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発表・掲載日:2020/06/15

世界初の固体酸化物形燃料電池ドローンを開発し、長時間飛行を実証

-LPG燃料により、さまざまな地域での物流、インフラ点検、災害対応などに期待-

ポイント

  • 燃料電池の高出力化、軽量化によって、従来より長時間飛行・作業できるドローンを実現
  • 電力負荷変動が大きいドローンに対応したLPG内部改質固体酸化物形燃料電池技術を開発
  • 水素インフラ整備前の地域でも物流、インフラ点検、災害対応などの分野での活用に期待

概要

株式会社 プロドローン【代表取締役 河野 雅一】(以下「プロドローン」という)、株式会社 アツミテック【代表取締役 鈴木 秀幸】(以下「アツミテック」という)環境技術センター【センター長 内山 直樹】、国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】(以下「産総研」という)極限機能材料研究部門【研究部門長 松原 一郎】鷲見 裕史 主任研究員は、長時間飛行・作業が可能な固体酸化物形燃料電池(SOFC)ドローンを、世界で初めて実証した。

今回、液化石油ガス(LPG)が利用できるSOFCスタックの高出力化と軽量化(出力あたりの重量を従来より60%低減)によって、上空でも発電できるSOFCシステムを開発した。ドローンや二次電池へSOFCで発電した電力を供給することによって飛行・作業時間を長くできる。また、ドローンの電力負荷変動が大きい場合でも、電極内部でLPGを水素や一酸化炭素に安定的に改質できる内部改質SOFC技術を開発した。汎用的で持ち運びが容易なLPGで駆動することから、水素インフラ整備前の地域でも、物流、インフラ点検、災害対応などの分野で貢献することが期待される。

なお、本研究開発は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)「ロボット・ドローンが活躍する省エネ社会の実現プロジェクト」の助成を受けて行ったものである。

材料・化学領域の最近の研究成果の概要図

飛行試験中の固体酸化物形燃料電池ドローン


開発の社会的背景

近年、新産業を創出する具体的な施策の一つとして、「無人航空機(ドローン)の産業利用拡大に向けた環境整備」が挙げられている。小口輸送の増加や積載率の低下によってエネルギー使用の効率化が求められる物流分野や、効果的で効率的な点検を通じた長寿命化による資源のリデュースが喫緊の課題となるインフラ点検分野、人の代わりに現場の被害状況の調査などを迅速に行う必要がある災害対応分野などでは、ドローンやロボットの活用が期待されている。

しかし、ドローンの電源として一般的に搭載されているリチウムイオンポリマー(LiPo)二次電池は、単位重量あたりのエネルギー密度が小さいため、飛行・作業時間が15~30分程度に留まっている。ドローンの消費電力は重量に比例するため、多くの二次電池を搭載することはできず、物流での荷物やインフラ点検での測定機器などの重量物を搭載する作業では、さらに飛行・作業時間が短くなってしまう問題がある。また、災害時には充電用電源の確保が困難な場合もあり、二次電池の使用ができなくなることも想定される。これらの二次電池の問題を解決するために、純水素で駆動する固体高分子形燃料電池(PEFC)を搭載したドローンの開発も国内外で進められているが、水素インフラ整備前の地域では燃料調達が難しいなどの課題がある。

 

開発の経緯

プロドローンは、物流やインフラ検査に活用可能な産業用ドローンの開発・販売を行っている。特に、30kg以上のペイロード(最大積載量)に対応した大型ドローンや、直接作業可能なロボットアームを搭載したドローンなどでは世界的にも先進的な技術を保有している。一方、産総研は、LPGカセットボンベで発電できるSOFC「ハンディ燃料電池システム」を実証し(2013年1月28日 産総研プレス発表)、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構(以下「NEDO」という)プロジェクト「固体酸化物形燃料電池等実用化推進技術開発/次世代技術開発/マイクロSOFC型小型発電機(2013~2014年度)」で量産化に向けた基礎的検討を行った。その後、アツミテックと共同でSOFCの出力や耐久性を向上させた「コンパクトハイパワー燃料電池システム」を開発した(2017年2月9日 産総研・アツミテックプレス発表)。

今回、NEDO「ロボット・ドローンが活躍する省エネ社会の実現プロジェクト/省エネルギー性能等向上のための研究開発/長時間作業を実現する燃料電池ドローンの研究開発(2017~2019年度)」の助成を受け、LPG駆動SOFCシステムのさらなる高出力化・軽量化と、ドローンの電力負荷変動に対応した内部改質SOFC技術、SOFCシステムが搭載できるドローンの開発を行った。

 

開発の内容

図1は、アツミテックが開発したドローン搭載用SOFCスタックの外観である。単位体積あたりの出力密度を向上させるため、平板型セルを採用した。発電した電気を集電するための部材を改良し、電極面積あたりの出力密度を従来の約2倍まで飛躍的に改善した。また、複数の平板型セルを直列接続するためには、セル間で燃料と空気を分離し、電気的な接続を担うセパレーターが必要になる。アツミテックが保有する金属加工技術を応用し、セパレーターの形状などを工夫して軽量化を図り、2017年に発表した「コンパクトハイパワー燃料電池システム」と比べて、出力あたりの重量を60%低減できた。このSOFCスタックをドローンに搭載することによって数kgオーダーの軽量化とそれに伴う省電力化の効果が得られ、長時間飛行・作業の実現に寄与している。

図1

図1 ドローン搭載用SOFCスタック外観

図2は、今回開発したLPG駆動SOFCシステムの外観である。このSOFCシステムには、産総研が開発した内部改質SOFC技術が用いられている。電極内部でLPGを水素や一酸化炭素に改質することで、市販のLPGカセットボンベを燃料として用いることができ、水素インフラ整備前の地域でも使用可能である。一般的に、LPG燃料をSOFCに直接供給すると、LPGの主成分であるブタンなどの熱分解によって燃料側の電極(燃料極、負極)上で炭素析出が起こり、電極性能が急激に低下する。2017年に発表した「コンパクトハイパワー燃料電池システム」では、発電量・作動温度が一定で電力負荷変動がない条件で炭素析出による電極性能の劣化を抑制できるナノ構造電極材料や運転制御技術を開発した。今回、産総研はドローンの電力負荷変動によってSOFCの発電量や作動温度が急激に変化しても電極性能が劣化しない内部改質SOFC技術を新たに開発し、アツミテックが設計したSOFC自動起動・発電・停止制御システムに組み込んだ。これにより、電力負荷変動が大きいドローンに対しても家庭用燃料電池システム「エネファーム」などで搭載されている外部改質器が不要になり、システムの簡略化・軽量化に寄与している。

図2

図2 LPG駆動SOFCシステムの外観

図3は、飛行試験中のSOFCドローンである。プロドローンは、LPG駆動SOFCシステムが搭載でき、30kgまでのペイロードに対応したドローンを開発した。SOFCシステム搭載による重量増に対応するため、重量あたりの消費電力量をできるだけ低減させる工夫が施されている。また、プロペラの振動や気流、離着陸の衝撃などがSOFCシステムの作動に影響を与えない設計になっている。図4は、従来のドローンとSOFCドローンの電力供給の模式図である。従来のドローンはLiPo二次電池からの給電のみであるのに対して、SOFCドローンではドローンの電力負荷が大きい時にはSOFCとLiPo二次電池からドローンへ、電力負荷が小さい時にはSOFCからLiPo二次電池へ充電のために電力供給される。SOFC-LiPo二次電池ハイブリッド電源システムの出力制御の最適化などによって、1時間を超える長時間飛行・作業が実現できる見通しを得た。上空を飛行するドローンの電源としてSOFCが適用できることを世界で初めて実証したことにより、今後さまざまな移動体やロボットなどへのSOFCの応用展開が期待される。

図3

図3 飛行試験中のSOFCドローン

図4

図4 従来のドローンとSOFCドローンの電力供給の模式図

 

今後の予定

さらなるドローンの長時間飛行・作業を実現するため、SOFCシステムの高出力化・軽量化、ハイブリッド電源システムの最適化、ドローンの省電力化などの改良を進め、物流、インフラ点検、災害対応などの分野で活用できるSOFCドローンの早期商品化を目指す。


用語の説明

◆固体酸化物形燃料電池(SOFC)
ジルコニア(ZrO2)やセリア(CeO2)などの固体酸化物(セラミックス)を電解質に用いた燃料電池。一般的に650~800 ℃の高温で作動し、各種燃料電池の中で最も高い発電効率が期待されている。電解質内を酸化物イオン(O2-)が伝導するため、原理的には水素だけでなくプロパン(C3H8)やブタン(C4H10)などの炭化水素も燃料として用いることができる。SOFCはSolid Oxide Fuel Cellの略。[参照元へ戻る]
◆ドローン
無人航空機の通称。航空の用に供することができるものであって、構造上人が乗ることができないもののうち、遠隔操作又は自動操縦により飛行させることができるもの。海外では、UAV (Unmanned Aerial Vehicle)とも呼ばれる。[参照元へ戻る]
◆液化石油ガス(LPG)
主成分は、プロパンとブタン。常温でも、プロパンは約0.8 MPa(8気圧)、ブタンは約0.2 MPa(2気圧)で容易に液化できる。国内では、家庭用・業務用LPGボンベや、小型燃焼機器用カセットボンベ、LPG自動車用燃料などとして流通している。[参照元へ戻る]
◆SOFCスタック
複数のSOFCセルと導電性セパレーターを交互に配置し、電気的に直列接続した構造体。1セルあたりの電圧、電流はそれぞれ1V弱、1~10A程度であるため、直列接続することによって高出力化する。セパレーターは、セル間で燃料と空気を分離する役目も担う。[参照元へ戻る]
◆SOFCシステム
SOFCスタックを保温するための断熱材や起動用バーナー、燃料・空気供給系(配管、ブロア(ポンプ)など)、電力制御系(DCコンバーター(ACインバーター)、コントロールユニットなど)を組み込んだもの。[参照元へ戻る]
◆内部改質
LPGなどの炭化水素を燃料電池の化学反応が起こりやすい水素(H2)や一酸化炭素(CO)に改質する反応を電極内部で行うこと。内部改質は改質部と燃料電池間の放熱損失が全くないため、発電効率は向上するが、電極内部で炭素析出による性能劣化が起こりやすくなるため、電極のナノ構造制御や燃料組成の制御などの技術が重要になる。[参照元へ戻る]
◆リチウムポリマーイオン(LiPo)二次電池
リチウムイオン(Li+)を伝導体とし、電解質にゲル状のポリマー(高分子)を用いる二次電池。1セルあたり3.7Vと高電圧で、他の二次電池(鉛蓄電池,ニッケルカドミウム電池,ニッケル水素電池など)と比べて小型・軽量化が容易である。携帯電話やスマートフォン、ノートパソコンなどの電源として幅広く用いられている。[参照元へ戻る]
◆固体高分子形燃料電池(PEFC)
スルホン酸基をもつフッ素系高分子などの固体高分子を電解質に用いた燃料電池。一般的に室温~80 ℃の低温で作動し、燃料電池自動車などで用いられている。電解質内を水素イオン(プロトン;H+)が伝導するため、一般的には純水素が燃料として用いられる。PEFCはPolymer Electrolyte Fuel Cellの略。[参照元へ戻る]
◆平板型セル
支持体が板状になっている燃料電池セル。SOFCは主にセラミックスで構成されるため、板状以外に支持体を筒状にした円筒型セルなど、さまざまな形状のSOFCが開発されている。近年、燃料側の電極を支持体とし、電気抵抗が最も高い電解質を薄膜化した燃料極支持型セルが主流になっている。[参照元へ戻る]
◆炭素析出
LPGなどの炭化水素の熱分解によって固体の炭素が析出すること。SOFCの電極上で炭素が析出すると、電極触媒の失活や燃料流路の閉塞などによって発電性能が著しく低下する。[参照元へ戻る]
◆外部改質
LPGなどの炭化水素を水素や一酸化炭素に改質する反応をSOFCの外部で行うこと。家庭用燃料電池システム「エネファーム」などでは、SOFCスタックの前段に外部改質器が設置され、SOFC電極上での炭素析出による性能劣化が起こらないようにしている。[参照元へ戻る]

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