ローム株式会社 研究開発本部副部長の神澤公氏(左)とアクアフェアリー株式会社 副社長の石坂整氏(右)

燃料電池の時代がやってきた。それは言い換えれば「水素時代」の幕開けである。自動車の分野では2015年に燃料電池車が市販される。
そんな中で、京都市のベンチャー企業アクアフェアリー株式会社が開発した「固体水素源型燃料電池」が、大地震など災害時の緊急電源や軽くて便利なスマートフォン用電源として注目されている。水素ガスといえば重い高圧ボンベに貯蔵されたものを運搬するのが常識だったが、水素化カルシウムを樹脂封止することによって安全で手軽に利用できるようにしたのがポイントで、さまざまな用途への展開が期待されている。

同社は大手電子部品メーカーであるローム株式会社や、京都大学の平尾一之教授とともに、「メイド・イン・京都」の技術サンプルの販売を開始し、2015年の量販・発展を目指している。新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)も助成を決め、2014年1月には企業16社、地方自治体、京都大学などが参加する「京都燃料電池アライアンス」が発足。国際標準化や安全規制の緩和、デザイン、量産体制の整備、リサイクルなどの課題解決に向けて動き出した。
アクアフェアリー副社長の石坂整氏と、ローム研究開発本部副部長の神澤公氏に、この燃料電池の特長や将来の可能性について伺った。

小型で軽量、静かで安全、そして長期保存が可能

――いろいろなタイプの燃料電池がある中で、固体水素源型燃料電池の特長をお聞かせ下さい。

アクアフェアリー株式会社 副社長 石坂整氏

アクアフェアリー株式会社 副社長 石坂整氏

石坂 まず小型で軽量であることです。ハイブリッド高出力タイプでも7kg程度で、片手で持ち運べます。普及しているエンジン発電機やガス発電機は20kgほどですから運ぶのは大変ですが、これなら女性でも持ち運べます。日本が地震国であることを考えれば、災害時や緊急時に備えた電源として特に適していると思います。
2つ目は水蒸気しか出さないクリーンな電池であることです。エンジン発電機は臭いがするし、二酸化炭素や微量の一酸化炭素を排出します。一酸化炭素は屋内で溜まると、人の生命を脅かしますが、固体水素源型の燃料電池なら屋内に置いても安心です。
3つ目は静かなこと。深夜でも周りに迷惑をかけません。例えば災害時の避難所では、暖を取ったり通信機器を使ったりするのに電気が必要ですが、エンジン発電機だと、臭いと有害物質と騒音のため離れた場所に置かねばなりません。

固体水素源燃料シート

写真1:固体水素源燃料シート

神澤 開発している製品は小型から高出力大型まであり、例えば小型タイプですと、約5ccの水と5g程度の燃料シートがあれば5Whの電力を生み出し、スマホをフル充電できます。世界最軽量の燃料電池です。単3電池ですと4本あってもスマホのフル充電は難しいことを考えると、この燃料電池がいかに優れているか分かっていただけると思います。

 

水素発生剤粉末を固形化した安全な固体水素源

写真2:水素発生剤粉末を固形化した安全な固体水素源

約5gの燃料シート(写真1)は、チューインガム1枚程度というコンパクトさです。化学薬品なのでラミネートシールで密封しており、安全に長期保存することが可能です。水素を使うので、とにかく安全でなければなりませんが、その点においても、アクアフェアリーさんが開発したこの技術は素晴らしいものです。

 

水素をその場で必要なだけ作り発電する

――固体水素源型の燃料電池は、「水素をその場で必要なだけ作り発電する」というオン・デマンドの発想がユニークですね。その構造や作動する仕組みについて説明していただけますか。

石坂 この燃料電池は「水素を発生させる技術」と「超薄型の発電セル」の2つが重要なコア技術になっています。

水素利用燃料電池の仕組み

図1:水素利用燃料電池の仕組み

まず固体の水素発生源に水タンクから水滴を加え、化学反応によって水素を発生させます。(図1) その水素を発電セルに導き、空気中の酸素と反応させて電気を生み出します。発電中排出されるのは水蒸気だけで、温暖化の原因になる二酸化炭素をはじめ有害なガスや物質は出しません。

固体水素発生源パッケージ(固体水素源缶と燃料カートリッジ)を装置に補給するだけで、いつでもどこでも必要な量だけ発電できる安全な構造です。5Whの小型から数百Wh以上の大型まで、多様な用途に応じた製品を同じ原理で供給できます。水素発生源を取り替えることで長時間の電力使用も可能です。(写真3)

写真3:ロームとアクアフェアリーが共同開発中の燃料電池

写真3:ロームとアクアフェアリーが共同開発中の燃料電池
(a)ハイブリッド高出力タイプと、固体水素源缶(囲み枠内) (b)小型タイプと燃料カートリッジ(囲み枠内) (c)長時間使用タイプ

――固体水素源型燃料電池の開発に挑戦しようと思われたきっかけは何ですか。

石坂 以前勤めていた会社で、燃料電池の電解質膜の性能評価をする目的で発電セルを作っていました。すると予想外に小型で高性能な発電セルが完成しました。それならこの発電セルに適切な水素発生源を見つけて組み合わせれば、画期的な燃料電池ができると思い付いたのです。

それまで水素はガスボンベに詰めて運び、コックをひねって使うというのが常識でしたが、ボンベは重いし大きい。そこで水素をその場で発生させる技術を考案しようと、多種多様な方法を、それこそ手当たり次第に試しました。

さまざまな水素発生剤になり得る材料を検討しましたが、結局、安定して水素を出せる材料としてたどり着いたのが水素化カルシウムでした。
こうして発電セルと固体水素発生源という2つのコア技術を得て会社をスピンアウトし、2006年にアクアフェアリーを立ち上げたのです。

3つ目のコア技術は水素の暴走を安全に制御する独自技術

――水素といえば爆発しやすい危険な気体というイメージがあります。安全な製品にするために、どのような工夫をされているのでしょうか。

石坂 検討した数々の水素発生原料のほとんどが、低温では反応が鈍いので活性化させる必要があり、高温では逆に急激に反応し暴走の危険性もあるので抑制する必要があります。つまり活性化と抑制という2つのシステムが必要になります。

これに対し、水素化カルシウムは低温でも高温でも活発に反応する特徴があるので、抑制の工夫だけすればいい。そこで私たちは試行錯誤しつつ水素化カルシウムの粒子を樹脂で覆うコーティング技術を開発し、安全に制御できる水素発生源にすることに成功したのです。このコーティング技術は特許として確立しました。

さらに水容器と水素発生容器の圧力のバランスを利用して水を出したり止めたりして水素発生を制御する技術も考案しました。水素の暴走を抑えるために欠かせない技術です。これが3つ目のコア技術になりました。

――それはどういう仕組みで動くのですか。

石坂 水に圧力をかけて水素発生容器に水滴を入れると、水素が発生して圧力が高まり水を押し返そうとします。これが水を止める力になります。発生した水素を燃料電池が消費する(図2:①②)と、水素発生容器の圧力が下がってくる(図2:③)ので、また水滴が流れ込んで(図2:④)水素発生を進めます(図2:⑤)。このように水素発生のオン・オフを、ポンプなどを使わず単に圧力のバランスを利用するシンプルな仕組みで実現することができました。

水素発生と給水のメカニズム

図2:水素発生と給水のメカニズム

一方、発電セルのほうも改良を重ねて、心臓部であるMEA(電解質膜・触媒・電極)を樹脂で固める方法を考案しました。一般的には樹脂成型すると高温になるので、非常識な方法とされていますが、我々は誰もできないと思っていたことにチャレンジし、独自の工夫で実現しました。

発電のもう1つの原料である酸素は、空気をファンで吸い込んでセルに供給します。このファンは反応でできた水蒸気や熱を放出する役割も果たします。
こうした工夫により、5Whの小型品から200Wh以上の高出力大型品まで、同じテクノロジーでカバーできるようになったのです。

text:木代泰之

後編はこちらから

石坂整氏

いしざか・ひとし
石坂 整

アクアフェアリー株式会社 取締役 副社長 CTO
1964年生まれ。1987年3月 兵庫県立大学(旧姫路工業大学)電気工学科卒業。同年 日東電工株式会社に入社。2003年 小型燃料電池 発電セルの開発に従事。2006年 アクアフェアリー株式会社設立と同時に入社、2007年 取締役開発部長、2011年 取締役副社長CTO、現在に至る。
主にプロセス技術、システム開発、生産技術に従事。2006年からは燃料電池の開発に専念。

神澤公氏

かみさわ・あきら
神澤 公

ローム株式会社 研究本部(兼)燃料電池事業ユニット 副本部長(兼)ユニットリーダー
1954年生まれ。1982年 ローム株式会社入社、半導体デバイスの微細加工技術の研究開発。1999年 半導体研究開発本部 副部長。強誘電体メモリー(FRAM)の研究開発、 国家プロジェクト(MIRAI、HALCA、ASUKA)の計画作成および推進メンバー。 2008年 研究開発本部 副本部長、現在に至る。
パワーデバイス、センサ&ネットワーク、光デバイス、バイオデバイス、マイクロエネルギーデバイス、燃料電池などの研究開発に従事。


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