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Vol1. 燃料電池 SOFC Vol2. インクジェットプリントヘッド KJ4A Vol.3 スマートフォン DIGNO

世界最高クラスのエネルギー変換効率を実現したSOFC燃料電池。京セラの技術がクリーンエネルギーの可能性を大きく広げている。

エネルギーを有効に活用できる燃料電池

写真 : SOFC燃料電池SOFC燃料電池

クリーンなエネルギー源として世界の注目を集めている燃料電池。 「電池」といっても電気を貯めるのではなく、水素と酸素の化学反応によって電気を起こす装置だ。水素は都市ガスやプロパンガスなどから改質して取り出し、酸素は空気中のものを利用する。発電時に同時に生じる熱も給湯に利用できるため、エネルギーを有効利用できる、ムダの少ないエネルギーシステムといえる。これまでに住宅や自動車などのエネルギー源として開発が進んでいるが、日本では住宅向けの開発が進んでおり、世界をリードしている。

特に、環境負荷の面では発電反応の副産物が水だけであるほか、都市ガスなどから水素を取り出す際にCO2を排出するものの、送電時の電力損失が大きい火力エネルギーよりもトータルではCO2の削減効果が大きい。このほか、発電時の騒音が小さいなど、利用するメリットは多い。 京セラは、世界に誇る独自技術をベースに、とりわけ発電効率の高い燃料電池の中核部品であるセルスタックを開発。環境エネルギー分野で社会に貢献している。

次世代の燃料電池として有力視されるSOFC

燃料電池は、発電の心臓部であるセルを構成する部材の一つである電解質の材料によってさまざまなタイプがある。従来、リン酸水溶液や溶融アルカリ金属塩、高分子樹脂膜などを用いたものが実用化されており、それぞれ作動温度が異なっている。
これに対して、いわば次世代型の燃料電池となるのが、電解質にセラミックスを用いた固体酸化物形燃料電池、SOFCだ。セラミックスを用いることで、作動温度を700〜1000℃という高温で行い、それによって効率の高い発電を行うことができる。また、以前から実用化されている燃料電池では、化学反応を促す触媒として白金などの高価な材料を必要としたのに対して、SOFCは比較的安価なニッケルなどを用いることで製造コストを抑えることが可能である。
京セラでは、1980年代の後半からSOFCの基礎研究に取り組んできた。開発当初は専門家の間で「家庭向けの実用化は不可能」とまで言われていたが、10年以上の基礎研究の末にセルの基盤となる技術を開発し、その後の10年で実用化にこぎ着けることに成功した。

図 : 燃料電池の種類 燃料電池の種類

四半世紀の時をかけて世界最高レベルの発電効率を実現

京セラのセルスタックが
採用されている「エネファームtype S」

京セラの総合研究所が開発したセルは、ジルコニア系セラミックスを電解質に使用している。開発にあたって困難だった点は、電解質とそれをはさむ電極の三層構造を一体化することだった。材料が異なれば熱に対する膨張率も異なることから、高温での連続運転の過程で電解質と電極の部分がはがれるという難問が生じた。
このほか、セルの信頼性や耐久性に関する課題も次々出てくる中で、京セラの開発チームは長年にわたって蓄積してきたセラミックスの材料・生産技術を結集し、障害となる問題を一つずつクリアしてきた。

そして開発のスタートから約四半世紀の時間をかけて、ついに、京セラはセルおよびその集合体であるセルスタックを作り出すことに成功した。 そこにはどんな困難に直面しても諦めることなく挑戦し、実用化の壁を克服してきた、開発チームの熱い思いが込められている。 現在、京セラが開発したセルを用いた燃料電池「エネファームtype S」は家庭用としては世界最高レベルの発電効率を実現し、普及が進んでいる。

※定格出力1kW以下の家庭用燃料電池で世界最高の発電効率(平成28年2月24日時点の大阪ガス調べ)
*「エネファーム」は、JXエネルギー(株)、東京ガス(株)、大阪ガス(株)の登録商標です。

自分の技術を信じて、困難に立ち向かう。そして社内の蓄積技術が問題克服の鍵に。

H.Y 総合研究所 SOFCプロジェクト 開発技術課 1988年入社 工学部 化学環境工学専攻 I.K 総合研究所 SOFCプロジェクト 製造技術課2008年入社 工学研究科 物質工学専攻 I.K 総合研究所 SOFCプロジェクト 製造技術課2008年入社 工学研究科 物質工学専攻

新入社員・Yは自らの考えを信じ、工程の大幅削減に挑戦する。

写真 : SOFC燃料電池

「家庭用の固体酸化物形燃料電池(以下SOFC)は不可能」。否定的な意見を覆し、不屈の技術者魂で世界最高レベルの発電効率を誇る「家庭用」のSOFCの商品化を実現したのは、2011年。しかし、その喜びもつかの間、すでに次の世代のSOFCの開発が動き出していた。

Yは新入社員として、セルの集合体であり、SOFCの心臓部となるセルスタックの開発チームに配属された。メンバーが「第二世代セルスタック」と呼ぶ、次世代モデルのミッションは、セルスタック全体のさらなるコンパクト化と低コスト化のための生産性向上。さらに当然だが、第一世代を超える高い発電効率も求められた。

Yは、ガラスセラミックスの接合の開発を担当する。京セラのセルスタックでは、必要な枚数のセルとセルを並べて保持するスペーサーとの接合、スペーサーと燃料室の接合に、ガラスセラミックスを用いている。この接合工程が複数回必要な上、ガラスセラミックスの仕上がりが不均一になる課題があった。改善を繰り返す中、Yは工程を減らす大胆な発想を考えつく。そこで、正規の取り組みとは別に、自らの実験・試作を始めたのだ。研究所ではこれを「机の下でこっそりやる」といい、いわば京セラの伝統のようなもの。これは決してネガティブなことではなく、若手が自ら挑戦できる風土のこと言い、上司や先輩も見守ってくれる。若手にとっては失敗から学ぶことも多い、貴重なものだ。

写真 : H·Y

「机の下」の実験・試作とメンバーの協力もあり、Yは接合工程の大幅な削減に成功。しかも、この方法によって、ガラスセラミックスを均一に仕上げることも可能となった。

※定格出力1kW以下の家庭用燃料電池で世界最高の発電効率(平成28年2月24日時点の大阪ガス調べ)

コンパクト化、低コスト化に相反する耐久性向上の壁を突破したのは、Sの実績と経験だった。

写真 : H·Y

Sは金属部品の開発・設計のスペシャリストとして、キャリアを積み重ねてきた。開発課では希な存在だが、セルスタックの土台となる燃料室やスペーサーは金属で構成されていることから、Sの役割は重要だった。

SOFCは、一度起動させたら、24時間連続運転を続けるため、心臓部であるセルスタックには高い耐久性が欠かせない。しかしコンパクト化、低コスト化、発電効率の向上というミッションもまた重要であり、耐久性はこれらに相反する課題である。



写真 : セルスタックセルスタック

そこで、Sは使用する金属材料を検討し、耐久性低下の大きな原因となる、無理な加工や溶接を排除した設計、製造方法を開発。Yが開発したガラスセラミックスの接合方法に対応する仕様の加工も加えた。


また、Sは燃料室、スペーサーの設計において、「見た目の美しさも追求した」という。セルスタックはSOFCに内蔵されるため、人目に触れることはないのだが、「見た目が良い製品は性能に優れている証」という京セラのものづくりのこだわりの一つを反映させたのだった。


土台の耐久性が向上することで、セルスタック全体の耐久性も向上。コンパクトで低コスト、生産性の向上も達成することができた。

入社一年目のI·Kもまた、耐久性に関する難問に挑戦した一人だった。

写真 : I·K

Tは、第一世代セルスタックの開発に携わってきた。メンバーとともに不可能を可能にしたことから、第二世代セルスタックの開発にも自信があったが、その道の険しさも知っている。厳しい要求にどう対応していくか。試行錯誤が続くある日、報告を受けたYのアイデアに「目から鱗が落ちる」という言葉を体感した。

「長く製品に携わってくると、どうしても思考が凝り固まってしまうことがあります。だからこそ、今までとはまったく違う発想、視点によって、技術者自身の既成概念を壊すことも開発の仕事には非常に大切です」さらに、Sの他分野からのアプローチも追い風となり、第二世代セルスタックの開発は一気に加速。自信は確信へと変わった。

Tはセルスタックの還元工程の開発、耐久性評価を担当している。セルスタックの発電には還元が欠かせない。還元後は発電特性、耐久性などを、独自の評価項目と判定基準によって判定。万一、課題が見つかれば、評価結果を開発課の全メンバーと共有し、改善を進めていく。

「還元は最後の仕上げであり、チーム、メンバーの努力の集大成を評価することにもなるので、責任は重大」と、還元工程や評価の信頼性を上げていくことも重視した。

開発においては、個々が自分の役割と責任を果たすことが重要だが、ものづくりは決して一人ではできない。メンバー同士の協力、チームの団結もあって、初めて完成に至るのだ。

一家に一台SOFCがあたりまえ。そんな日も決して遠くはない。

まったく新しいアイデアと、これまで積み重ねてきた実績、英知が見事に融合し、完成した次世代SOFC。常識を覆す発電効率を実現し、量産化、一般家庭への普及が進んでいる。

「自分の携わった製品が世の中に出ることがこんなにうれしいとは。京セラというメーカーに入社して本当によかったです」と、Yは出荷時の思いを振り返る。

一方、次の次となるSOFCの開発は、すでにスタートを切っている。もちろん、さらなるコンパクト化、低コスト化、発電効率向上が目標だ。

「いずれは、一家に一台SOFCがあたりまえにしたいです」という3人の技術者たち。そのためには、乗り越えなければならない課題がいくつも発生するかもしれないが、プロフェッショナルとしての誇り、自信、そして京セラに脈々と受け継がれるフロンティアスピリッツで、目標を達成するに違いない。

チームの英知を結集して、世界最高の発電効率を達成

写真 : 総合研究所(鹿児島) 総合研究所(鹿児島)

新入社員でメンバー最年少ながら、第二世代セルスタックの仕様を決定づけたYは、「京セラの風土がそれを後押してくれました」と語る。

「重要な仕事を任せてもらい、『チャレンジして失敗するなら構わない。発想を行動に移す勇気、常識を覆す度胸が技術者にはもっとも大切』という上司、先輩の言葉が大きな力になりました。

また、厳しい要求に対しても、だれもが前向きに取り組んでいるので、失敗しても、すぐに気持ちを切り替えて、頑張ることができる。一人では解決できない課題が発生しても、仕事や部署の領域を超えて、有効な情報を伝えてくれます。
世界初、世界一の技術に向けて諦めずに挑戦を続け、成功や商品化の際には何倍もの喜びが味わえるのもチームだからこそです。

私には、日本をはじめ、資源を持たない国のエネルギーの自給自足に貢献したいという夢があります。大学院では水素エネルギーについて研究し、SOFCに携わるために京セラに入社しました。SOFCは、CO2削減や省エネルギーを実現し、水素エネルギーを活用した発電機器として未来を担う素晴らしいものです。
新しく加わる皆さんと一緒にSOFCの性能をさらに高め、社会に数多く普及させることで、私の夢の実現にもつなげていきたいと思っています。」

VIDEO INTERVIEW

Q.京セラを志望する学生のみなさんへメッセージをお願いします。

A. 「自分の研究テーマを開発・製造・量産まで携われるのは京セラの一つの魅力だと思います。元気のある方、チャレンジ精神にあふれる方、一緒に頑張りましょう」

T.N

Q.京セラを志望する学生のみなさんへメッセージをお願いします。

A. 「私たちは燃料電池に夢を持っています。一緒に夢のあるものづくりを実現しましょう。」

S.S

Q.京セラを志望する学生のみなさんへメッセージをお願いします。

A. 「私はこのSOFCで自分の夢に一歩近づくことができました。夢や目標のある方、一緒に挑戦しましょう。待ってます!」

Y.K

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