京都大学など、アンモニアを直接燃料とした燃料電池による1kWの発電に成功

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開発した1kW級SOFCスタックの外観

京都大学、ノリタケカンパニーリミテド、IHI、日本触媒、豊田自動織機、三井化学、トクヤマは2017年7月3日、共同研究により、アンモニア燃料電池で1kWの発電に成功したと発表した。内閣府の戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「エネルギーキャリア」(管理法人:科学技術振興機構)の委託研究として実施された研究だ。

アンモニア(NH3)はそれ自身が水素を多く含んでおり、エネルギーの保存/運搬のためのエネルギーキャリアをはじめ、二酸化炭素排出量の削減効果が大きい燃料電池の燃料としても期待されている。アンモニアを燃料とする発電は、これまでも小規模な発電には成功していた。しかし今回は、アンモニアを直接燃料とした固体酸化物形燃料電池(SOFC)で、世界最大規模という1kWクラスの発電に成功した。

直接アンモニアSOFCの原理

今回の直接アンモニア燃料電池は、電解質であるジルコニアの片面に取り付けた燃料極に燃料となるアンモニアガスを直接供給し、反対側の空気極に空気を供給することで両極間に電力を発生させる原理に基づくものだ。今回、この燃料電池単セルを30枚積層し、温度分布を最小として、アンモニアが各セルに均等に流れるようにして、実用規模に近い1kWクラスのSOFCスタックへ直接アンモニアを供給し、発電を行った。

発電の結果、純水素と同等レベルの良好な発電特性が確認された。また、1kWの規模ながら、燃料電池の直流発電効率はSOFCの特徴である50%を超える高い値が達成された。さらに、1kW級評価システムで1000時間の安定した連続運転に成功した。

これに加え、異なる燃料供給方式として、アンモニアと空気の混合ガスをハニカム構造の触媒に供給して部分燃焼する触媒およびオートサーマル反応器(自己熱反応器)も開発した。この反応器は500℃の出口ガス温度を達成するのに130秒間の高速起動が可能で、この燃料供給方式でも1kW級の発電に成功した。将来、アンモニアを燃料とするSOFCの外部加熱によらない高速起動の可能性を示す技術だという。

1kW級 SOFC用オートサーマル反応器

今後同研究グループでは、アンモニア燃料を用いて1kW級のコンパクトなパッケージ実証機を作製し、運転を行う予定だ。将来的にアンモニア燃料電池は、分散型電源として業務用の発電などへの展開も期待されるとしている。

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