三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

特集論31

高効率で環境に貢献する固体高分子形燃料電池（PEFC）

文

Enviroment Friendly Power Generation
Technology - PEFC
玄PEFC

義＊1

後Tadashi Gengo平

山裕＊4

巻＊7

Hiroshi Hirayama
写真提供：
（独）
海洋研究開発機構

弦茂

小 林 由 則＊2

森

Yoshinori Kobayashi

Yasushi Mori

谷俊

Toshihiro Tani

宏＊5

康＊3

大 本 節 男＊6
Setsuo Ohmoto

Shigeru Tsurumaki

当社は，触媒や燃焼・伝熱などの要素技術の蓄積をもとに固体高分子形燃料電池（PEFC：PolymerElectrolyte Fuel Cell）の高性能膜・電極接合体（MEA：Membrane Electrode Assembly）等の基礎技術，及び，改質器，電池スタックなど主要コンポーネント開発を行うとともに，システム設計・制御技術をいかして，定置用分散電源及び特殊環境用動力源等向けの PEFC システムの開発を進めている．以下に当社での PEFC 開発状況の概要を紹介する．

1．は

じめ

ム起動停止に伴う OCV（Open Circuit Voltage）保に持や乾燥条件下の電極触媒層中で副生する過酸化水素燃料電池は，次世代の低公害・高効率電源として早に起因するヒドロキシラジカルと考え，この過酸化水期実用化・普及促進が期待されている．中でも固体高素ラジカルを高分子膜に到達する前に捕捉又は安定化分子形燃料電池（PEFC）は，80 〜 120 ℃レベルの低する，ラジカル捕捉層を形成した独自の長寿命膜・電温作動の特徴をいかして，分散電源用や移動体用等へ極接合体（MEA）を開発した（図１）．の適用が進められている．本報では，当社にて実施しこの MEA を採用したショートスタック試験を実施ている PEFC 基礎技術，及び，開発中の灯油を燃料中であり，電圧低下率３mV /1 000 H と十分な安定性とする定置用分散電源システムや，水素を燃料とするを確認，継続している（図２）．
次に，ラジカル捕捉層の高分子劣化抑制効果を調査

特殊用途向けシステム，さらに完全クローズド型超高するため，発電中の排水に含まれるフッ素イオン量を効率発電システムについて紹介する．

測定した（劣化により高分子膜が分解されている場合，2．要素技術の開発状況分子を構成するフッ素イオンの溶出が確認される）．

当社では，高分子膜を劣化させる主原因は，システ

燃料極
触媒層
H2H2HO−

H2O2

図１

高分子膜
H＋H＋

空気極
触媒層
H2O2

1.00
O2H2O

HO−
H2O

OCV 電圧低下無し

ラジカル捕捉層

H2O2H＋

H2O20.80
平均電圧（V）

ラジカル捕捉層累積発電時間 3 500 hr

0.40
0.20

HO−
HO−0.60

H2O0.00

1 000

2 000

3 000

累積発電時間（hr）

ラジカル捕捉層

図２

高分子膜と触媒層の境界にラジカル捕捉層を形成し高分子膜の劣化を防止する．

＊1＊5＊2＊6

原動機事業本部新エネルギー事業推進部長
原動機事業本部新エネルギー事業推進部技術グループ長＊3
原動機事業本部新エネルギー事業推進部技術グループ主席＊4
神戸造船所先端機械・宇宙部新エネルギー設計課長

0ラジカルﾙ捕捉層 MEA の安定性

発電初期の電圧安定性を確認した．

神戸造船所先端機械・宇宙部新エネルギー設計課主席
技術本部広島研究所主席＊7
技術本部長崎研究所化学研究室主席

4 000

三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 200832

ラジカル捕捉層を形成した MEA のフッ素イオン溶出

一方，移動電源車への搭載を目的として純水素燃料量は，ラジカル捕捉層の無い MEA と比較して低下しの 10kW 級 PEFC システムも開発している．純水素ており，高い劣化抑制効果が期待されることが明確に

型燃料電池は，起動が迅速でクリーンな発電が可能でなった（図３）．

あり騒音・振動も少ない．これらの特徴から，移動式の純水素 PEFC は，災害時での非常用電源，換気の3．定置用用途への適用実績

悪い場所での工事電源や照明電源，屋外でのイベント

当社は，新日本石油（株）と共同で灯油燃料の 10kW級 PEFC システムを開発中であり，（財）新エネルギー財団（NEF）の用電源など広い用途に高い利便性を発揮するものと考えている（図５）．

平成 15 年度定置用燃料電池実証研

究（国庫補助事業） に提供して，2004 年２月から１年間にわたりコンビニエンスストアにおいて実証運転試験を実施した．また 2005 年 6 月からは広島市内の商用ホテル（広島ダイヤモンドホテル）に同型機を設置して総合効率 83％を達成すると共に，2007 年 6 月．には累積発電１万時間を達成した（図４）
さらに 2006 年 12 月からは，同型の改良機を公共温水プール施設に設置，目標の発電効率 36 ％以上（LHV：Lower Heating Value）を達成して連続運転

カソードレン水中フッ素溶出量＊（−）

試験を実施中である．
1.0：ラジカル捕捉層なし：ラジカル捕捉層 MEA0.8

図５ 純水素焚き 10 kW 級 PEFC システム

0.6

起動が迅速でクリーンな発電が可能であり騒音・振動も少ない特徴をいかした用途に適用．

0.40.20.0＊ラジカル捕捉層なし MEA のフッ素溶出量の積算値を 1 としたときの相対値

0100200300400500600700

累積発電時間（hr）

図３

ラジカル捕捉層 MEA の劣化抑制効果

ラジカル捕捉層によりフッ素溶出量が抑制されており高分子膜の劣化抑制効果が確認された．

4．特殊用用途への適用実績
PEFC は小型コンパクト・高効率・良好な運転操作性と，純水素純酸素燃料での運用による 60 ％近い高い発電効率，及び発電後の排出物が水のみとなる特長をいかして，閉鎖空間での動力源としての利用も有望である．閉鎖空間への適用の一例として水中航走体が挙げられるが，この場合，燃料供給システムや排出物処理，運転温度保持，高気密性等，定置用／陸上移動体用にはない特有の技術課題が付加される．
当社では，金属セパレータの採用等によりこれらの技術課題を克服し，（独）海洋研究開発機構（JAMSTEC）の自立型無人巡航探査機

うらしまの動力源として４kW 級の完全クローズド PEFC を製作した．これを搭載した

うらしまは，2005 年２月の駿河湾での航走試

験にて 56 時間の連続運転を達成し，自立型無人巡航探査機としては世界最高記録となる 317 km 連続航行
図４

灯油焚き 10 kW 級 PEFC システム

24 時間の電力需要，及び給湯需要の多いホテルにて実証試験を実施し所期の目標を達成した．

を記録した（図６，図７，表１）．
この完全クローズド PEFC は，水中航走体用途のみならず宇宙ステーションや月面基地等での完全再生三菱重工技報 VOL.45 NO.1: 2008

図６

無人巡航探査機33

うらしま

無人巡航探査機として世界最高記録となる 317 km の連続航行を達成（写真提供：（独）海洋研究開発機構）．

表１
出力

PEFC 主要仕様
4 kW（2 kW×2）

運用温度60℃

発電効率54 ％仕様燃料純水素／純酸素

図７

うらしま

搭載 PEFC

玄後義小林由則森康

谷俊宏

大本節男

弦巻茂

水中閉鎖空間での使用のため４kW 級の完全閉ループ式を採用．

型発電システムへの用途拡大も期待できる有望な技術であり，今後の発展が期待される．

5．まとめ

燃料電池の中でも，固体高分子形燃料電池（PEFC）
は低温作動形高効率発電の特長をいかして，定置用のみならず，非常用・移動体用等の分野への適用も視野に入れ商品化を進めてゆく．
最後に，本技術は（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）委託研究や共同研究の中で培われたものであり，この場を借りて委託元，共同研究先に対し謝意を表す．

平山裕