Microsoft PowerPoint 東京都水素社会推進会議

(1)

2016年6月27日東京都水素社会の実現に向けた東京推進会議首都大学東京首藤登志夫

水素エネルギーと自動車

（エネルギー密度の視点とメタノールという選択肢について）

首都大学東京

大学院理工学研究科機械工学専攻

エネルギー環境システム研究室

教授首藤登志夫

2016.6.27

東京都

水素社会の実現に向けた東京推進会議

(2)

太陽光などの自然エネルギー

電気エネルギー

水素

EVで利用

FCV等で利用

（航続距離の点で有利）

液体燃料を合成して自動車で利用

輸送用エネルギーキャリアとして利用

液体バイオ燃料（エタノール，

BDF）を製造して自動車で利用

自動車における自然エネルギー利用（簡略版）

(3)

石油

LPG 天然ガス・石炭等

自然エネルギー

原子力

電気

エタノール

BDF

水素

電気自動車

水素燃料電池自動車

FT軽油 DME

FTガソリン

メタノール

アンモニア

SIエンジン自動車

直接型燃料電池自動車

改質型燃料電池自動車

改質型

SIエンジン自動車

改質型

HCCIエンジン自動車

CIエンジン自動車

（

HEVを含む）

（

HEVを含む）

（

HEVを含む）

（

HEVを含む）

自動車におけるエネルギー利用の選択肢

(4)

エネルギーキャリア

体積エネルギー密度

自動車用途

気体水素

11 MJ/m

3 _{(293K, 0.1MPa)}

鉛バッテリー

_{288 MJ/m}

3 _(80Wh/L)

_小型

_EV

Liイオンバッテリー

1800 MJ/m

3 _(500Wh/L)

_EV

圧縮水素

_{5077 MJ/m}

3 _{(293K, 70MPa)}

_FCV

CNG（CH

₄

）

8120 MJ/m

3 _（

_{293K, 20MPa）}

_{（トラック等）}

液体水素

_{8517 MJ/m}

3 _{(20K, 0.1MPa)}

_（

_FCV等）

メタノール

15759 MJ/m

3 _{（乗用車等）}

DME

19230 MJ/m

3 _{(293K, 0.6MPa)}

_{（トラック等）}

エタノール

_{20200 MJ/m}

3 _{（乗用車等）}

LPG（C

₃

H

₈

+C

₄

H

₁₀

）

24400 MJ/m

3 _{(293K, 0.8MPa)}

_タクシー

BDF（FAME）

32400 MJ/m

3 _{（トラック等）}

ガソリン

34500 MJ/m

3 _乗用車

軽油

_{36300 MJ/m}

3 _{トラック・バス}

主なエネルギーキャリアのエネルギー密度と自動車用途の例

(5)

利点・特徴

・海外の再エネを日本に輸入する際，液体水素の約

2倍のエネルギー密度で輸送できる．

・自動車エネルギーキャリアとして見ると，エネルギー密度の高さは航続距離の点で有利．

・非常時の燃料として見ると，高いエネルギー密度で安定して備蓄できることは利点．

・メタノールからの水素生成も容易．その際に未利用の低温排熱の有効利用が可能．

・燃料電池やエンジンでの直接利用の他，車上で水素を生成して利用することも可能．

課題

・直接メタノール燃料電池（

DMFC）は水素燃料電池よりも出力が低い．

→

DMFCの出力向上が求められる．

・メタノールの利用時に

CO2が生成する（ただし，石油系燃料と比べると少ない）．

→ 例えば再エネ水素と大気中CO2を利用したメタノール合成は理想的．

・メタノールの毒性．

→ 一般ユーザーが安全に取扱える体制が必要．

メタノール利用の利点・特徴と課題

(6)

・水素の製造

化学反応によるメタノールからの水素生成

電気分解によるメタノールからの水素生成

・車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン

排熱回収メタノール改質式HCCI燃焼エンジン

・メタノールを直接利用するシステム

メタノールをガソリンのように直接利用するエンジン

メタノールを直接燃料とする燃料電池（DMFC）

（水素燃料電池と比べて劣る発電出力の向上が課題）

メタノール利用システムの例

(7)

金属多孔体を用いた全面供給型の反応物流路の例

T. Shudo, K. Suzuki, Int. J. of Hydrogen Energy, Vol.33, No.11, (2008). T. Shudo, Fuel Cell, Vol.7, No.3, pp.139-142, (2008).

T. Shudo, S. Naganuma, Proc. 28th_{Hydrogen Energy System Society, B20, (2008).}

S. Naganuma, T. Shudo, Proc. 47th_{Combustion Symposium, (2009).}

T. Shudo, Fuel Cell, Vol.9, No.2, pp.8-10, (2009).

T. Shudo, S. Naganuma, Proc. JSME Power and Energy Symp., (2009). T. Shudo, Fuel Cell, Vol.8, No.4, pp.61-65, (2009).

T. Shudo, S. Naganuma, K. Oyabu, Proc. JSME Power and Energy Symp., D205, pp.389-390, (2010). T. Shudo, Y. Takahashi, Proc. Japan Society of Automotive Engineers, No.111-10, pp.1-4, (2010). Y. Takahsashi, T. Shudo, Proc. 30th_{Hydrogen Energy System Society, , A10, pp.37-40, (2010).}

(8)

Cell temperature: 333K Anode feed: 10cc/min Cathode feed: 1000cc/min

0.2

0.4

0.6

0.05

0.10

0.15

0 Current density [A/cm

2

_]

Power density [W/cm

2

]

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Cell voltage [V]

0

0 Porous (SMP)

Groove

Both electrodes

Anode only

Cathode only

金属多孔体球を用いた全面供給型流路による

DMFCの発電出力向上

0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50

Porous (SMP)

Cell temperature: 333K Anode feed: 10cc/min Cathode feed: 1000cc/min Current density: 0.2A/cm2

Z = R + jX

Groove

R [m]

-jX [m



]

membrane

anode

cathode

CH

₃

OH + H

₂

O

6H

+

6e

-CO

₂

6H

+

3/2O

₂

3H

₂

O

6e

(9)

-2016年6月27日東京都水素社会の実現に向けた東京推進会議首都大学東京首藤登志夫

・水素の製造

化学反応によるメタノールからの水素生成

電気分解によるメタノールからの水素生成

（理論電解電圧が低く，高効率の水素生成が可能）

・車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン

排熱回収メタノール改質式HCCI燃焼エンジン

・メタノールを直接利用するシステム

メタノールをガソリンのように直接利用するエンジン

メタノールを直接燃料とする燃料電池（DMFC）

メタノール利用システムの例

(10)

メタノールの電気分解による水素生成

メタノールは水に比べて大幅に低

い電圧で電気分解可能．

高効率の水素生成が可能．

membrane

anode

cathode

CH

₃

OH + H

₂

O

6H

+

6e

-CO

₂

6H

+

_3H

2

6e

-Theoretical electrolysis voltage

Water

Ethanol (aq. solution)

Methanol (aq. solution)

1.235V

0.084V

0.016V

0 0.5 1 1.5 2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Current density [A/cm

2

]

Cell voltage [V]

MeOH

(13.2wt%)

H

₂

O

Anode feed : 10cc/min Cell temp.: 298 K Groove flow fields

Energy efficiency [%]

Current density [A/cm

2

_]

0.05 0.10 75 80 85 90 0.15 0.20

Cell temp.: 333K

70 95

303K

エネルギー変換効率

90%

(11)

・水素の製造

化学反応によるメタノールからの水素生成

電気分解によるメタノールからの水素生成

・車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン

（燃料電池と比べて劣るエネルギー効率の向上が課題）

排熱回収メタノール改質式HCCI燃焼エンジン

・メタノールを直接利用するシステム

メタノールをガソリンのように直接利用するエンジン

メタノールを直接燃料とする燃料電池（DMFC）

メタノール利用システムの例

(12)

Hydrogen homogeneous combustion =1.0, _w=0.43

Hydrogen DI stratified charge =1.5, _w=0.34

0.25 0.75 1.25 1.75 2.25 Time after ignition ms

直接噴射層状給気による水素燃焼の冷却損失低減と効率向上

dQ

/d

t

kJ/s

600 400 200 0 800 1000 1200 1400 0.6 0.8 0 1.0 0.4 0.2

Q

/Q

fuel

P

MPa

0 0.4 0.2 0.6 0.8 1.0 1.2

Time after ignition

0 10 20 30 40 50

ms

Stratified =1.5 (DI fuel 20%) (



_u

=0.94)

Homogeneous =1.0 (



_u

=0.92)

Stratified =1.5 (DI fuel 20%) (



_w

=0.34)

Homogeneous =1.0 (



_w

=0.43)

kW/m

2

q

・ 600 400 0 800 1000 200

8

10

12

14

16

18

30

40

50

60 



i

[%]



_u

0.98, 1.4,



_glh

0.95



_w

 0.43 homogeneous)



_w

 0.34 (stratified)

0.2

0.3

0.25

0.15 

w

 0.1

(13)

・水素の製造

化学反応によるメタノールからの水素生成

電気分解によるメタノールからの水素生成

・車上での化学反応でメタノールを改質して利用するシステム

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素燃料電池

車上でメタノールから水素を生成して利用する水素エンジン

排熱回収メタノール改質式HCCI燃焼エンジン

（高効率の新規燃焼と排熱回収の組合せて高い総合効率）

・メタノールを直接利用するシステム

メタノールをガソリンのように直接利用するエンジン

メタノールを直接燃料とする燃料電池（DMFC）

メタノール利用システムの例

(14)

排熱回収メタノール改質式

HCCIエンジン

Methanol fuel tank Reformer for DME Ex.

In. Reformer Exhaust

for MRG Methanol evaporator MFC Buffer tank Buffer tank MFC _MFC Air _engineHCCI

MFC H₂,CO DME MFC 50 30 20 10

Excess air ratio

Engine efficiency



i

%

Heat increase

in reforming



r %

Overall efficiency



i



r % 40 30 20 10 50 150 130 100 110 140 4 5 0 1 2 3

HCCI

SI

120 40 6

calculated for ideal cases

Compression ratio: 9.7

HCCI燃焼：

ガソリンエンジンのような予混合気をディーゼルエ

ンジンのように圧縮着火させる新たな燃焼方式．

高い効率を実現するが，着火時期制御が困難な

ため実用化に至っていない．

排熱回収メタノール改質式

HCCIエンジン

CH

₃

OH -> 2H

₂

+ CO （吸熱）

2CH

₃

OH -> CH

₃

OCH

₃

+ H

₂

O （吸熱）

着火性の異なる水素と

DMEをメタノール改質で生成し，両者の比率で着火時期を制御．

吸熱反応を利用して排気熱の一部を回収し，高い総合効率を実現．

(15)

水素エネルギー社会構築推進研究センターの紹介

首都大学東京

大学院理工学研究科機械工学専攻

エネルギー環境システム研究室

教授首藤登志夫

2016.6.27

東京都

水素社会の実現に向けた東京推進会議

(16)

構成員

部局・職

現在の専門・役割分担

金村聖志

都市環境科学研究科教授

電池、エネルギー化学、研究総括

川上浩良

都市環境科学研究科教授

燃料電池、高分子化学、研究の実施

宍戸哲也

都市環境科学研究科教授

触媒化学、表面化学、研究の実施

内山一美

都市環境科学研究科教授

分析化学、マイクロ化学、研究の実施

久保由治

都市環境科学研究科教授

超分子化学、研究の実施

Yan Mulyana

都市環境科学研究科准教授

錯体化学、研究の実施

宇治公隆

都市環境科学研究科教授

コンクリート工学、研究の実施

須永修通

都市環境科学研究科教授

環境建築学、研究の実施

首藤登志夫

理工学研究科教授

水素エネルギー、自動車、研究の実施

楊明

システムデザイン研究科教授

マイクロデバイス、研究の実施

都市環境科学研究科附属の研究センターとして平成28年4月設立

首都大学東京水素エネルギー社会構築推進研究センター

(17)

水素エネルギー社会構築推進研究センターのビジョン

Microsoft PowerPoint 東京都水素社会推進会議

水素エネルギーと自動車

（エネルギー密度の視点とメタノールという選択肢について）

首都大学東京

大学院 理工学研究科 機械工学専攻

エネルギー環境システム研究室

教授 首藤 登志夫

2016.6.27

東京都

水素社会の実現に向けた東京推進会議

太陽光などの自然エネルギー

電気エネルギー

水素

EVで利用

FCV等で利用

（航続距離の点で有利）

液体燃料を合成して自動車で利用

輸送用エネルギーキャリアとして利用

液体バイオ燃料（エタノール，

BDF）を製造して自動車で利用

自動車における自然エネルギー利用（簡略版）

石油

LPG 天然ガス・石炭等

自然エネルギー

原子力

電気

エタノール

BDF

水素

電気自動車

水素燃料電池自動車

FT軽油 DME

FTガソリン

メタノール

アンモニア

SIエンジン自動車

直接型燃料電池自動車

改質型燃料電池自動車

改質型

SIエンジン自動車

改質型

HCCIエンジン自動車

CIエンジン自動車

（

HEVを含む）

（

HEVを含む）

（

HEVを含む）

（

HEVを含む）

自動車におけるエネルギー利用の選択肢

エネルギーキャリア

体積エネルギー密度

自動車用途

気体水素

11 MJ/m

3

(293K, 0.1MPa)

鉛バッテリー

288 MJ/m

3

(80Wh/L)

小型

EV

Liイオンバッテリー

1800 MJ/m

3

(500Wh/L)

EV

圧縮水素

5077 MJ/m

3

(293K, 70MPa)

FCV

CNG（CH

4

）

8120 MJ/m

3

大学院理工学研究科機械工学専攻

教授首藤登志夫

_{(293K, 0.1MPa)}

_{288 MJ/m}

_(80Wh/L)

_小型

_EV

_(500Wh/L)

_EV

_{5077 MJ/m}

_{(293K, 70MPa)}

_FCV

₄

_（

_{293K, 20MPa）}

_{（トラック等）}

_{8517 MJ/m}

_{(20K, 0.1MPa)}

_（

_FCV等）

_{（乗用車等）}

_{(293K, 0.6MPa)}

_{（トラック等）}

_{20200 MJ/m}

_{（乗用車等）}

₃

₈

₄

₁₀

_{(293K, 0.8MPa)}

_タクシー

_{（トラック等）}

_乗用車

_{36300 MJ/m}

_{トラック・バス}