研究レポート
石炭火力発電所排ガスからのCO2回収型MCFC発電システムの開発
エネルギア総合研究所 温暖化対策技術推進担当 廣川 洋一
エネルギア総合研究所 知財担当
豊田 充生
（平成22年１月までエネルギア総合研究所

１温暖化対策技術推進担当）

まえがき

地球温暖化の主な要因とされる温室効果ガスのなかの影響は最も大きいとされてでも，二酸化炭素（CO2）いる。
このため，CO2排出原単位の高い石炭火力発電所からの排出量削減は，非常に重要な課題となっている。
一方，MCFC（溶融炭酸塩形燃料電池）は，これまで主に国のプロジェクトとして開発が進められ，実用化段階にある。
MCFCは，発電反応後のガス中のCO2が高濃度になるという特徴を有しており，これは「CO2濃縮機能」と呼ばれている。このガスからCO2を回収すれば，高濃度であるため効率的な回収が可能となる。
当社では，平成10年度からMCFCのCO2濃縮機能に

空気発電所排ガス

O2

CO2カソード
（空気極）

未反応ガス

1/2O2 ＋ CO2 ＋ 2e−CO3電解質
アノード
H2 ＋ CO32−
（燃料極）

CO32−

CO2 ＋ H2O ＋ 2e−

H2

CO2 H2O

燃料ガス

高濃度CO2

図１2e−

負2e−

荷2−

MCFCのCO２濃縮機能着目し，石炭火力発電所排ガスからCO2を回収する発模等を低減できるため，効率的な回収が可能となる。

電システムの開発を開始した。平成17年度からは10kW級MCFCに三隅発電所（石炭火力，島根県浜田市）の実際の排ガスを導入しての運転試験を実施し，良好（２）試験目的
平成19年度は，50kW級CO2回収型MCFC発電シスな結果が得られたため，平成19年度は，MCFCの容量を50ｋW級に拡大し，CO2回収装置まで設置（50kW級CO2回収型MCFC発電システム）しての運転試験を実施した。平成16年度から平成19年度にかけての開発
は，経済産業省補助事業として，中部電力との共同研究により実施した（第12号（2008年6月）にて既報）。
さらに，平成20年度からは，当社の単独研究により，50kW級CO2回収型MCFC発電システムの運転を継続し，より長時間の信頼性を検証したので，結果を報告する。

テムに三隅発電所の排ガスを導入し，CO2を分離・回収しながら2,000時間程度の運転試験を実施した。本
システムの運転を数万時間継続するためには，より長期の運転試験により，システムの信頼性を検証することが必要である。このため，平成20年度から平成21年度にかけて，10,000時間以上の運転試験を継続し，信頼性評価の指標となるMCFC本体のセル電圧低下率を検証した。
また，システムの運転条件と性能との相関を把握するため，様々な運転条件におけるCO2回収量等の性能値を計測した。

２

概要（１）MCFCのCO２濃縮機能（３）試験設備（写真１）
MCFCの燃料として，天然ガスを水蒸気改質後，アMCFCはアノード（燃料極）に水素（H2），カソーノードへと供給し，カソードへは発電所排ガスを前処ド（空気極）にCO2と酸素（O2）を供給することによ

理（脱硫）後，空気と混合して供給した。発電所排ガス中に含まれる硫黄酸化物（SOx，大半がSO2）により発電する。
カソードに供給されたCO2はO2と反応して炭酸イオン（CO32−）となり，電解質中をアノードへと移動する。アノードではH2が電子を放出し，CO32−と反応してCO2とH2Oを生成するため，アノード出口ガスからり，MCFCカソード部材が腐食されるため，発電所本体で環境基準値以下にまで脱硫された排ガスを，カソードに導入する手前でさらに1ppm程度以下にまで脱硫することが必要である。

H2Oを取り除くと，高濃度のCO2を得られる（図1）。

発電反応に利用されたCO2は，アノード出口からCO2

この機能により，カソードに石炭火力排ガスを導入すると，発電と同時にアノード出口ガス中にCO2が濃縮され，CO2の分離・回収に必要な圧縮動力や設備規回収装置へと導入して回収する。CO2回収後の未反応
燃料成分は，カソード出口ガスと触媒燃焼器で混合燃焼させることにより，改質熱源として利用した（図2）。

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石炭火力発電所排ガスからのCO2回収型MCFC発電システムの開発

排ガス前処理装置
燃料供給設備

貯槽
コンテナ
CO2
回収装置

制御室
MCFC
容器

写真１

写真２

試験設備全景（三隅発電所構内）
表１

排ガス前処理装置
空気

石炭火力排ガス（三隅発電所排ガス）

蒸気

LNGバルクシステム仕様

定格天然ガス供給量

12Nm3/hr

コンテナ貯蔵量

5.6t

貯槽貯蔵量

1.2t

50kW級MCFC
排気カソード燃料（天然ガス）

LNGバルクシステム

改質室

アノード

加熱室

CO2回収装置

改質器

触媒燃焼器
圧力容器

図２

CO2

表２

排ガス前処理装置仕様

方式

湿式−石灰石石膏法

定格処理ガス量580Nm3/hr

スプレー方式・段数

渦巻ノズル×6段

脱硫後SO2濃度

1ppm以下システムフローa．燃料供給設備（写真２）
燃料の天然ガスは，LNGの小型サテライト基地であるLNGバルクシステムにより供給した（表1）。LNGは柳井発電所からコンテナ車により輸送した。
b．排ガス前処理装置
排ガス前処理装置は，湿式−石灰石石膏法を採用し，脱硫の反応性を向上させた仕様とした（表2）。
c．MCFC本体（写真３）
MCFCは，実用規模のセル（1m2級）50段でスタッ

写真３クを構成し，出力50kW級とした（表3）。
d．CO2回収装置（写真４）CO2回収装置は，吸着剤によりガス中のCO2を分離・回収するPSA（Pressure Swing Adsorption）法を採用した（表4）。

エネルギア総研レビュー No.20

５０kW級MCFCスタック

表３

MCFC本体仕様

定格出力

50kW級

セル数50セル

セル反応面積1.0305m2

スタック作動温度

580〜650℃

運転圧力70kPa

Page 9研究レポート

120300

累積発電電力量100

累積CO2回収量

2008015060100

405020

累積CO2回収量（t）

累積発電電力量（MWh）

2500002,000

4,000

6,000

8,000

10,00012,000

経過時間（h）

図４
写真４表４

CO２回収装置

発電電力量およびCO２回収量の累積
表５

試験結果概要MCFC発電開始日時 平成20年 7月28日 9：00

CO２回収装置仕様

MCFC発電終了日時 平成21年12月9日10：00

方式

PSA法

吸収塔数

3塔

MCFC総発電時間

10,209時間

30kg/hr

MCFC総発電時間（平成19年含む）

12,370時間

累積発電電力量

281.8MWh

定格CO2回収量（４）試験結果
a．全体
試験設備の点検・調整後，平成20年7月末から運転を開始し，平成21年12月にかけて運転を継続した

累積CO2回収量

91.8t

b．電圧低下率
運転期間中，各50セルの電圧変化を計測した（図5）。

（図3，図4）。
1.2

平均セル電圧（V）

1.00.8

燃料供給設備の法定点検に伴う停止

0.6
0.4
0.2
0.0
02,0004,0006,000

8,000

10,00012,000

経過時間（h）

図３

セル電圧の経時変化

MCFCは，高圧ガス保安法に規定する燃料供給設備の法定点検に伴う停止時間等を除いて10,209時間の発電を達成した。また，平成19年度の運転試験を合計すると12,370時間の発電を達成した（表5）。
運転期間中，燃料供給設備の法定点検およびその他周辺機器のメンテナンス等に伴い，数回MCFCの発電を停止したが，発電不能となるような重大なトラブルは発生しなかった。
Page 10図５各セル電圧計測画面

各種条件におけるシステム性能値を測定するため，運転条件を適宜変更したが，MCFCのセル電圧は，運転条件の変化に伴い増減する。このため，全体のセル電圧経時データから，同一の条件で運転したデータを抽出し，かつ，発電を停止した期間を除外して電圧低下率を算定した（図6）。
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石炭火力発電所排ガスからのCO2回収型MCFC発電システムの開発

1.2

また，同一のアノード抽気率においては，負荷電流が大きいほどCO2回収量が増加する関係にあることを平均セル電圧（V）

1.0

y ＝ −2x × 10

0.8−6確認した。負荷電流が大きいほど電解質を通過する電荷量は増加するため，MCFCの発電原理により，カソードからアノードへと移動する炭酸イオン（CO32−）が増加し，アノード出口のCO2量およびCO2濃度が増＋ 0.7683

0.60.4加する（図8）。このため，負荷電流を高めるほど，CO2回収装置へと導入されるCO2量は増加し，CO2回0.2収量が増加する関係となる。

0.002,000

4,000

6,000

8,000

10,000

発電時間（h）

図６75

セル電圧の経時変化（抽出データ）

図6の近似曲線から算出した電圧低下率は，約0.26％／1,000時間であり，CO2回収を行わない通常のMCFCの運転で生じる低下率と同程度であった。この結果から，MCFCに石炭火力排ガスを導入してCO2回収しながら，数万時間の運転を継続できる見通しがアノード出口CO2濃度（％）

70656055504540得られた。

35600

700

800

運転期間中，アノード抽気率（アノード出口ガス全量のうち，抽気してCO2回収装置に導入した割合）および負荷電流を主なパラメータとして様々な運転条件を設定し，CO2回収量を測定した（図7）。
30700A
900A
1,100A

CO2回収量（kg/hr）

27900

1,000

1,100

1,200

1,300

1,400

1,500

負荷電流（A）

c．運転条件とCO２回収量との相関
図８

負荷電流とアノード出口CO２濃度との関係（５）開発成果・電圧低下率が良好であることから，MCFCに石炭火力排ガスを供給してCO2回収しながら，数万時間の運転を継続できる見通しを得た。
・運転条件とCO2回収量等，システム性能との相関を

800A
1,000A
1,200A

24明らかにした。

21３1815

あとがき

今後は，本開発の成果を反映し，より高効率な発電

1226283032343638404244464850

アノード抽気率（％）

図７

アノード抽気率，負荷電流およびCO２回収量の関係およびCO2回収を実現するため，MCFCを用いた石炭ガス化複合発電によりCO2を回収するシステムの基礎試験を実施する計画である。

図7より，それぞれの負荷電流において，アノード抽気率を高めるほどCO2回収量が増加する関係にあることを確認した。この要因は，アノード抽気率を高めるほど，CO2回収装置へと導入されるCO2量が増加するためである。
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