手のひらサイズの固体酸化物形燃料電池
科学技術創成研究院 未来産業技術研究所
助教 山田 哲也
2023年2月21日 11:00-14:25

1

小型のSOFCリアクター

三菱日立パワーシステムズ、安藤ハザマ株式会社
https://car.motor-fan.jp/tech/photo/10014320/20200409112540000000/

箱に入れる

エンドユーザー
家畜用デバイス

燃料電池の箱Edge AI

固体酸化物形燃料電池（日本で作っている会社が多数）

長距離ドローン

新しい応用先
自立ロボット

これができると何がすごいのか？ 何が変わるのか？
高エネルギー密度を持つ、環境にやさしいエネルギーシステムができます！
2

水素や炭化水素が持つ高いエネルギー密度
SOFC

使える燃料エネルギー密度

Massimiliano et al., Energies 2009.

リチウムのエネルギー密度
重量密度: 0.558 MJ/kg
体積密度：1.440 MJ/L

Anna Evans, et al., Journal of Power Sources, 2009.

SOFCは水素や炭化水素を高効率に電気エネルギーに変換可能。
リチウム電池より長時間動く電池を作れる！

株式会社NETSサイトより概算
3

SOFCを小型化するために必要な技術は？
熱自立を実現させるための耐熱性と大きな熱応力を緩和させる構造が必要

熱伝導 (W/mK)

Anja Bieberle-H ̈utter et al., Journal of Power Sources, 117, 123, 2008.

発電する電力（W)
出力エネルギーが小さい
リアクターの体積が小さい
SOFCの動作温度が高い

高い断熱性と熱勾配に耐えれる耐熱性が必要
熱の伝わる領域を制限し周りを真空やアルゴンで断熱でき、応力集中を緩和する耐熱構造を発明。（特許出願）
4

SOFCを小型化するための新技術

5

SOFCを小型化するための断熱技術
高温作動（ 700℃以上）
固体酸化物形
燃料電池

真空を利用した断熱性と熱の出入内訳（概算）● デバイスの構造と熱の損失
輻射マイクロ流路
0.3 W
流路からの伝熱
0.6 W

エネルギー変換効率高いエネルギー密度0.7 W
燃料分子と排熱● 微小リアクター内部
カソード反応発熱量
2O2 + 4e → 2O
3W
LSC
YSZ

真空0.8 W

NiO/YSZ

アノード反応2H2 + O2- → 2H2O

電力2 W
発電効率
40%以上

低真空からの伝熱

マイクロ流路と微小リアクターにより准閉鎖系を実現
6断熱性と耐熱性を達成できる構造を作った
リアクターの基本となる耐熱構造を見出し、高い昇温速度も実現（数分で７００度）
赤外線カメラ

普通の構造
割れる
壊れる前
壊れた

局所加熱
300℃付近で破損
構造シミレーションより
800 MPa以上の応力が発生し材料破壊が起こるが我々の構造では３分の１に低減できることを確認

耐えられる温度 (℃)
材料破壊する温度（℃)

1200
1000
800

耐熱構造で高温作動可能
SOFC
動作温度へ
実測値

600
400
2000

従来
従来構造

本研究
本研究

7

試作機の作製過程の様子（セラミックスの加工）
切削レーザー

耐熱性と断熱性を両立した材料
セルの作製
流路
出口

入口

0.5 mm

一部早送り

近年の加工技術の向上によりセラミクスの微細加工が容易に
8微小流路を使った熱交換

SOFCの効率を上げるためには 燃料（２５℃）→リアクター(800℃)→出口ガス
350
既存の構造
熱の利用が大切になる。

（C. W. Liu et al., Heat Transfer, 2011.）

出口

入口0.5 mm

高い熱交換を実現
250

200

150

100

500

流路構造を工夫

既存構造

マイクロ空間ではバルクに比べて1000倍以上の高い熱交換係数を実現できる

出口のガス温度（℃）

3009マイクロデバイス内での起電力測定
水素導入と起電力測定

起電力 (V)

1.2offH2 on

1.0offon

水素を導入することで

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

01234

時間 (分)

水素を導入により理論値に近い起電力を確認
現時点で、サイズ直径50 mm、厚さ3 mmのリアクターで電力が0.1 W程度
高性能なセルを搭載する高性能化を目指す。
10

一つのリアクター材料費概算（セルスタックなし）
一部を中国で購入した場合

日本メーカーより購入
合計金額 667 円

リアクター
1%

2%

8%

リアクター

合計金額 411円
4%

3YSZ

2%

スパッタリングPtターゲット

12%
33%

その他、Niメッキなど
59%

30%

銀ペースト

49%

シーリング材SOFCセル8%

合計金額 49円

2%

カソード

LSCF

YSZ電解質
アノード酸化ニッケル

90%

試作機ではヒーターに白金を使用
ニッケルなどに変更すると１個３００円になる試算
11

開発予定SOFCの特徴と従来比較

使用用途

赤文字は達成できていること

従来のSOFC（定置用電源）手のひらで持てるSOFC

家庭用電源、大規模サーバーの電源

ウエアラブルデバイス、ドローン、自立ロボット、リチウム電池の代替や補助
高断熱性により筐体を有機物材料可能
加工がしやすく、軽量化ができる（100g以下、１スタックで厚さ約１mm, 直径50 mm）。
10 W以下の比較的小さいエネルギー出力を目指す。
（現状は1スタックで約0.2 W）

電池作製材料

セラミックスや金属を使用し、重たく加工が難しい

出力
エネルギー

１ kW以上の大規模電源動作温度に達するまでの時間数時間必要

5分以内に700℃以上に加熱できる。
（耐熱構造、低熱容量、断熱により実現）

耐用年数

１０年以上数年程度を目指す。

値段

１５０万以上実験室レベルでの原料費500円以下
量産で値段はより落とせる
12

SOFCの小型化に関する
先行研究

13

競業社：MEMSを使ったSOFCはリリースできず（アメリカ）
After $150M Raised, What Went
Wrong at Fuel Cell Startup Lilliputian

失敗した理由1. MEMSを使ったセルを使い、低コスト化ができなかった。
2. 燃料を供給するための機構を独自で安く作ることができなかった。
3. エネルギー産業という大きな壁。
MITから作られたSOFC電池
Intelなどの出資で$150M
https://xconomy.com/boston/2014/08/14/after-150m-spent-whatwent-wrong-at-fuel-cell-startup-lilliputian/

我々のグループでは平板状のセルを使うことで安く高出力が期待できる。
燃料供給には現時点でアイデア、解決策を持っている。

スイスでもMEMSを使った研究が盛ん
14

競業：チューブ状SOFCを実現？（ドイツ）

いくつかの賞とか獲得しているが売り出されていない様子。。。

15

競業：産総研ではチューブ型でドローンに搭載
産業用ドローン

産総研は数百ワットの出力
我々は10ワット以下を目指す。

16

共同研究に関して

17

18

19

20

協力企業とその役割分担
セラミックリアクターを加工する会社
出口

入口

0.5 mmセラミックス板を加工
切削やレーザー加工などセラミックスの粉を成形の協力
プレス成形、鋳込み成形、配線
ドクターブレードやシート成形など開発した小型SOFCを実装する会社
・リチウム電池との統合・制御システムを作る
・実際にアプリケーションを動かすSOFCセル作製できる会社
・新規材料のYSZやNiOを評価
・御社で作ったセルを小型リアクターに載せ、その場合の性能評価を実施

SOFCの材料（粉）会社
・YSZ材料とNiO材料の開発・製造・量産などの検討
・材料の評価21

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：可搬性を有する小型燃料電池• 出願番号 ：特願2022-153347• 出願人：東京工業大学
石川県工業試験場• 発明者：山田哲也、鳥飼龍太郎
柳田保子、竹田大樹
22

お問い合わせ先（必須）
国立大学法人 東京工業大学
研究・産学連携本部 産学連携部門
ＴＥＬ 03-5734-3817
ＦＡＸ 03-5734-3817
e-mail sangaku＠sangaku.titech.ac.jp
23