New Energies, new possibilities

イスラエル拠点のUrban Aeronauticsは、二酸化炭素排出量ゼロの水素電力をeVTOL CityHawkに実装する契約をHyPointと締結した。

CityHawkは、一見自動車のようなeVTOLだ。Urban Aeronauticsが開発するCityHawkは、6人乗りコンセプトでFancraftローター技術をベースに飛行する。Fancraft技術は、これまでに300回以上の飛行を行った軍事用無人航空機Cormorantにも採用されているダクトファン推進システムだ。Cormorantは、Urban Aeronautics傘下のTactical Roboticsが開発した軍事用eVTOLだ。

CityHawkのローターレス、翼のない設計は、機体のコンパクトさを提供し、Urban Aeronauticsは「どこへでも飛んで、どこへでも着陸する」ドア・ツー・ドアの輸送能力を売りにしている。

現在の設計では、CityHawkは電気と内燃機関のハイブリッド動力を検討していたが、今回の新たな契約により、Urban AeronauticsとHyPointは、HyPointの水素燃料電池スタック技術を搭載した先進的なバージョンの開発を検討することになった。

ハイパワーで100％環境に優しい燃料である水素は、eVTOL航空機の将来の鍵を握っています。

Urban Aeronauticsのラフィ・ヨエリ最高経営責任者（CEO）はコメントしている。HyPointによると、ターボ空冷式燃料電池は、水素パワートレインの寿命を5,000時間から20,000時間に延ばし、燃料補給にかかる時間もわずか数分で済むという。

Urban Aeronauticsが開発している次世代の空飛ぶ乗り物や、水素発電への取り組みに非常に感銘を受けました。このエキサイティングなプロジェクトに協力できることを楽しみにしています。

とHyPointの創業者アレックス・イヴァネンコ氏はコメントしている。

www.drone.jp/news/20200624111546.html

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。

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。

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

www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2020/pr20200615/pr20200615.html

＜ドイツでは、再生可能エネルギー由来の電力で水素を生成する「グリーン水素」が新たな動力源として有望視されている ......＞

「気候変動アクションプラン2050」のもと、2050年までに二酸化炭素排出量を実質ゼロとする「カーボンニュートラル」を目指すドイツでは、再生可能エネルギー由来の電力で水素を生成する「グリーン水素」が新たな動力源として有望視されている。

「水素技術の分野でドイツが世界ナンバーワンとなるための道筋を定める」

2020年6月6日に発表された経済対策においても、中長期施策として、水素技術の研究開発を含め、再生可能エネルギーへの転換に500億ユーロ（約6兆700億円）を投じることが示されている。

6月10日には「国家水素戦略」が承認された。ドイツ国内で水素由来の電力量の需要が2030年までに90〜110TWh（テラワット時）となると仮定し、水素を製造する電解槽の規模を5GW（ギガワット）にまで拡大させる方針などが示されている。ペーター・アルトマイヤー連邦経済エネルギー大臣は、「国家水素戦略」の意義について「水素技術の分野でドイツが世界ナンバーワンとなるための道筋を定めるものだ」と強調している。

連邦州の一部では、すでに独自の水素戦略を策定し、水素社会の実現に向けて動きだしている。ハンブルク、ブレーメン、ニーダーザクセン州らは2019年4月16日、「北ドイツ水素戦略」を策定。水素を化石燃料に代わるものと定め、風力発電など、再生可能エネルギーによってこれを製造する方針を示している。9月には、ハンブルク港で世界最大となる100MW（メガワット）の電解装置を設置する計画も発表された。

南部のバイエルン州では、2019年9月5日に専門研究機関「バイエルン水素センター（H2.B）」を創設するとともに、BMWやアウディ、ボッシュ、シーメンスなどの企業と提携して「バイエルン水素コンソーシアム」を結成した。州政府は、2020年5月29日、「バイエルン水素戦略」を発表し、水素技術の研究開発やインフラ構築などをすすめる道筋を示した。

既存の天然ガスパイプラインを転用して、ドイツ全土に水素供給網構築

連邦政府や州政府の動きを受けて、民間企業でも水素社会の実現に向けた取り組みが始まっている。

ドイツの天然ガスパイプライン事業者の業界団体FNBガスは、2020年1月28日、ドイツ全土5900キロにわたって水素供給網を構築する計画を明らかにした。そのうちの90％以上は、既存の天然ガスパイプラインを転用するという。

また、6月10日には、独電力会社大手RWEと独鉄鋼・エンジニアリング企業ティッセンクルップが提携。RWEの電解装置で製造したグリーン水素をティッセンクルップに供給し、鉄鋼生産に活用する計画を明らかにしている。

www.newsweekjapan.jp/stories/world/2020/06/post-93664.php