地球温暖化の対策に、カーボンニュートラルの施策が強化されています。カーボンニュートラルとは、エネルギーを伴う生産活動において、活動、生産等において二酸化炭素(CO2)ガスを発生させたら、その二酸化炭素ガス分だけ減らすことにより差し引きゼロにし、ニュートラルにすることを意味する。このカーボンニュートラルを突き詰めれば「ゼロカーボン」に行きつく。言わばゼロカーボンが究極の目標です。

 カーボンニュートラルの施策が最もインパクトを受けるのは工業界であります。なぜなら、製品を来るための装置製造、部材製造において、全ての工程での化石燃料の電力を極力使わないゼロカーボンが要求されるからです。カーボニュートラルを満たさない場合は、炭素放出量に従って炭素税が課税される世の中になります。

 販売されている窒素ガスは液体窒素から主として作られます。液体窒素は空気を原料として深冷分離法で製造されています。深冷分離法の冷却には化石燃料を用いた電力が使われており、カーボンニュートラルの製造で作られたガスではないと言えます。

本システムによる窒素ガスは、グリーン水素に並んで、正に「グリーン窒素」を目標にします。

 MCSは、再エネで作られた水素エネルギーに注目し、燃料電池の電力、熱エネルギーだけではなく、無駄に捨てられている排気ガス中の高濃度の窒素ガスを利用する技術を10年来検討してきました。燃料電池利用の中で、電力と熱(お湯)を出力するエネファームはコジェネレーションの燃料電池です。MCSの目指している燃料電池は、ゼロカーボンで電力、熱に窒素ガスを加えたトライジェネレーションの燃料電池です。以下はその開発成果と窒素ガス生成技術の意義などについて紹介しています。

佐久支援センター様製作のトライ・ジェネレーションシステム紹介動画

■令和5年度成長型中小企業等研究開発支援事業採択  (Go-Tech事業)

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 地球温暖化の対策に、カーボンニュートラルの施策が強化されています。カーボンニュートラルとは、エネルギーを伴う生産活動において、活動、生産等において二酸化炭素(CO2)ガスを発生させたら、その二酸化炭素ガス分だけ減らすことにより差し引きゼロにし、ニュートラルにすることを意味する。このカーボンニュートラルを突き詰めれば「ゼロカーボン」に行きつく。言わばゼロカーボンが究極の目標です。

 カーボンニュートラルの施策が最もインパクトを受けるのは工業界であります。なぜなら、製品を来るための装置製造、部材製造において、全ての工程での化石燃料の電力を極力使わないゼロカーボンが要求されるからです。カーボニュートラルを満たさない場合は、炭素放出量に従って炭素税が課税される世の中になります。

 販売されている窒素ガスは液体窒素から主として作られます。液体窒素は空気を原料として深冷分離法で製造されています。深冷分離法の冷却には化石燃料を用いた電力が使われており、カーボンニュートラルの製造で作られたガスではないと言えます。

本システムによる窒素ガスは、グリーン水素に並んで、正に「グリーン窒素」を目標にします。

 MCSは、再エネで作られた水素エネルギーに注目し、燃料電池の電力、熱エネルギーだけではなく、無駄に捨てられている排気ガス中の高濃度の窒素ガスを利用する技術を10年来検討してきました。燃料電池利用の中で、電力と熱(お湯)を出力するエネファームはコジェネレーションの燃料電池です。MCSの目指している燃料電池は、ゼロカーボンで電力、熱に窒素ガスを加えたトライジェネレーションの燃料電池です。以下はその開発成果と窒素ガス生成技術の意義などについて紹介しています。

  令和5年度成長型中小企業等研究開発支援事業(Go-Tech事業)の第1回公募に申請していましたが、この度採択が決定しました。タイトルは「カーボンニュートラル対応水素・燃料電池を用いたトライ・ジェネレーションシスエムの製品化開発」であります。今後、3年間、製品開発に向けて開発を加速させてたいと考えています。

本システムでは、窒素ガス純度は、99%から99.999(5N)%を目標としています。

燃料電池の原理

 図1は、燃料電池の原理を示します。

1.水素(H2)が電子(e)と水素イオン(H+)に分かれます。

2.水素から別れた電子は外部回路を伝って空気極へ移動します。この電子の移動と逆方向が電流の向きなります。
 水素イオン(H)は燃料極と空気極を隔てている膜(電解質膜)の中を空気極に向って移動します。

3.電子や水素イオンが空気極へ到達し、酸素と反応して水となります。

 その際、導入された空気(約79%が窒素)は不活性ガスですので空気極からそのまま排気されます。空気極からの排気ガスは酸素が消費されていますので、90%以上の高濃度の窒素ガスが得られます。この高濃度窒素ガスを有効に利用します。再エネによるゼロカーボンの水素を用いれば、ほぼカーボンニュートラルな窒素ガスが得られます。

図1.燃料電池※の原理を示す図

※図1は、高分子型燃料電池(PEFC)の原理図を示していますが、酸化物型燃料電池(SOFC)でも、同様に適用出来ます。

燃料電池を用いたゼロカーボン(グリーン)窒素ガス生成技術の開発

 工場製品の製造、加工等において、窒素ガスが必須要件として使われている市場がたくさんあります。

 窒素ガスは空気中に無尽蔵にあるので安価でクリーンなイメージがありますが、水素ガスに次いで高価なガスであります。商用の窒素ガスは空気から酸素、窒素を電力により冷却し分離し、そのコストは大部分が化石燃料による電力コストが占めています。

リフロー半田付け装置のように大流量を必要とする装置では、頻繁に使用すれば年間数百万円オーダーの経費がかかります。

 半田装置、窒素ガス雰囲気炉、フライヤー装置、アルミ鋳造装置などでは、多量の窒素ガス、電力、熱を必要とします。


 再生可能エネルギーを用いて生成した水素を用いた燃料電池を用いれば、電気、熱の他に図2のように無尽蔵にある空気(窒素比率78%)から酸素ガスだけを消費させて、高濃度のカーボンニュートラルな窒素ガスが得られます。この高濃度の窒素ガスを更に図2のように酸素除去すれば高濃度の窒素ガスが得られます。従って燃料電池は一つの窒素ガス生成装置と見なすことが出来ます。「窒素ガス」、「電気」、「熱」の3要素を得ることが出来るはずとのアイデアを出し、それを実証し特許出願しました。

 窒素ガスを利用する目的は酸化防止のため利用が多く、熱も使用条件の重要な要素となります。例えばリフロー半田付け装置のような場合は、熱自体も必須要件となります。さらに大電力も必要とされます。図2に示すような装置などに適用出来ます。

本技術の意義

①窒素ガス・電力・熱の3点を同時必要とする企業に非常にメッリトが大きい。
 窒素ガスの生成利得は電力、熱の生成の利得より数倍大きい。この理由は、窒素ガス自体の価格が高いことと、排気中に含まれる窒素ガスが多量にあるからで、つまり燃料電池に導入する空気の約80%が窒素ガスだからです。


②ゼロカーボンの推進に寄与します。

これは政府が2050年までに進める計画である「カーボンニュートラルを伴うグリーン戦略」のコンセプトに適合した技術、製品と考えています。

③エネルギー(自然 AND/OR 人工)の利用効率が上がります=光熱費の低減などに繋がります。

本技術を燃料電池に適用すれば、トライジェネレーション※の新たな価値を付加したもので、今後の燃料電池の利用・普及拡大に資するものと考えています。

 ※トライジェネレーション「トリジェネレーション」は、一般に炭酸ガス、電気、熱の3要素を言うので、ここでは、窒素ガス、電気、熱の3要素を「トライジェネレーション」と区別した。

窒素ガス利用分野

 窒素ガスは空気の80%程度を占め、無尽蔵にあるため安価と思ってしまいますが、ボンベ、液体窒素で購入すると水素ガスに次いで高価なガスであり、大量に使用する利用分野ではかなりの製品コストの負担となります。

 窒素ガスは、一般に酸化をさせたくない、もしくは嫌う分野に使われています。酸化する原因は、高温や酸素がある環境であり、それを抑制するガスに窒素ガスが使われています。高温環境を作り出し維持するには大量の電力が必要となります。燃料電池が単に電力、熱だけでなくゼロカーボンの窒素ガスが得られることは、窒素ガスを利用する分野では極めて有用です。表1に産業界で窒素ガスが使わているさまざまな分野を示します。

  1. 本システムでは、窒素ガス純度は、99%から99.999(5N)%を目標としています。

表1. 窒素ガスが利用されている分野

■電子・電気分野
リフロー半田付け装置
接合窒素ガス装置
電子基板の保管庫

■鋳造・ダイキャスト分野
アルミ・鉄溶解窒素ガス供給装置

■不活性ガス雰囲気加工分野
圧延・焼鈍用窒素ガス雰囲気炉

■食品分野
食品保存用窒素ガス供給装置
フライヤー(揚げ物)装置
CA貯蔵窒素ガス供給装置
(CA:Controlled Atomossphere:空気調整)

■機械加工分野
ドライカット装置
(油切削・研磨油代替)

■倉庫・保管庫分野
電子部品の保管
美術館・文化財の保管

■輸送分野
自動車タイヤ
船舶窒素ガスパージ装置

■化学分野
脱酸素用ガス用
冷却ガス用
表1の窒素ガス市場を図で示した図。

燃料電池を用いた窒素ガス生成技術の実証

  本技術の基本実証開発は、2017年度から2019年度の佐久市ものづくり補助事業の支援を受け開発を行いました。

図3は、上記の開発を行い、本技術の実証した基本システムを示します。

1)水素ガスは市販ボンベからとソーラーパネルで発電した電力を用い、水の電気分解により水素ガスを生成し、水素ガス吸蔵合金ボンベに貯え使用しました。

2)燃料電池には、図のように圧力・流量制御された水素ガス、空気が導入されます。

3)燃料電池の排気系の空気極からは、水素と酸素との反応で生じ水と窒素ガス、残留酸素ガスが排出されます。

4)排気されたガスは水が含まれているので除湿部で水が除去されます。その後、排気ガスは一旦、排ガスタンクに収容されます。

5)排ガス中の水が除湿されたガスは、増圧装置で増圧され、窒素ガスフィルターで、排気ガスに含まれる残留酸素ガスを除去し、さらなる高濃度窒素ガスが生成されます。

 特に、窒素ガスフィルターは、導入ガスの酸素濃度が小さくなる程、フィルタリング効果が向上し、空気を使うよりはるかに高純度の窒素ガスが得られることを実証しました。これが燃料電池の排ガスに窒素ガスフィルターを用いる大きな利点です。

6)図3のシステム系において、連続稼働により窒素ガス濃度99.9%以上の高純度の窒素ガスを得ることに成功しました。

この技術により、従来無駄に捨てられていた窒素ガスを有効に利用出来ることを実証し、実用化を目指しています。窒素ガスフィルター技術の応用として、窒素ガスの供給システムも開発しています。

図3. 燃料電池を用いた窒素ガス生成システムの基本実証システム

 図3は、通常の燃料電池の排ガスを用いた窒素ガスシステムの実証で、燃料電池の空気、水素のガス圧は1気圧以下です。従って、窒素ガスフィルターへは増圧装置で増圧します。増圧装置を稼働するには電力が必要し、その分燃料電池で発電する電力を減じます。

 

https://www.kanto.meti.go.jp/seisaku/sapoin/r5fy_go-tech_saitaku1.html

長野県ゼロカーボン技術事業化支援補助事業

2021年度の中小企業経営構造転換促進事業補助金制度に続き、長野県の令和4年(2022年)度成長産業支援補助金(ゼロカーボン分野)」採択され、2023年2月で所期の成果を得て無事終了しました。

 図4は、上記事業で採用したゼロカーボン方式による窒素ガス生成に用いた燃料電池システムの概要を示す。燃料電池には市販のkWクラスの燃料電池を用いた。また、窒素ガス分離フィルターには製品化のために6インチ径の市販品を用いた。また、排ガスに含まれる水を除去するドライフィルターも市販品を用い、所期の目標を達成した。

 図3では窒素ガス分離フィルターに導入する排ガスは増圧装置で加圧したが、この事業ではゼロカーボンを目的に増圧装置を用いない方式を採用した。増圧装置を用いない代わりに、ガスボンベの中圧力(<10気圧)のエネルギーを利用してフィルター導入する「ダイレクトフィルタリング方式」を採用した。供給する空気、水素ガスの圧力は、ここでは6気圧とした。

 これにより、一気通貫で6気圧で99.9%以上の窒素ガス濃度を確認し実証した。

 窒素ガス分離フィルターは空気から窒素ガスを取り出すために使われており、カタログ値では窒素ガス純度は99%程度であるが、燃料電池からの低酸素の排ガスを用いること以下の事が明らかになった。

 窒素ガス分離フィルターの酸素をフィルタリング除去効果は、導入するガスの酸素濃度が低い程、指数関数的に大きくなることが明らかにした(特許出願)。これにより、99.99%(4N)以上の道筋も明らかにした。

この方式は、増圧装置を使わず、高圧のエネルギーを利用することにより、一気通貫で窒素ガスを得ることが出来、電力を用いないゼロカーボンで究極の製造方法となる。

 なお、本事業から図5で理論計算した窒素ガス生成量を実際のシステムで検証出来た。

 

図4.長野県ゼロカーボン技術事業化支援補助事業で行ったシステムの概要

本システムの利得(当社試算)

 水素・燃料電池はカーボンニュートラルに適していると言われていますが、産業界、特に工場現場には残念ながら全く普及していません。その理由の最も大きな理由は、工場で使う電力の単価に対して燃料電池で作る電力の単価が3~4倍高いからです。現状の水素単価は、政策的に安くしている水素ステーション級の水素で100円/m3 程度であり、NEDOがロードマップに挙げている2030年に30円/m3とする目標は、電力単価を商用電力並みにしたいからです。

 本システムは、工場などの生産現場や産業界などで窒素ガスを利用するユーザー様にカーボンニュートラルのソリューションをご提供するもので、そのコスト高を補完するため、従来捨てられていた排気ガス中の窒素ガスを回収し、それ以上の利得を得ることを目標としています。

 本システム導入をご検討頂くため、本システムの利得試算を行いました。

 本計算の基データは、既に数十万台も世の中で使われている燃料電池(商標エネファーム)のカタログ値を参考し分析しました。エネファームは所謂コ(電力・熱)・ジェネレーション・システムであり、その仕様値から都市ガス消費量、水素消費量、発電効率、熱効率等を分析した。それら数値を基に本システムの導入利得を算出しました。燃料電池の燃料には、エネファームでは都市ガス、純水素型燃料電池は純水素が使われます。そこから提供される出力(利得)として、電力、熱(電力換算)、窒素ガスがあります。利得計算をするためのそれぞれの単価を表2に示す。

     表2.システム利得試算のための各種ガス及び電力単価

      各種ガス・電力       単価例
都市ガス(メタン)
   132 円/m3
水素ステーション級水素   100 円/m3
窒素ガス(液体窒素:弊社購入価格)   120円/m3
電力    20円/kWh

 

 図5は、投入ガスの価格に対する出力(利得)を示した図である。図では、エネファームに使われる都市ガスの投入価格を「1」として、各種数値を規格化している。つまり、表2の単価を基に投入する量を掛ければ金額が出て来る。

コスト比較の説明 

①エネファームの場合

 エネファームはメタン(C3H)ガスを改質して水素を生成する。この場合は、例えば100円の都市ガスを投入すれば、電力は76円、熱(お湯)は110円分の利得が得られる。全体利得は190円を得る。つまり、電力とお湯(熱)で約90円の余剰利得を得る。これが、エネファームが広く使われている所以です。

②通常の純水素型燃料電池の場合

 純水素を燃料とする燃料電池は、同じエネファームと同じ電力を得るには、水素ステーション級水素ガス都市ガスの3倍の価格が必要である。図からわかるように、例えば電力76円分の電力を得るためには、300円分の水素が必要である。つまり、商用電力の(3/0.76~)4倍のコストが必要になる。コスト低減が重要な工場現場に、電力を得るために燃料電池が導入されない理由です。

③本システム(純水素燃料電池使用)の場合

 純水素を用いた燃料電池は②の場合と同じで、同じ比率で電力及び熱が出力される。本システムでは燃料電池からの排気ガスから窒素ガスを回収する。図のように、水素300円に対して、窒素ガスは約870円が得られ、電力、熱、窒素ガス、トータルで燃料費に対して約750円の利得が得られる。

 窒素ガスを必須で使用している事業分野では、本システム導入の大きなモチベーションとなります。この利得により、設備投資の償却も早く回収されます。当然、水素燃料費が下がれば下がる程、利得は大きくなります。今までは、燃料電池は、非常用、予備用な使用しか使われていませんでしたが、カーボンニュートラルの最も必要な分野の有力なシステムとなることを確信しています。

 因みに10kW級の燃料電池を用いれば、Go-tech事業での目標では、窒素ガスは約19m/hour程度が見込まれます。50kW級の燃料電池を用いれば、90m/hourの窒素ガス量を見込んでいます。

図5は、水素コストを1として、エネルギー回収率を比較したものである。

 

図5. トライ・ジェネレーションシステムのエネルギー回収率

関東産業省 関東経済局 

2022年度関東経済産業局委託事業

 2022年度関東経済産業局委託事業の中堅・中小企業とスタートアップの連携による価値創造チャレンジ事業に掲載されました。 

「中堅・中小企業とスタートアップの連携事例 マイクロコントロールシステムズ株式会社×株式会社U-MAP
ゼロカーボン窒化アルミニュウムの実現に向けた窒素ガス・電力・熱のトライジェネレーションシステムの開発

本技術の特許

 本技術について、登録、公開された特許を以下に示します。

①特許6069626号
出願日:2012年5月7日
発電の際の電力及び排ガスを利用する半田付け装置及び半田付け方法 
②特許6069631号
出願日:2016年3月17日
発電の際の電力及び排ガスを利用する半田付け装置及び半田付け方法
③特許6379341号
出願日:2016年12月2日
加工装置又はシステム用の発電装置及び発電システム
④特許6606675号
出願日:2018年6月27日
 加工装置に電力及び不活性ガスを供給可能な発電装置及び加工システム
⑤特許6956396号
出願日:2017年4月28日
 加工装置又はシステム用の発電装置及び発電システム
⑥特許7092329号
出願日:2018年1月26日
  電力・低酸素ガスを供給可能な装置及び方法
⑦特許第7176716号
出願日:2018年3月29日
   自然エネルギーを利用した圧縮ガス供給システム及び装置、並びに電力供給システム
⑧特許7466167号
出願日:2019年2月25日
高圧の燃料電池排ガスをフィルタリングする窒素ガス生成方法及び装置

⑨特開2021-136084
燃料電池排ガスをフィルタリングする窒素ガス生成方法及び装置
⑩特許7277985
出願日2022年2月7日 
加工装置又はシステム用の発電装置及び発電システム、並びに当該加工装置又は加工システム
⑪特開2022-114256 燃料電池排ガスを除湿しフィルタリングする窒素ガス生成装置及び方法
⑫特開2022-190065自然エネルギーを利用した圧縮空気供給システム及び装置
⑬特開2022-114256燃料電池排ガスを除湿しフィルタリングする窒素ガス生成装置及び方法
⑭特許7277985
出願日:2021年 10月 26日
加工装置又は加工システム用の発電装置及び発電システム、並びに当該加工装置又は加工システム
⑮U. S. Patent
US Pat. 11,978,935
APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING NITROGEN GAS THROUGH DEHUMIDIFYING AND FILTERING FUEL CELL EXHAUST GAS
 

■長野県に「工業用燃料電池システム研究会」発足

 長野県産業推進機構の音頭で「工業用燃料電池システム研究会」が発足しました。2月に第2回研究会が開催されます。

「工場の生産ラインに導入可能な工業用燃料電池は、未だ課題を残していて普及には至っていませんが、脱炭素のための水素エネルギーの活用として燃料電池システムの導入が大いに期待されています。そこで、近い将来のシステム導入の可能性や新たな開発プロジェクトテーマを見出すため、システムの利点・優位性と技術的課題についての調査・研究や情報交換の場を設けることを目的する」

 本研究会は長野県に所在する当社にとっても各種技術、ニーズを有する企業との出会いの場となり期待しています。是非、ご参加下さい。

カーボンニュートラルを目指す利用者を探しています。

現在、本システムの製品化を目指しています。お客様のニーズ、利用法などを調査しています。

工場などの生産現場、メーカー、業種毎に特別な条件があり、利用者様毎に最適なシステムが必要になるからです。

窒素ガスを生産現場で使っていて、水素を用いた燃料電池発電機を導入し、電力、熱を必要とし、カーボンニュートラルを推進したいと考えている利用者様!

自社に合ったシステムを一緒に開発をしたい利用者様!

自社のプロセスに合ったトライジェネレーションのカスタマイズ製品が欲しい利用者様!

一緒に自社に合ったシステムを一緒に開発をしたい利用者様!

使うための試験・評価をご希望している利用者様!

 

 

本システムに関することはお気軽にお問い合わせください