自動車 水素タンク（350気圧、700気圧は？） 航続距離：> 500 km 寿命　　：> 10 years (5000 h) 低温作動：- 30oC コスト削減が最重要課題 ・高効率で航続距離、耐久性は実用乗用車としての性能を確保している。 ・2015年より実用化開始　→　水素インフラの整備の前進。

  7. 日本初の水素燃料電池自動車（1988年） 日本初の水素・酸素燃料電池自動車（１９８８年） 1.1 kW, H2/O2-硫酸形燃料電池 100cm2x39セル 30 km/hで走行 本尾、平沢、太田、古屋、「電気自動車用燃料電池の開発と実車試験」日産科学振興財団研究報告書、VOL１０、191～202(1988)

  8. （トヨタ自動車資料より）

  9. 固体高分子形燃料電池の出力密度 ◎ 現在の日本の技術は3～3.5 kW/L

  10. 燃料電池車は2015年に実用化開始宣言 燃料電池実用化推進協議会資料

  11. 我が国の水素ステーション Hydrogen station is active at Tokyo region (9), Nagoya region (1), and Osaka region(2) Tokyo Region ガソリンスタンド併設の水素ステーション Nagoya Region Osaka Region Kyushu-Region (source: http://www.jhfc.jp/data/seminor/fy2007/lecture.html)

  12. PEFCにおける白金電極の問題 カソード触媒の問題 Pt 資源量 白金の資源量・価格 100 kW FCV →100 gPt !! High cost ! ! 39000 ton (2006) 白金の安定性 白金使用量削減の限界 ! ! Fuel Cell 4億台 Dissolution of Pt 自動車車輌数 (2002) 8億1千5百万台 (in the world) Agglomeration of Pt 7千4百万台(9.1 %) (in Japan) 大きなカソード過電圧

  13. 白金価格の推移 ニューヨーク・フリーマーケット 　（米ドル／トロイオンス） 国内価格（￥／ｇ） 白金価格の近年の推移（田中貴金属工業ホームページより）

  14. 白金の用途 白金の用途は自動車（排ガス触媒）用が多い

  15. 白金の供給量 白金の供給・埋蔵量は南アフリカが大半

  16. 南アの白金は隕石の衝突？ Vredefort Dome（南ア） ・最大の隕石（直径190km） ・20億年前にいくつかの 小惑星が衝突

  17. 南アフリカの白金資源 南アフリカの白金資源 ・生産量の8割、埋蔵量の9割 ・より低品位へ（5ppm以下に） ・より地下深く（4千mから6千ｍに） ・白金資源国有化の動き ・Platinum Valley 構想 南ア　Lonmin社のHossy Shaftを訪問（２０１３．０４．０８）

  18. 白金電極の特性 1200 理論電圧 1000 燃料のクロスオーバー Erev(O2) 1.0 カソード反応抵抗 i･RC 800 Oxygen アノード反応抵抗 i･RA 電圧 ／ V 600 膜抵抗 i･RS E / mVvs. DHE 0.5 400 物質移動律速 セル電圧 200 0.0 0 Hydrogen 0 Erev(H2) 電流密度 i 0.00 -3.00 -2.00 -1.00 　固体高分子形燃料電池の電流－電圧特性 log (i/mAcm－２） Fig. 1 i-E curves of HOR and ORR (Pt/Nafion 117, 50C, 1 atm) 大きな酸素還元反応抵抗 ↓ 低いエネルギー変換効率

  19. 白金の硫酸中への溶解 5.E-06 O2 4.E-06 3.E-06 Air Pt Concentration/mol dm-3 2.E-06 1.E-06 N2 0.E+00 0 2 4 6 8 t/day 1M H2SO4 23oC Oxygen strongly affects the Pt solubility.

  20. 脱白金を目指した研究の歴史的背景 遷移金属錯体系 遷移金属炭化物系 L. Vaska, Science, 140, 809 (1963). J. J. Weiss, Nature, 203, 183 (1964). 　　　　　　　　　　↓ H. R. Kunz et al., J. Electrochem. Soc.,151, A703-709 (2004). S. Trasatti et al., Z. Phsik. Chem., 226, 40 (1964). H. Binder et al., Nature, 224, 1299 (1969). R. B. Levy, M. Boudart, Science, 181, 563 (1974). WCの電極触媒能および安定性を評価 WCの燃料電池への応用 ～水素・ヒドラジンの酸化 ポルフィリン、フタロシアニンなどを配位子とする遷移金属錯体の酸素還元触媒能の評価 そこそこの酸素還元触媒能を示す 酸性・酸化性雰囲気で不安定

  21. 安定性をベースに触媒能の向上を図る 革新的カソード触媒の開発 全く新しいコンセプトに基づく酸素還元触媒 高い化学的安定性 優れた触媒能 革新的な材料の開発 ４族･５族遷移金属酸化物をベースとした新規触媒

  22. 低い酸素還元活性 化学的安定性→　溶解度 Silicides Borides Carbides Nitrides × × ○ TiSi2 ZrSi2 NbSi2 TaSi2 CrSi2 MoSi2 WSi2 TiC ZrC VC NbC TaC Cr3C2 Mo2C WC TiB2 ZrB2 VB2 NbB2 TaB2 CrB2 Mo2B △ TiN ZrN VN NbN TaN Cr2N × ○ ○ △ × △ ○ ○ × ○ ○ △ × ○ ○ △ × ○ ○ △ × ○ ○ × 酸素雰囲気→酸化物

  23. 10 nm 10 nm 10 nm ナノサイズの酸化物系触媒 Zr-CNO(Pc)/MWCNT Tetragonal ZrO2 Graphite 1h 1000oC Intensity [a.u.] 900oC 50 nm 800oC 15 25 35 45 55 65 75 85 2θ / degree(CuKα) Fig. XRD patterns of powder specimens with different heat treatment time. 10ナノレベルの酸化物系触媒 作成に成功

  24. PEFC用酸化物系非貴金属触媒の最近の進展 単　極 単セル発電 10 10 @ 0.6 V (IRフリー) NEDO中間目標 1 最終目標 Zr酸化物系 1 Zr系 Ta酸化物系 電流密度 / A cm-2 |iORR@ 0.8 V| / mA cm-2 -geo 0.1 Ta系 0.1 NEDO中間目標 0.01 0.01 0.001 2012 2008 2010 2014 2016 2009/3 2014/3 2011/3 2010/3 2012/3 2013/3 Year Year 単極活性は飛躍的に向上 中間目標を前倒しで達成 3/24

  25. コスト比較 1.4 表　４及び５族元素の資源量及び地殻存在比 1.2 1.0 0.8 Cost / Yen W-1 0.6 0.4 0.2 0 Pt Zr Ta 電池出力当たりのカソード材料費 1) 経済産業省資源エネルギー庁, 平成17年度 燃料電池用白金族金属需要動向調査 調査研究報告書, p.273(2006). 2) Mineral Commodity Summaries 2007 3) Chemistry of the Elements 2nd ed., Butterworth Heinemann, 1998 現状でもすでに材料コストではPt/Cよりも有利

  26. パタゴニア水素開発は 水素エネルギー協会の、 酸化物系非貴金属触媒開発の研究は 新エネルギー産業技術総合開発機構の ご援助で実施している。 記して謝意を表する。

  27. 豊かな未来に向けた グリーン水素社会の実現に

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