産総研、市販LPGカセットボンベで発電可能な携帯燃料電池システムを開発

産業技術総合研究所(産総研)は1月28日、市販LPGカセットボンベを使って災害・非常時でも発電可能なハンディ燃料電池システムを開発したと発表した。

成果は、同所 先進製造プロセス研究部門 機能集積モジュール化研究グループ 藤代芳伸研究グループ長、山口十志明主任研究員、鷲見裕史研究員らによるもの。詳細は2013年1月30日より東京ビッグサイトで開催される「nano tech 2013 第12回 国際ナノテクノロジー総合展・技術会議」で展示される。

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は燃料電池の中で最も高い発電効率が期待されており、現在、定置用電源としての実用化が進められている。さらに、次世代自動車などの移動体用電源やポータブル電源への応用も期待されているが、通常のSOFCの作動温度は700～1000℃と高く、また、急速起動性が低いという問題から実用化が困難とされてきた。

しかし近年、スマートフォンやワンセグテレビ、ビデオカメラなど小型電子機器の普及が進んできたため、商用電源や急速充電器の確保が困難な災害・非常時やアウトドアでも急速起動が可能な数W～数十Wの電源が求められるようになっている。また、現状では水素燃料の入手が困難であるため、LPGカセットボンベなどの汎用的な炭化水素燃料で発電できるSOFCの実用化が期待されている。

産総研では、これまで新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)プロジェクト「セラミックリアクター開発」において、600℃程度の低温で作動するマイクロチューブSOFCを開発し、SOFCの低温作動化によって急速起動性が向上し、水素燃料を用いて50～200W発電モジュールを数分以内で起動できることを実証してきたほか、ナノメートルサイズのセリア(CeO₂)系触媒層(ナノセリア)を電極に付加することによって、450℃の低温でのメタン燃料の内部改質による発電を実証してきた。

今回の研究では、水素燃料やメタン燃料に比べて汎用的で運搬が容易なLPGなどの炭化水素を燃料とし、急速起動できる燃料電池システムの開発に取り組んだ。LPGの主成分の1つであるブタンは、メタンよりも熱分解による炭素析出が起こりやすく、燃料電池に直接供給すると燃料極(負極)の劣化が急速に進行することが知られているため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池へ供給する前に、高価な貴金属触媒を用いた外部改質器を用いて、ブタン燃料をあらかじめ改質する必要があった。

そこで今回、燃料極の基材全体に内部改質の機能を持つナノセリアを付加することによって、従来よりも耐久性を向上させたナノ構造制御電極を開発。こうして開発されたマイクロチューブSOFCは、この電極を用いることによってブタン燃料の直接供給でも安定的な発電ができる。また、耐久性が向上したことにより、起動時のみに用いるLPGバーナーの排ガスでの急速起動も可能となり、マイクロチューブSOFCとして、従来の約半分の時間である2分以内で400℃に到達し、USB機器を駆動できる(図1)。ナノ構造制御電極は十分な内部改質機能を持つため、外部改質器を簡略化できるなど、燃料電池システムのコンパクト化や低コスト化に寄与できる。

図2に発電後の燃料極の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を示す。数時間以内に発電が不可能になった従来電極(a)では、燃料極に含まれるニッケル触媒が析出した炭素に覆われ、さらに繊維状の炭素の成長も確認された。これに対して、ナノセリアを用いた改良電極(b)では、24時間発電した後でも炭素の析出が見られず、ブタン燃料に対する耐久性が向上していることがわかる。

今回、開発したナノ構造を制御した燃料極を支持体とした直流5～36V仕様のマイクロチューブSOFC発電モジュール(図3)を用いて、LPGカセットボンベを燃料とする「ハンディ燃料電池システム」を試作した。起動後、2分以内に直流5V駆動のUSB機器を作動できる(図4)。なお、起動にはLPGバーナーのみを用いるため、外部電源を必要としない。

研究グループでは今後、SOFCモジュールの発電性能や耐久性の向上に取り組むとともに、燃料改質や供給制御システムも含めたハンディ燃料電池システムを開発し、災害・非常時用やアウトドア用、次世代自動車などの移動体用電源などへの応用を目指すとコメントしている。