エネルギ資源とエネルギ問題 エネルギ変換工学 第1回 2005S13 藤村 甫 監修 木下 祥次

Presentation on theme: "エネルギ資源とエネルギ問題 エネルギ変換工学 第1回 2005S13 藤村 甫 監修 木下 祥次"— Presentation transcript:

1 エネルギ資源とエネルギ問題 エネルギ変換工学 第1回 2005S13 藤村 甫 監修 木下 祥次
エネルギ変換工学　第1回 　エネルギ資源とエネルギ問題 2005S13　藤村　甫 監修　木下　祥次

2 １．１エネルギ資源                                                                            2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

3 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

4 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

5                                                                             2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

6                                                                             2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

7                                                                             2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

8                                                                             2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

9 1.2 エネルギ問題 http://www.enecho.meti.go.jp/(資源エネルギ庁）
1.2　エネルギ問題

10 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

11                                                                            2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

12 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

13 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

14 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

15 エネルギ問題を解決する方法をいくつか今日参加された皆さんで，これから継続的に考えて行きましょう。
　エネルギ問題を解決する方法をいくつか今日参加された皆さんで，これから継続的に考えて行きましょう。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

16 1.3 地球温暖化 http://jccca.org/_old/find/ondanka/
1.3　地球温暖化

17 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

18                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

19 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

20 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

21 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

22 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

23 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

24                                                                                               2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

25                                                                             2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

26                                                                             2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

27 乾燥，半乾燥および乾性半湿潤地域における種々の要素（気候変動および人間の活動を含む）に起因する土地の劣化をいう。
1.4　砂漠化 砂漠化とは： 乾燥，半乾燥および乾性半湿潤地域における種々の要素（気候変動および人間の活動を含む）に起因する土地の劣化をいう。

28 下の地図は，乾燥地域の分布を示したもので，年間降水量を可能蒸発散量の比で示す乾燥度指数で区分されている。 2018/9/21
                                                    2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

29 砂漠化の要因 　　大きく気候的要因と人為的要因に分けられるが，砂漠化に関与する割合は気候的要因が１３％，人為的要因が８７％と言われている。 気候的要因： 　　サハラ砂漠南部では，１９１５年までの少雨期の後，１９３０年頃までは比較的降水の多い時期が続いた。１９３０年以降は干ばつが数年おきに現れるとともに，１９８５年に至るまで降水の減少傾向が見られている。特に，１９６８－７３年の干ばつは厳しく，著しい土地の荒廃を招き，砂漠化防止の国際的取り組みの契機となった。 人為的要因： 　　過放牧，薪炭材の過剰採集，過開墾，不適切な水管理による塩類集積などがあげられる。これらは植生の減少，土壌侵食の増大，表層土壌への塩類集積を引き起こし，土壌の劣化，土地の生産力の減退をもたらしている。砂漠化の背景には当該地域住民の貧困と急激な人口増といった社会・経済的な要因が存在している。 　 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

30 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

31 　　　　　　　地域別砂漠化の主要な原因 砂漠化は，気候変動と主に過放牧，森林の不適切な管理と過伐採，過耕作，不適切なかんがい，植生破壊などの人間活動により起こる。そして，それらは人口増加，貧困や土地所有制度などの社会制度によりさらに深刻化する。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

32 干上がる湖　アラル海 中央アジア，カザフスタンとウズベキスタンにまたがって広がる内陸湖アラル海。かつては琵琶湖の100倍の面積を持ち，世界で4番目に大きな湖だったアラル海が縮小の一途をたどり，消滅の危機に瀕している。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

33 １.５ オゾン層の破壊 http://www.virtualglobe.org/jp/info/env/02/index.html
１.５　オゾン層の破壊

34 オゾンって？ 　　酸素に紫外線が当たるとオゾンという物資に変化します。オゾンは酸素と違い，特有のにおいのある気体で殺菌・漂白作用があり生物には有害な物質ですが，生物に有害な紫外線をさえぎる性質があり，地球上をおおうオゾン層は，生物を有害な紫外線から守っています。また，オゾンに紫外線が当たると酸素に戻る反応も起こるので，オゾンの量は長い間一定の量を保っていました 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

35 オゾン層はどうやってできたか？ 古い地球の大気は，窒素・アルゴン・二酸化炭素といったものでした。 生命は約３５億年前に海で発生したのですが，陸には太陽の有害な紫外線が降り注いでおり，長い間紫外線の届かない海でしか生活できませんでした。しかし，水中の植物の光合成により作られた酸素がオゾンとなり，オゾンは長い年月の間に地球の大気の表面を覆うようになり，有害な紫外線が地上にとどかなくなり，海の生物は陸地と移動するようになりました。 もし，オゾン層がなくなれば，現在陸上に住んでいるほとんどの生物は太陽の有害な紫外線の影響で死滅するでしょう。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

36 オゾンのまとめ オゾンとは......…Ｏ３ オゾン層とは..…地上25km～45kmにある オゾンの密度が高いところ
　　　　　　　　　　　オゾンの密度が高いところ オゾン層の役割…紫外線の吸収 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

37 オゾン層を図で表すと・・・・ 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

38 オゾンホールの拡大 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

39 オゾンの減少と紫外線の影響 ・オゾン全量の１％の減少 →紫外線は約２％増加 →皮膚ガンの発症が２％増加し，白内障の発症が
　→紫外線は約２％増加 　→皮膚ガンの発症が２％増加し，白内障の発症が 　　　0.6～0.8％増加 ・動植物プランクトンに致命的な打撃 ・穀物等農業生産の減少も懸念 ・光化学スモックの悪化 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

40 1.6　酸性雨 　工場や自動車の排気ガスに含まれる硫黄酸化物(SOx)や窒素酸化物(NOx)は水と化学反応をして，硫酸や硝酸といった強い酸性の雨となり地上に降ります。 特にpH5.6以下(pHは低いほど酸性が強い）の酸性を示す雨を酸性雨といいます。

41 酸性雨発生の要因は？ ・ＰＨ5.6以下の雨が降ります。これが 酸性雨です。 ・化石燃料を燃焼させると ・硫黄酸化物や窒素酸化物が発生し，」
・硫酸イオン，硝酸イオンが生じます。 すると， ・ＰＨ5.6以下の雨が降ります。これが 　酸性雨です。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

42 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

43 酸性雨の原因(復習） ・硫黄酸化物 石炭などの化石燃料中の硫黄分を燃焼 火山の噴煙などの自然現象 ・窒素酸化物
　石炭などの化石燃料中の硫黄分を燃焼 　火山の噴煙などの自然現象 ・窒素酸化物 　燃焼用空気の中の窒素が高温状態で酸化 　燃料の中に含まれている窒素化合物が酸化 　自動車の排出ガスが原因 　ボイラー，燃焼炉などの固定発生源 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

44 （１）酸性雨の湖沼への影響 ・スウェーデン ９０００の湖沼では魚類の生息に悪影響 ・ノルウェー
　９０００の湖沼では魚類の生息に悪影響 ・ノルウェー 　１３００平方キロメートルの地域では魚がいなくなる ・カナダ 　４０００の湖沼が死の湖となり，サケが住んでいた河川でもサケの姿が見られなくなる 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

45 （２）酸性雨の森林への影響 微生物が死に，木の根に栄養がいかなくなる。 葉の葉緑体に酸性雨がつまり光合成できなくなる。 2018/9/21
第2回　エネルギ資源とその問題

46 （３）歴史的な遺跡，建物・石像への影響 （例：ローマの遺跡，ドイツのケルン大聖堂など）
ポーランドの古都，クラクフの酸性雨被害（地球環境キーワード事典） 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

47 酸性雨の影響（まとめ） ・森林への影響 ・歴史的建造物の破壊 ・地下水の酸性化 ・赤潮への影響 2018/9/21
　・森林への影響 ・歴史的建造物の破壊 ・地下水の酸性化 ・赤潮への影響 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

48 ２．電池の種類 　一口に「電池」と言っても，実際はたくさんの種類があります。 大きく分けると，化学反応を利用した化学電池と物理作用を利用した物理電池です。 　　私たちの生活に身近なものは化学電池ですが，使いきりタイプの一次電池， 充電して繰り返して使える二次電池，未来電池として期待される燃料電池に分けられます。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

49 2.1　化学電池の発電原理 　電池の発明者はボルタ（イタリア）で，彼は希硫酸のなかに銅板と亜鉛板を入れ，その間を導体でつなぐと連続して電気が取り出せる電池を発明しました。これが現在の化学電池の原理となる「ボルタ電池」です。 　亜鉛を希硫酸（または食塩水）に入れると，亜鉛が－（マイナス）の性質を持つ電子を残して溶けだし，亜鉛板は－電気を帯電。銅板はほとんど溶けずに＋（プラス）となります。その二つを導線でつなぐと，銅から亜鉛に電流が流れます。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

50 2.2 で・・燃料電池の発電原理は・・ ・燃料電池(Fuel Cell)の原理
2.2　で・・燃料電池の発電原理は・・ ・燃料電池(Fuel Cell)の原理 　今から165年前の1839年に，イギリスのグローブ卿によって発明されて　 　います。水の電気分解の逆の現象を用いて，水素と酸素から発電する 　ことに成功しています。 ・燃料電池の特徴は以下のようなものです。 　燃焼反応を伴わずに発電することができ，高効率。様々な燃料を利用するこ 　とができる。 生成物が水なので，環境を汚染しない。 ・燃料電池は次に紹介するように，様々な種類がありますが，基本的な構造は 　同じです。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

51 燃料電池とは ・科学反応を利用した発電機 原理 電気分解の科学式 発電の科学式

52 ３．じゃ・・燃料電池の種類とその特徴は・・
2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

53 3.1　リン酸型燃料電池（PAFC)とは？ PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)は，200℃付近で作動する実用化に最も近いクリーンで高効率な発電装置です。 電解質は濃厚リン酸です。電池の作動原理，その燃料極（アノード）および酸素極（カソード）反応を図に示します。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

54 ３．２ 溶融炭酸塩型燃料電池 （MCFC)とは？
　　溶融炭酸塩型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell : MCFC）は，量産が容易で多くの種類の燃料（石炭，石油，天然ガスなど）を用いることができることから火力発電を代替可能なシステムとして開発が行われています。溶融炭酸塩を電解質として用いており，摂氏650度という高温で動作します。MCFCは，電池同士を重ね電気的につなぐセパレータというステンレスの板や，水素が反応するニッケル電極，酸素が反応する酸化ニッケルの電極，炭酸リチウムと炭酸ナトリウムの混合物が融解した溶融炭酸塩とそれを保持するセラミックの粉であるリチウムアルミネート（LiAlO2）が使われています。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

55 ３．３ 固体電解質型燃料電池(SOFC)とは？
 　固体電解質型燃料電池SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)は，イオン導電性酸化物を固体電解質に用いて，1000℃付近の高温で運転されます。電池の作動原理を右図に，その酸素極および燃料極反応を(1)，(2)式に示します。 酸素極(カソード, Cathode)： 　　1/2 O2 + 2 e- → O2- 　　 (1) 　燃料極(アノード, Anode)：　 　　H2 + O2- → H2O + 2 e- (2) 　電池反応： 　　H2 + 1/2 O2　　→ H2O (3) 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

56 ３．４ 固体高分子型燃料電池（PEFC)とは？
PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cellはプロトン交換膜型燃料電池（PEM-FC：Proton Exchange Membrane Fuel Cell)とも呼ばれています。 PEFCは，リン酸型燃料電池に次いで実用化が期待される，常温での発電が可能な次世代型燃料電池です。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

57 　　石油などの化石燃料が減少し，地球温暖化など環境破壊が進む中でクリーンなエネルギーである燃料電池を化石燃料の代わりに使うことが注目されています。水素と酸素による発電原理を知ることを通して中学生の理科離れ対策にもなります。また，近未来型高度交通システムである車間距離を感知するようなセンサーを取り入れ工学に興味を持ってもらおうと思います 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

58 １．H-TEC社（ドイツ）の製品の紹介 ２．大同メタル工業（株）の製品紹介
それでは，・・ここで，燃料電池の話を展開し，持参した燃料電池 　　　　　　　の教材など・・を紹介しましょう。 ４．燃料電池（会社製品）の紹介 １．H-TEC社（ドイツ）の製品の紹介 ２．大同メタル工業（株）の製品紹介 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

59 持参装置その１ H-TEC社：Eco H2/air
　次世代の循環型エネルギーシステムがわかりやすくデモンストレーションできるドイツ製の教育用のキッドです。太陽電池で水の電気分解を行い水素を抽出，その水素を使って燃料電池で電気を起こしプロペラを回します。排出物は水だけ，その水をまた戻せばほとんどロスなく水素を作り始める循環型です。 Eco H2/Air 47×15×14(高)cm 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

60 持参装置その２ H-TEC社：Junior Basic 今日はこの実験をしたいと思います。
                                                 Junior Basic 30×20×15(高さ)cm 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

61 　　　　　　　　　　　　　　　装置その３ H-TEC社：Hydrogen Gas Station
　次に示す“Fuel Cell Concept Car”(フューエルセルコンセプトカー)専用の「水素スタンド」が“Hydrogen Gas Station”です。水素はこのスタンドで水の電気分解により作り出します。水の電気分解に必要な電力は太陽電池（もしくはACアダプター）から供給します。 Hydrogen Gas Station 24×15×19.5(高さ)cm 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

62 持参装置その４ H-TEC社：Fuel Cell Concept Car
　水素タンクに水素を補填して走る，次世代の自動車を具体化した“Fuel Cell Concept Car”(フュールセル コンセプトカー）です。水素の補給は専用の「水素スタンド」“Hydrogen Gas Station”からおこない，約30秒の水素補給で約6分の走行が可能です。商品はシャシに水素タンクと燃料電池を搭載しているだけですので，ボディは自由にデザインできます。 Fuel Cell Concept Car 10×24×4.5(高さ)cm 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

63 持参装置その５ H-TEC社：HyRunner
　水の電気分解により水素と酸素を作り，その水素により燃料電池で発電して走行，発電した後の水素は酸素と化合して水に戻ります。これを可能にしているのは可逆性（リバーシブル）のPEM型燃料電池の技術。水を循環させてエネルギーを取り出す，まさにゼロ・エミッション（廃棄物ゼロ），究極のエコ・カーです。HyRunner(ハイランナー）で次世代の循環型エネルギー利用方法に関して，その考え方を学びましょう。 HyRunner 9×20×7.5(高さ)cm 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

64 持参装置その６ H-TEC社：PEMFC Kit 時間があればあとで実験結果をお話しします
　簡単に分解・組み立てができるPEM（固体高分子膜）型の燃料電池キットです。燃料電池の仕組みを理解するには最適なモデルです。水素を供給し空気中の酸素と反応する過程でPEMFC Kitで電気を取り出したときの出力が200mW，水素と酸素を供給し反応する過程でPEMFC Kitで電気を取り出したときの出力が600mWです。 分解・組立てが可能 電極面積16ｃｍ2 空気もしくは酸素で動作可能 8×7.8×9.8(高さ)cm 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

65 PEMFCその分解図 電極部 触媒部 高分子膜 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

66 固体高分子型燃料電池(PEFC)は 次のようにまとめられます
構成材料 炭素系，金属系 電解質 プロトン導伝性高分子膜 電解質内の電荷担体 水素イオン 使用可能燃料 水素 使用可能化石燃料 天然ガス，メタノールなど 作動温度 常温～100℃ 発電効率 35％～50％ 用途 移動用電源 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

67 大同メタル工業(株）の燃料電池教材 （その１）
　　　　　　　　　　　　　　（その１） 水の電気分解＆燃料電池セット 　PEM型の電気分解セルと，燃料電池で構成され，ACアダプタ（DC電源）により水を電気分解し，発生した水素及び酸素で発電するセットです。 電気分解セル：3W(16cm2) 発電セル：700mW(16cm2) 付属品：ACアダプタ， 　　　　　ケーブル（赤黒各2本） 　　　　　純水（500ml　1本） サイズ：250×210×550mm 重量：1.8kg 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

68 大同メタル工業(株）の燃料電池車の紹介（その２）
燃料電池ミニカー 水の電気分解で生成された水素により発電し，走行するミニカー。 出力：燃料電池（PFC-ED2） 　　　　　　2V－600mW(3セル) 赤色ＬＥＤ搭載ミニカー 水素タンク容量：10cc サイズ：115×82×200mm 重量：275g 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

69 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

70 １．H-TEC社のJunior Basicによる発電実験をしよう!
それでは簡単な実験を体験してみよう １．H-TEC社のJunior　Basicによる発電実験をしよう! ２．H-TEC社のFuel Cell Concept Carを走らせよう! ３．大同メタル工業（株）のミニ燃料電池車に 乗って 　　みよう! 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

71 岐阜高専での実験の紹介 １．岐阜高専木下研究室の燃料電池の開発 ア：固体電解質形燃料電池の開発概要 イ：固体高分子形市販燃料電池の性能試験
　　ア：固体電解質形燃料電池の開発概要 　　イ：固体高分子形市販燃料電池の性能試験 ２．燃料電池開発への熱き思い 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

72 固体高分子型燃料電池の実験の紹介 使用した教育用の実験装置は 下の写真，H-TEC社のPEMFC-Kitを用いました。 分解・組立てが可能
電極面積16ｃｍ2 空気もしくは酸素で動作可能 PEMFC-Kitの外観 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

73 その１：固体高分子型（PEFC）の利点は 作動温度が低い（常温～100℃）ため取り扱いが容易，起動時間が速い等，起動性・運転操作性に優れています。 電流密度が高いこともあり，小型軽量化が可能です。 電解質が固体の高分子膜であるため，電解質の逸散の心配がなく，保守や管理が容易で長寿命が期待できます。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

74 その２：固体高分子型（PEFC）の課題は １．白金触媒を使用するため改質ガス等燃料中の一酸化炭素（CO）により被毒を受ける。そのため，COの除去・低減度合が厳しく要求される。 ２．膜が含水状態で動作するため，加湿などの水分管理が必要。 ３．上の１の関係から，石炭ガス化ガス等COを多く含むガスの利用は困難。 CO濃度：通常10ppm以下 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

75 電気分解の実験 ↑ 同じ時間で，水素は酸素の約2倍発生している。 ・蒸留水に電圧をかけて電気分解を行う。 ∵H2O→H2+O2/2
グラフ１.　一定時間経過時の気体発生量 気 体 の 積 [cm3] 経過時間[s] ↑　同じ時間で，水素は酸素の約2倍発生している。 ∵H2O→H2+O2/2 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

76 H-TEC社のPEMFC-Kitを用いた 燃料電池の性能実験方法
燃料電池に供給するガスを ・水素－空気(酸素供給ノズル非開放) ・水素－空気(酸素供給ノズル開放) ・水素－酸素 として，発電実験を行なった。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

77 実験結果の紹介（その１） 比較グラフ 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

78 実験結果の考察（その１） 比較グラフから，空気極に供給する酸素量が多いほど大きな電力が取り出せることが分かる。
空気極非開放時の最大電力は9.3[mW]，酸素供給時の最大電力は20.9[mW]とその差は2倍以上である。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

79 実験結果（２の１；非開放） 水素－空気(非開放) 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

80 実験結果の紹介（2の２；開放） 水素－空気(開放) 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

81 実験結果（２の３） 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題 水素-酸素

82 実験結果の考察(その2） それぞれのグラフで，測定回数を増やすごとに電力が大きくなっていることが分かる。
これは，水素イオンが膜を通過するのに必要な水が，発電を続けることによって増加したため，出力が上昇したものであると思われる。 また，発電時に発生した熱が交換膜付近の温度を上昇させた事も，発電効率が上がった理由の一つであると思われる。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

83 H-TEC社のPEMFC-Kitを用いた燃料電池の性能実験 結言
燃料の供給だけでなく，酸素の供給もその発電能力に於いて重要である。 膜の水分管理も同様に，電池の出力に大きな影響を与えている。 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題

84 それでは「今日製作するモデルカーについて」の要点
小型燃料電池モデルカーの組み立てと走行 それでは「今日製作するモデルカーについて」の要点 １．なぜ・・・・・いま，なぜ燃料電池が注目されているの？ （エネルギの現状と諸問題） で・・・・電池，特に燃料電池の発電原理は？ 　　　　　　　　（燃料電池の発電原理） じゃ・・・ 燃料電池の種類や特徴や開発の状況は？ 　　　　　（燃料電池の開発状況，教材，製品） ５． それで・・・今日作るモデルカーについて 2018/9/21 第2回　エネルギ資源とその問題