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家庭用燃料電池の開発と課題

  • Development and Future Improvements of Residential Fuel Cell Systems
★ 省エネルギーと環境対策の切り札―『家庭用燃料電池』の最新技術動向!
★ システムと要素技術の現状と課題および将来展望をこの一冊に集約!

商品コード: T0425

  • 監修: 石田政義
  • 発行日: 2004年12月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、311ページ
  • ISBNコード: 978-4-88231-480-6

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刊行にあたって

 今年2004年は災害の当たり年であったことは誰もが認めるところだろう。かつてない数と規模の台風の来襲により、広い範囲の街が水没し多くの方が犠牲になった。とりわけ例年よりも降水量が多いという。この原因として南洋の海水面温度が高くなっていることが指摘されており、地球温暖化との関連性が取沙汰されているなど、実感を持つ向きも多いに違いない。ロシアが京都議定書を批准する見通しとなったことで来年初頭での発効が確実になった。温室効果ガス最大の排出国アメリカが枠組みから離脱しているものの歓迎すべき情勢である一方、我が国には極めて重い課題が背負わせることになる。これまでも新エネルギーや再生可能エネルギーなど先進的確信的技術の研究開発、エネルギー利用効率向上や温室効果ガス吸収源の保護と育成、環境問題や省エネルギーに対する意識の高揚、などあらゆる手段を既に講じつつあるのは事実だ。しかしながら、これらは実効性の乏しいばかりか、実際には目標達成へのゴールとは異なる方向に走っている観さえある。
 特にエネルギー消費の削減余地が残されているのは民生用と運輸部門であり、使用量は各々ほぼ同量で合わせて全体の約半分を占めている。残りは産業用であるが、企業活動の性格から必然的に好ましい方向に向かっている。そこで家庭と自家用車を主にあらゆる領域でエネルギー技術革命をもたらそうとするのが燃料電池開発の意義となる。本書のタイトルとする“家庭用燃料電池”はコージェネレーションすなわち熱電供給をすることで、特段の利用効率向上ひいては環境負荷低減に貢献すると期待される技術であることはいうまでもない。 だが、技術開発とは係わる者の思惑によって、往々にして真に理想的な指針とは逸れてしまうことが多々存在する。燃料電池システムは単なるエネルギー変換のインターフェースに過ぎず、燃料供給のインフラストラクチャーとユーザーのエネルギー利用形態とを含めた三位一体において議論される必要があるのだ。言い換えれば、全体を見据えて目標を明確に認識し、拘りを捨て、何をすべきかまたは何ができるかを皆で考えることである。そのためにはとにかく基本に戻り本質を捉えることだと常々思っており、本書はその主旨に沿った構成を心がけた上で、それぞれの執筆者を選ばせていただいた。各方面での将来への活動に関して何かしらの示唆が見出されるとすればこの上ない幸せである。
 折しも中越地震も相俟って自然災害の脅威とともに科学技術文明の無力さがいっそう浮き彫りになっている。ある被災地でのインタビューで「米はいくらでもあるのに電気と水がないので食べられない」と話すのを聞いた。発生から1週間以上過ぎようとしているのに未だに広い範囲で、いわゆるライフラインが復旧しないばかりかその見通しすら立っていない。巨大システムの脆弱性がまざまざと露呈した格好である。こうしたときにこそ正に「あって助かった」と言われるような”燃料電池”を実現してみたいものだ。もちろん、我々の子孫にも。

2004年11月  石田政義

著者一覧

石田政義   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 助教授
池松正樹   燃料電池実用化推進協議会 燃料選択SWG 主査;新日本石油(株) 新エネルギー本部 FC事業2部長前田哲彦;(独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 研究員
太田健一郎   横浜国立大学大学院 工学研究院 機能の創生部門 教授
松田佳之   横浜国立大学大学院 工学府
坊垣和明   (独)建築研究所 主席研究員
井上真壮   (株)日本総合研究所 創発戦略センター 主任研究員
伊東弘一   大阪府立大学 大学院工学研究科 機械系専攻 教授
岡田 治   (株)ルネッサンス・エナジー・リサーチ 代表取締役社長;東北大学 未来科学技術共同研究センター 客員教授
西田亮一   (社)日本ガス協会 技術開発部 燃料電池・水素プロジェクトグループ マネージャー 副部長
上田早苗   (財)エルピーガス振興センター 技術開発部 部長
江口浩一   京都大学 大学院工学研究科 物質エネルギー化学専攻 教授
田中洋平   京都大学 大学院工学研究科 物質エネルギー化学専攻
金子彰一   東京ガス(株) R&D本部 技術開発部 シニアリサーチャー
伊中秀樹   大阪ガス(株) 家庭用コージェネレーションプロジェクト部 課長
伊藤靖彦   三洋電機(株) 技術開発本部 PEプロジェクトビジネスユニット リーダー
南條 敦   新日本石油(株) 新エネルギー本部 FC事業1部 FC開発グループ チーフスタッフ
山中康朗   石川島播磨重工業(株) 電力事業部 開発部 燃料電池グループ 課長代理
小俣富男   (財)新エネルギー財団 計画本部 燃料電池部長
松尾祐人   三重県 農水商工部 産業集積室 主事
本間琢也   燃料電池開発情報センター 常任理事;筑波大学名誉教授
城 久尚   エア・ウォーター(株) LPガス改質プロジェクト プロジェクトリーダー
本間 格   (独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 ナノエネルギー材料 グループ長
嘉藤 徹   (独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 燃料電池グループ 主任研究員
安芸裕久   (独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 エネルギーネットワークグループ 研究員
浅野浩志   (財)電力中央研究所 社会経済研究所 電力・エネルギー経営領域リーダー
松本吉彦   VPEC(株) 技術統轄取締役
名久井恒司   (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 燃料電池・水素技術開発部 部長
岩渕宏之   (財)エネルギー総合工学研究所 プロジェクト試験研究部 主任研究員
稲葉 稔   同志社大学 工学部 助教授
岡 嘉弘   (社)日本電機工業会 新エネルギー部 課長
七原俊也   (財)電力中央研究所 システム技術研究所 需要家システム領域 上席研究員
東京工業大学 特任教授 エネルギー・マネージメント(東京電力) 寄附講座
内山洋司   筑波大学 大学院システム情報工学研究科 リスク工学専攻教授

目次

序章 家庭用燃料電池技術の概観と開発への期待

第1章 家庭におけるエネルギーの実態と燃料電池の基礎
1. わが国における家庭用燃料利用の実態(池松正樹)
1.1 各種エネルギー源別の家庭用エネルギー消費の動向
1.1.1 灯油
1.1.2 液化石油ガス(LPG)
1.1.3 都市ガス
1.1.4 電気
1.2 家庭におけるエネルギー利用の実態について

2. 家庭でのエネルギー負荷特性
2.1 民生家庭部門におけるエネルギー消費実態の現状
2.2 家庭のエネルギー消費
2.2.1 家庭のエネルギー需要の概要
2.2.2 家庭におけるエネルギー需要の計測
2.3 家庭のエネルギーシステムの現状と今後

3. 固体高分子形燃料電池の原理と課題
3.1 はじめに
3.2 燃料電池の原理
3.3 燃料電池の特徴
3.4 燃料電池の種類と燃料電池システム
3.5 固体高分子形燃料電池(PEFC)
3.6 固体高分子形燃料電池の材料
3.6.1 イオン交換膜(電解質)
3.6.2 電極とMEA(膜-電極接合体)
3.6.3 セパレータ材料
3.7 おわりに

4. 一戸建て住宅におけるエネルギーと燃料電池
4.1 はじめに
4.2 燃料電池の有効利用に係る課題
4.3 燃料電池の有効利用のための対応
4.3.1 燃料電池に求められる対応
4.3.2 住宅側(需要側)での対応
4.4 おわりに

5. 集合住宅におけるエネルギーと燃料電池
5.1 燃料電池設置のメリット
5.2 集合住宅におけるエネルギーの特徴
5.3 集合住宅における燃料電池の設置位置
5.4 集合住宅単位での設置
5.4.1 エネルギー供給
5.4.2 燃料電池の所有とエネルギー関連の契約形態
5.5 戸別での設置
5.5.1 改質装置の設置位置
5.5.2 エネルギー供給
5.5.3 燃料電池の所有とエネルギー関連の契約形態
5.6 戸別設置のメリット
5.6.1 高いエネルギー信頼性の獲得と市場への適合
5.6.2 総合エネルギー効率の向上(環境性の向上)
5.6.3 需給一体性による省エネ意識の向上効果
5.7 おわりに

6. 家庭用燃料電池の容量と運用の計画
6.1 はじめに
6.2 対象システム
6.3 評価手法
6.3.1 問題の定式化
6.3.2 問題の解法
6.4 計算事例
6.4.1 計算条件
6.4.2 検討ケース
6.4.3 計算結果および考察
6.5 おわりに
 
第2章 燃料処理プロセスの技術
1. 燃料電池における燃料改質技術
1.1 燃料電池の種類と使用可能燃料
1.2 燃料と改質システム
1.3 燃料電池用天然ガス改質システム
1.4 燃料電池用改質触媒技術
1.4.1 脱硫触媒
1.4.2 改質触媒
1.4.3 CO変性触媒
1.4.4 CO除去触媒
1.5 おわりに

2. 都市ガス
2.1 都市ガスの性状
2.2 都市ガスの改質技術
2.2.1 都市ガスの改質技術
2.2.2 新PSA方式による水素製造装置
2.2.3 水素分離型改質技術
2.3 おわりに

3. LPガス
3.1 はじめに
3.2 LPガスの性状と物性
3.2.1 LPガスの性状
3.2.2 容器使用に伴うLPガスの性状変化
3.3 処理プロセスの特徴
3.3.1 脱硫プロセス
3.3.2 改質プロセス
3.3.3 将来型改質プロセス

4. 灯油
4.1 灯油の性状と物性
4.2 工業的水素製造の現状
4.3 石油業界における水素の位置づけ
4.4 灯油からの水素製造方法
4.4.1 スチームリフォーミング法
4.4.2 部分酸化法

5. その他燃料―DME―
5.1 はじめに
5.2 ジメチルエーテル(DME)燃料
5.2.1 DMEの特性
5.2.2 DMEの合成
5.3 DMEの水蒸気改質
5.3.1 DMEの水蒸気改質反応
5.3.2 DME改質触媒の現状
5.3.3 今後の課題

第3章 周辺技術
1. コージェネレーションによる熱利用―熱回収、貯湯―
1.1 燃料電池から発生する排熱
1.2 PEFCからの排熱の有効利用用途
1.3 家庭におけるエネルギー使用の実態
1.3.1 年度別の家庭用エネルギー消費調査結果
1.3.2 月別・時刻別の家庭用エネルギー消費調査結果
1.4 家庭用PEFCコージェネレーションシステムの省エネルギー性の推算
1.5 PEFCコージェネレーションシステムにおける排熱利用システムの技術開発
1.5.1 給湯用温水供給システム
1.5.2 暖房用温水給湯システム
1.6 将来のPEFCコージェネレーションシステムの運用方法

2. 補機(ブロア、ポンプ、制御機器等)の動力削減等開発課題

3. 配電線への接続と連系―パワーコンディショニングシステム―

4. 運転パターンの考え方と運用方法
4.1 はじめに
4.2 家庭のエネルギー需要の特徴
4.3 システム構成と運転パターン
4.4 家庭用ガスエンジン式コージェネレーション「ECOWILL」の学習運転制御
4.5 燃料電池とガスエンジンの違い
4、6 今後の課題
 
第4章 開発の現状
1. 都市ガス燃料家庭用燃料電池の開発事例
1.1 はじめに
1.2 都市ガス燃料家庭用PEFCコージェネレーションシステム
1.2.1 システムの概要
1.2.2 燃料電池スタック
1.2.3 システムの運転方法
1.3 実用化に向けた課題
1.3.1 技術開発課題
1.3.2 規制緩和と標準化
1.4 将来展望

2. LPG家庭用燃料電池の開発状況について
2.1 新日本石油における燃料電池への取組み状況
2.2 石油系燃料電池の開発意義
2.3 LPG家庭用燃料電池の実用化に向けたモニターテストの取り組み
2.4 LPG家庭用燃料電池モニターテストの現状
2.5 おわりに

3. 灯油仕様燃料電池の開発事例
3.1 はじめに
3.2 触媒開発
3.2.1 脱硫触媒
3.2.2 改質触媒
3.2.3 その他の要素技術
3.3 1kW級灯油燃料電池システム
3.4 10kW級灯油燃料電池システム
3.5 おわりに

4. 業務用5kW燃料電池の開発事例
4.1 はじめに
4.2 IHIにおけるPEFCの市場と位置づけ
4.3 PEFC発電システムの構成機器
4.3.1 燃料処理装置
4.3.2 燃料電池スタック
4.4 5kW級PEFC発電システム
4.5 システムの運転特性
4.6 おわりに

5. 定置用燃料電池実証研究に
5.1 定置用燃料電池実証研究
5.2 平成14年度運転試験開始サイト
5.3 平成15年度運転試験開始サイト
5.4 系統連係影響評価試験

6. 自治体における燃料電池関連産業の集積に向けた取組み―三重県の事例
6.1 はじめに
6.2 三重県の産業構造
6.3 燃料電池と三重県産業
6.4 構造改革特区
6.5 本県独自の取組
6.6 情報発信及び普及啓発
6.7 水素関連技術の調査
6.8 まとめ

7. 海外における家庭用燃料電池の動向
7.1 アメリカにおける水素社会と燃料電池のイメージ
7.2 家庭用PEFCの環境面での効果
7.3 家庭用PEFCの経済面での評価
7.4 家庭用燃料電池の市場
7.5 FCVの家庭用電源としての利用
7.6 まとめ

第5章 適用が期待される新技術
1. メンブレン改質装置
1.1 はじめに
1.2 メンブレン改質器の概要
1.3 金属Pd系合金薄膜を用いたメンブレン改質器の開発状況
1.3.1 東京ガス
1.3.2 LPガス振興センター
1.3.3 石油産業活性化センター
1.3.4 セラミック膜を用いたメンブレン改質器の開発状況

2. 触媒燃焼併発型改質装置
2.1 はじめに
2.2 触媒燃焼併発改質
2.3 改質触媒性能
2.3.1 改質触媒活性
2.3.2 起動特性
2.3.3 改質触媒寿命
2.4 本改質方式で生成される燃料電池用混合ガス組成の燃料電池への影響
2.5 LPガス改質燃料電池
2.6 おわりに

3. 高温型固体高分子膜
3.1 はじめに
3.2 無加湿型プロトン伝導性電解質膜
3.3 おわりに

4. 小型固体酸化物形燃料電池
4.1 固体酸化物形燃料電池(SOFC)の特徴と小型システムの開発課題
4.2 セル構成
4.3 小型システムの開発状況
4.4 小型SOFCの実用化に向けて

5. 電力負荷変動対策―MIB法およびECaSSの適用―
5.1 負荷変動対策の必要性
5.2 水素吸蔵合金中間バッファー法(MIB法)
5.3 エネルギーキャパシタシステム(ECaSS)

6. 燃料電池ネットワーク

7. エネルギー需給マネジメント
7.1 はじめに
7.2 進化するデマンドサイドマネジメント
7.3 エネルギー需給マネジメント
7.4 燃料電池システムの遠隔監視制御
7.5 家庭用エネルギーマネジメント
7.6 今後の見通し

8. 直流ネットワーク
8.1 はじめに
8.2 なぜいま交流なのか
8.3 直流インターフェースのディメリット
8.4 直流インターフェースのメリット
8.5 直流給電ネットワーク
8.6 直流電力融通ネットワーク
8.7 直流における安全と保護

第6章 将来課題
1. 水素エネルギーおよび燃料電池に関する国の政策
1.1 現行政策概要
1.1.1 「固体高分子形燃料電池/水素エネルギー利用プログラム」概略
1.1.2 その他の燃料電池開発プロジェクト
1.2 ニューサンシャイン計画以前の燃料電池開発政策
1.2.1 国立研究所等における研究開発
1.2.2 国家プロジェクトにおける研究開発
1.2.3 本格的民生用燃料電池開発
1.2.4 わが国の国家プロジェクトにおける研究開発
1.3 WE-NETプロジェクトと水素エネルギー導入の考え方
1.4 燃料電池政策の将来展望
1.4.1 諸外国の水素技術開発政策との比較
1.4.2 考慮すべき産業界の動向
1.4.3 今後のプロジェクト運営のあり方
1.4.4 今後の技術開発政策の役割
1.5 まとめ

2. 普及シナリオと社会的効果
2.1 はじめに
2.2 「エネルギー基本計画」における水素エネルギーの位置づけ
2.2.1 エネルギーに関する基本認識
2.2.2 課題に対する基本方針
2.2.3 水素エネルギーの位置付け
2.3 家庭用燃料電池の普及シナリオ
2.3.1 導入期待値
2.3.2 家庭用燃料電池の普及量
2.3.3 家庭用燃料電池の普及シナリオ
2.4 社会的効果
2.4.1 炭酸ガス排出量削減量評価
2.4.2 社会イメージ

3. 寿命と劣化
3.1 はじめに
3.2 電極触媒の劣化
3.3 固体高分子電解質の劣化
3.4 セパレータの劣化
3.5 その他の劣化
3.6 おわりに

4. 規制緩和と規格標準化
4.1 はじめに
4.2 定置用燃料電池規制適正化
4.2.1 一般用電気工作物への位置づけ
4.2.2 停止時の窒素パージの省略
4.2.3 消防関連の規制適正化検討
4.3 標準化への取り組み
4.3.1 自主基準案
4.3.2 国内標準化への取り組み
4.3.3 国際標準化活動
4.4 おわりに

5. 電力系統との調和
5.1 はじめに
5.2 エネルギー供給の面から見た調和
5.3 電力系統への連係の面から見た調和
5.3.1 供給信頼度の確保(保護強調)
5.3.2 電力品質の確保
5.3.3 安全および設備保全の確保
5.4 おわりに

6. 分散型技術の位置づけとその課題
6.1 はじめに
6.2 分散型技術の種類と普及見通し
6.3 分散型技術の供給用件と課題
6.3.1 再生可能エネルギー
6.3.2 リサイクル型エネルギー
6.3.3 従来型エネルギーの新利用
6.4 おわりに
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