第２章 評価対象プロジェクト
３． MOLB 形 200kW 級システムの開発 委託先：
●背景/研究内容･目的 ●全期間実施内容／研究成果
△ ほぼ達成 性能が予想より低く､改善策を検討
1トレイン試験
× 未達 1トレイン試験結果などに基づき､シ
ステム検証を延期したため､未実施 200kW級
システム検証
〇
〇 200kW級システム系統を確立
大型電池開発に成功 成果内容
達成 達成 自己評価 電池開発
システム検討 実施項目
●研究成果まとめ
●今後の課題
実条件において電池性能の事前検証 3. 1トレイン試験
システム容量：200kW級
発電効率：45%以上 (LHV) 40.6%以上(HHV) 総合効率：80%以上 (LHV) 72.2%以上(HHV) 耐久性：出力低下0.25%以下／1,000時間 (3,000時間以上の運転)
4. 200kW級 コジェネシステ ム検証
燃料循環方式､蒸気供給方式などのシス テム基本設計を確立
性能向上及び大型電池の開発 目 標 1.電池開発
2. 200kW級 システム検討
実施項目
●研究目標
●実施体制及び分担等
NEDO 三菱重工業株式会社(1.2.3.4.）
中部電力株式会社（1.2.3.4.）
実行額
1. 電池開発
電極微細構造の改良により、性能向上を 達成した。(図1)また、従来の□200mm電 池に比べて大面積の大型電池の製造技 術の開発を行った｡(図2)単電池出力2kW を達成し、高出力化が可能であることを示 した(図3)｡更に､モジュールにおける電池 性能が電池単体での性能に比べて低い 要因について要素試験を実施し、集電構 造の改善により性能の改善が図れること を確認した。
2. 200kW級システム系統の検討 改質用蒸気の供給方式、燃料再循環方 式の検討を行い、方式の選定を行った｡
(図4)並行してモジュールの試設計を実施 したところ､現状の予想スタック性能では 必要スタック個数が増加するため､モ ジュールサイズが大きくなることが判明し た。
3. １トレイン試験装置の開発
１トレイン試験装置に大型電池を4個接続 したトレインを設置し、実機と同様の条件 における発電試験を実施した。トレインに おける電池性能が予想値よりも低かった ため、要因分析を実施、対策を検討した。
4. 200kW級コジェネシステム検証 1トレイン試験結果及び愛知万博でのコ ジェネレーションモジュール運転結果より､
電池性能のさらなる改善が必要と判断し､
モジュール製作と性能検証は延期した｡
三菱重工業株式会社 中部電力株式会社
電池開発: 電極微細構造の改良により、性能向上を達成｡さらに､大面積化を図った大型電池の製造技術の開発を行い､単電池出力2kWを達成した｡
200kW級システム検討: 改質用蒸気の供給方法や燃料再循環方式の検討を行い、システム設計を行った｡並行してモジュールの試設計を実施した｡
1トレイン試験: 大型電池を4個接続した1トレイン試験装置により、実機と同様の条件における発電試験を実施した。トレインにおける電池性能が予想値よりも低 かったため、要因分析及び調査を実施、運用条件の見直しによる対策を検討した。これにより､200kWシステムの製作と検証は延期した｡
H13～H16年度に実施した10kW級の「熱自立モジュールの 技術開発(一体積層形)」の技術成果をもとにして大容量化 を図る｡
電池を含むシステム全体の最適設計を行い、高効率 200kW級大容量の熱自立モジュールを開発すると共に、
将来のMW級システム及び中規模電源機の単位ユニットと なるコジェネレーションシステムの運転検証を行う。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 20 40 60 80 100 120 140
電流[Ａ]
電圧[Ｖ]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
電流密度 [A/cm2]
従来型 改良型 57A（200mA/cm2）において セル電圧0.77Vを達成
図1 電極改良電池の性能向上結果
□200ｍｍ 従来電池 大型電池
図2 開発した大型電池の外観
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
0 25 50 75 100 125 150 175200 225250 275 300 電流 [A]
電圧 [V]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
電流密度 [A/cm2]
出力 [W]
電圧 [V]
出力 [W]
H2試験 内部改質試験
図3 大型電池の発電試験結果
図4 MOLB形200kW級コジェネレーション システム系統図
モジュールのコンパクト化にはスタック性
３．コジェネレーションシステム開発
MOLB
形200kW
級システムの開発事業の目的：
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は従来の発電システムに比べて高効率で環境に優しく、また作動 温度が高く高温の排熱を有効に利用できることから、小規模から大規模容量まで幅広い用途への 適用が期待されている。2001～2004年度に実施した「熱自立モジュールの技術開発(一体積層形)」
の技術成果をもとにして大容量化を図ると共に、電池を含むシステム全体の最適設計を行い、将 来のMW級システム及び中規模電源機の単位ユニットとなる高効率200kW級コジェネレーショ ンシステムの開発・運転検証を行うことを目的とする。
１．事業概要
固体酸化物形燃料電池を使用したコジェネレーションシステム技術を確立するために「MOLB 形 200kW 級システムの開発」を実施する｡電池を含むシステム全体の最適設計を行い、高効率 200kW級大容量の熱自立モジュールを開発すると共に、将来のMW級システム及び中規模電源 機の単位ユニットとなるコジェネレーションシステムの運転検証を行う。
２．目標
平成19年度末の最終目標 システム容量：200kW級
発電効率：45%以上 (定格時、AC送電端、LHV) 40.6%以上(定格時、AC送電端、HHV) 総合効率：80%以上 (LHV)
72.2%以上(HHV)
耐久性：出力低下0.25%以下／1,000時間 (3,000時間以上の運転)
３．事業成果 ３－１ 事業成果 （１）電池開発
電池性能向上、及び発電室のコンパクト化を目指してMOLB形電池（図1）の大型化のための 技術開発を実施した。電池性能向上に関しては、燃料極および空気極の電極微細構造の改良を実 施した。
インターコネクタ セル
この改良を適用した□200mm×10段電池を 試作し、水素を燃料として電池単体での発電 試験を実施した。電流密度200mA/cm2にて セル電圧0.77V（従来型電池に対し約0.05V の向上）を達成した。（図2）
更なる大面積化を図るために、電池の製造 技術を改良し、大型電池の製造技術の開発 を行った。図3に従来の□200mm電池と 大型電池試作品の外観の比較を示す。
この大型電池を供試体として電池単体での 発電試験を実施した。結果を図4に示す。
電流300Aにおいて、出力2kWを達成し、
電池の大型化により、高出力化が可能で あることを示した。
（２）モジュール性能の向上
モジュールにおける電池性能が、電池単体 での発電試験の実績に比べ低い要因に ついて、要素試験を実施し、集電構造の 改善により性能の改善が図れることを 確認した。改善した集電構造を採用した 大型電池発電試験における降温過程の集電 部品と電池の熱伸び差に起因する電池破損 に対して、改善可能な目処が立った。
しかし、モジュール特有の環境で改善でき ない要因があることも分かった。
（３）熱自立モジュール、コジェネ レーション実証機の実績の反映 NEDO 委託研究「熱自立モジュールの技術 開発(一体積層形)」にて開発された10kW級 モジュールは累積発電時間3,236時間の長時間 運転を達成した。また、平成17年3月から
9月にかけて開催された愛知万博ではNEDO連携 新エネルギー プラント向けのコジェネレーション実証機が実証運転を行った。
外観を図5に示す。これらの運転試験などから得られた電池性能 と知見を､MOLB形200kW級システムの開発に反映した。
（４）システム系統の検討
□200ｍｍ 従来電池 大型電池
図3 開発した大型電池の外観
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 電流 [A]
電圧 [V]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
電流密度 [A/cm2]
出力 [W]
電圧 [V]
出力 [W]
H2試験 内部改質試験
図4 大型電池の発電試験結果
図 5 愛知万博 NEDO 連携 新エネルギープラント SOFCコジェネレーションシステム実証機
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 20 40 60 80 100 120 140
電流[Ａ]
電圧[Ｖ]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
電流密度 [A/cm2]
従来型 改良型 57A（200mA/cm2）において
セル電圧0.77Vを達成
図2 電極改良電池の性能向上結果
最適なシステム系統を検討した。
①改質用蒸気の供給方式
改質用蒸気の供給方法として、燃料再循環、排熱回収ボイラからの蒸気供給、部分酸化改質につ いて比較を実施した。200kW級コジェネレーションシステムの場合、発電効率、総合効率を高く 出来る“燃料再循環”による改質用蒸気の供給が、最適なシステムと判断した。
②燃料再循環方式の検討
燃料再循環方式として、MOLB 形SOFC 発電モジュールとして実績のある低温ファン再循環方 式と高温ファン再循環方式について比較した。200kW級コジェネレーションシステムの場合、再 循環燃料中の水分調整が可能でありスタック性能が向上し、かつ凝縮潜熱の回収が容易で総合効 率を高く出来る“低温ファン再循環”方式が最適なシステムと判断した。
③プラントシステムの検討
上記の検討結果を踏まえ、排熱回収や起動、停止などの運用を考慮の上、プラントシステム及び 各種機器の構造、仕様などを検討した。200kW 級コジェネレーションシステム系統図を図 6 に 示す。
図6 MOLB形200kW級コジェネレーション システム系統図
モジュールサイズが大きくなる結果を得た。モジュールのコンパクト化にはスタック性能の向上 による発電室容積低減が必要であり、電解質であるYSZ膜の薄膜化などによるスタック性能向上 についても検討が必要であることが判明した。
（４）１トレイン試験装置の開発
2004年度まで実施したNEDOプロジェクト“熱自立モジュールの開発”にて製作した10kW 級モジュールを供用替えし、必要な改造を行うことにより、トレイン構造検証が可能であり、
200kW 級モジュールの全スタック発電試験の条件を模擬出来る１トレイン試験装置を開発し た。１トレイン試験装置の系統を図7に、外観を図8に示す。実電池を挿入する前に、試験装 置の系統、制御、運転などの検証を行うために、ダミースタック試験を実施、検証を行った。
続いて大型電池を４個接続したトレインを､１トレイン試験装置に設置し、実機と同様の条件に おける発電試験を実施した。トレインにおける電池性能が予想値よりも低かったため、要因分 析及び調査を実施、運用条件の見直しによる対策を見出した。
（５）200kW 級コージェネレーションシステムの製作・実証
1 トレイン試験結果及び愛知万博でのコジェネレーションモジュール運転結果より､電池性能の さらなる改善が必要と判断し、モジュール製作と性能検証は延期した｡
３－２成果の意義
（１）技術的見通し
本プロジェクトにおいて、分散電源用SOFCとして市場に受け入れられる、高効率でコンパクト なコジェネレーションモジュールの開発には､さらなる電池性能向上の技術開発が必要であるこ とを確認した｡本プロジェクトで得られたモジュール化技術については、将来のMW級システム に有効に展開できる見込みである。
（２） 経済性
SOFC 発電システムが実用化するためには電池製造コストの低減が必要であるが、2004 年度ま で実施した NEDO 委託研究「熱自立モジュールの技術開発(一体積層形)」にて導入した大型ガ ス焼成炉および連続焼成炉が､SOFC の量産化製造設備として有効であることを確認できた。こ
都市ガス 空気
凝縮水
空気ブロワ
空気予熱器
燃料予熱器
凝縮器 脱硫器
燃料再循環ブロワ
SOFC 発電室 排ガス
燃焼器
改質器 電気式 燃料予熱器
ﾄﾚｲﾝ
電気式 燃料予熱器
燃焼式 燃料予熱器
10kW級ﾓｼﾞｭｰﾙ からの改造範囲
図7 １トレイン試験装置系統図 図8 １トレイン試験装置の外観