東京都のエネルギー消費量は日本全体の1割程度である。土地あたりエネルギー消費が非常に高いが、人口、GDPでみると高効率な都市である。エネルギー供給で電力は全体の3割を占めた。エネルギー消費では運輸部門が40%、次いで業務・家庭部門がそれぞれ27%、21%を占めている(1990年)。また家庭部門では給湯、暖房など温熱需要が多く、業務部門では電力が大半を占めていた。

　首都圏業務ビルについてエネルギー消費量調査を行った結果、電算室の電力、冷房需要が非常に多かった。事務室では日中の電力、冷房、日射熱取得がが非常に大きい。これらの結果から需要形態に適した技術を挙げた。

　・業務ビル電算室の高い電力、冷熱需要 →燃料電池(FC)コジェネレーション

　・昼間電力需要がある業務ビル事務室 →窓用太陽電池(PV)

　・外皮による日射熱取得が大きい(大きな窓面積)業務ビル事務室 →遮蔽性窓用PV

　・電力需要が大きい民生業務部門 →高効率電力変換FCコンバインドシステム

　・温熱需要が大きい民生家庭部門 →太陽熱温水利用、FC熱電併給による熱供給

　・交通部門 →電気自動車、FC搭載型自動車

　各部門、建物用途、建物内の室用途内訳によって適した技術導入の種類、量を変えることが必要である。

　次章では燃料電池発電システムについて詳細な設計及び評価を行い、都市利用が可能な技術開発には何が必要か、エネルギー消費削減(CO₂排出量削減)にどういう効果があるかを定量的に検討した。

　燃料電池をオンサイト型発電システムとして利用することとした。燃料電池コジェネシステムあるいはタービンとのコンバインドシステムにより高効率発電システムの設計を目指した。SOFCシステムとFCCCシステムについて詳細な設計を行った。広範囲の作動温度(WT)、スチーム/カーボン比(S/C)条件 -FCCCではさらに作動圧力(WP)、燃料利用率(U_f)、空気利用率(U_a)、タービン入口温度(TIT)の制約、プラント規模(r_GT/FC)-における出力(起電力)特性を明らかにし、コストとエネルギーの観点から定量的に評価を行った。またシステムコストとライフサイクル投入エネルギーの計算手法も確立した。さらに発電効率向上のために廃熱利用方法として発展途上段階である熱電変換素子を取り上げ有効性を議論した。

FCCCシステムガスフロー

　SOFC単体システムでは低温化は材料選択の幅を広げシステムのコストを低減するとともに、起電力の大幅な向上が得られることが明らかになった。高温作動ではCPTが非常に長くなり導入は困難であるが、低温作動システムはコストペイバックタイム(CPT)の面で実現可能である。低S/C作動や性能向上、低コスト化により、さらにCPTを低減できる。また、排熱の有効利用はシステム総合効率を上げ、CPT、EPTを大幅に短縮するため、電気及び熱需要に適したシステムの導入が重要であることが示唆された。現状で実現可能性と性能からみてS/C＝1.0〜1.5で温度800℃が最良の作動条件と判断できる。

　FCCCで最適条件として総合発電効率60%、TIT1373K、CPT6年、EPT1年であるシステムをまとめるとどのシステムもWPは0.4〜0.5MPa、WTは700〜800℃であり、この時電流密度0.4Acm^-2でV_lossが0.3Vが達成される条件がよい。ここで技術開発課題をまとめると次のようになる。

　・電極構造、電極活性化による低温作動(700〜800℃)における低過電圧の実現

　・セル形状の工夫によるIR損の低減

　・タービン入口温度の向上(〜1300℃)(FCCCシステム作動温度1000℃利用の場合)

　・低S/C領域(S/C＝0〜1.5)での炭素析出抑制(SOFC単体システムで重要)

　・セル、改質触媒の長寿命化によるライフサイクルコスト、エネルギーの低減

FCCCにおけるSOFC作動温度WTとCPT/EPT

　自動車用電源としてPEMFCが実用化レベルにあと少しというところまで来ている。ここでは将来技術として直接メタノールを導入するDMFCシステムに着目し、設計・評価を行った。

　セル・モジュール設計(セルサイズ、熱交換システム)、WT、S/C、WP、U_f、U_a、クロスオーバー率(CR)による出力(起電力)特性の違いを明らかにし、コストとエネルギーの観点から定量的に評価を行った。その結果、PEMFCよりもDMFCが優れた技術であった。本研究で電気抵抗、圧力損失などシステム評価を行いDMFC/PEMFCとも新たに小型化のメリットが明らかになった。次に作動条件の影響を検討した。その結果、200℃付近の高温作動(その際、低湿で高いプロトン導電性の膜開発要)、S/C＝1〜2まで低減(高CO濃度に耐え得る新しい電極要)、まで向上、CRは0.35以下に抑制という課題が明らかになった。

　さらに、自動車搭載し走行モードに適用させたところ、80km h^-1以下の走行モードのときにガソリン車よりも燃費が高かった。また、平均必要動力が低い10.15モード(加速型についても)では小発電規模(ここでは必要動力の75%)でメリットが高いことがわかった。また低速一定走行で高い燃費が得られた。

DMFCガスフロー(空冷式)