革新的超小型低コスト 超電導磁気エネルギー貯蔵技術 (smes ......biot-savart...
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革新的 超小型 低コスト超電導磁気エネルギー貯蔵技術
(SMES)の要素技術開発
名古屋大学 未来社会創造機構マテリアルイノベーション研究所
教授 元廣 友美
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平成30年10月4日
静電界のエネルギーとして貯める
静磁界のエネルギーとして貯める
エネルギーの物理的貯蔵：利点：急速充放電と耐久性
例：日本ケミコン株式会社電気二重層キャパシタ
105
mm
従来SMESの例
2003～ 東芝、中電20MJ 8-20T 工場瞬間電圧低下対策向け
5.6 kWh
キャパシタ SMES
μ
既に量産・
市販
試作段階・
高価
超電導蓄電コイルの小型化・量産低コスト化
従来試作品 本研究
5.6 kWh, 0.88 Wh/ℓ
8.5 kWh399 Wh/ℓ
60cm
参考：Liイオン2次電池520Wh/ℓ
体積蓄電密度が高くなるわけ
3 mm
電流電流
磁力線磁力線
力
フープ力（拡張力）の発生
5
トレンチ内に超電導薄膜を形成する理由
トレンチ壁でフープ力を支える。
螺旋状トレンチの中心部
NbN成膜⇒Cuめっき⇒化学機械研磨⇒コイル完成
NbN のスパッタ成膜化学機械研磨
50 m
Cuめっき
最終トレンチ断面模式図
NbN成膜⇒Cuめっき⇒化学機械研磨⇒コイル完成
研究開発の進捗（貯蔵電力の増加）
銅系酸化物高温超電導体
H29
(100)配向膜
Siトレンチ内へのYBCO配向成膜技術の確立方策
Si（100）基板
YSZ
CeO2
スパッタ配向YBa2Cu3O6.93
配向YBa2Cu3O6.93
単結晶SrTiO3
Si（100）基板
YSZ
CeO2
スパッタ配向YBa2Cu3O6.93
MOD配向YBa2Cu3O6.93
23Si
SiO2
YBCO
配向膜はできにくい。
方策
ﾌﾟﾛﾋﾟｵﾝ酸塩MOD法で、a,c軸混合配向YBCO膜(Tc=45.5K）が得られ、Tc=90Kも達成見込み
SrTiO3単結晶上のMOD-YBCO膜 の(g)に対応する膜がSi(100)上で実現⇒p(O2)を減らせば(c)ができる
螺旋状トレンチ付きSi基板に形成した非晶質YBCO膜/Cuめっき膜に対するCMP特性把握
CMP処理後
非晶質YBCO膜/Cuめっき膜に対するCMP処理
50 m
最終トレンチ断面模式図
YBCO
SiO2 Cu
z
Biot-Savart Law に基づく磁場計算
（自作計算コード,使用言語：Python3.6）
y
x
リング内径：88 mm幅： 0.6 mm高さ：0.3 mm
電流密度：2 x 1010 A/m2
51 mT
ウェハー接合で600枚を一体化⇒フープ力に耐えさせる
x
y
z
円環電流
磁界
Biot-Savart Lawに基づく磁場計算（自作計算コード,使用言語：
Python3.6）
a=1 mmd=0.5 mmc=45 mmr=101.6mm
電磁拡張力（フープ力）の計算手順
電磁拡張力（フープ力）の計算手順
計算結果の一例
体積蓄電密度、重量蓄電密度の見積
質量エネルギー密度：187Wh/kg
（http://www.baysun.net/ionbattery_story/lithium03.html）株式会社ベイサン（横浜市港北区新横浜3-13-5 宗久ビル5F）ホームページ より
体積蓄電密度、重量蓄電密度の比較体積蓄電密度、重量蓄電密度の比較
コンパクト
SMES600-10000kW/kg
187Wh/kg
日本ケミコン株式会社 「電気二重層キャパシタの基礎知識」https://www.chemicon.co.jp/tech_topics/top_edlc_01.html (2018/7/15)
コンパクトSMESの位置づけコンパクトSMESの位置づけ
23
コンパクトSMESのコスト比較コンパクトSMESのコスト比較
大容量キャパシタ および, SMESの今後の応用展開
・エレベータの運動エネルギー回生
・無停電電源装置
・フォークリフト
・港湾用クレーン
・太陽光発電の平準化装置(2次電池との
組み合わせ)
・コピー機
高いエネルギー密度
充放電回数が多い
長寿命・工場内無人搬送車
低温作動・高温作動
・乗用車
低電圧充電・低速時
エネルギー回生・微弱電力の蓄電
熱電、曇天・雨天時太陽光発電、低風力発電
パルス負荷の吸収・2次電池を補完
短時間充電・都市内EV
高蓄電密度SMESの今後の用途
ｖ
参考畑 陽一郎：エネルギー技術 大容量キャパシタ
「第一部 動向、なぜキャパシタなのか」EE Times Japan, ITmedia Inc.http://eetimes.jp/ee/articles/0907/06/news080.html
ユニット化による量産低コスト化
SMESユニット化 ⇒量産・ユニットで品質管理⇒受注生産（重電機工業）から民生品
（自動車産業）へ⇒ニーズ容量に合わせ組合わせ
MEMS技術を使っても量産できればコストを下げられる⇒インクジェットプリンタヘッド
Siトレンチ内へのYBCO配向成膜技術の確立
ウェハ接合時のYBCOおよびCu連結技術の確立
超電導スイッチ技術確立（要/不要を含め）
Siトレンチ内YBCO膜上への銅めっき技術の確立
YBCO配向成膜用トレンチ構造設計
磁気シールド技術
ユニット化技術
まとめ・技術開発工程表
電磁応力均一化のためのコイル形状最適化
欠陥のない完全なNbN超電導薄膜トレンチ埋め込み蓄電コイルの完成
謝辞本技術は科研費・NEDO・
JSTの助成の下、豊田工大、関東学院大、産総研、他の協力により推進してきたものです。
お問い合わせ先
名古屋大学 学術研究・産学官連携推進本部
プロジェクト推進グループ
主任リサーチ・アドミニストレーター
原田千夏子
ＴＥＬ ０５２－７４７－６７８４
ＦＡＸ ０５２－７４７－６７９６
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