低温型と高温型を直列配置した
平板型 SOFC 発電のサイクル解析
竹澤伸也＊，大庭貴弘，荒木拓人，恩田和夫 (豊橋技術科学大学)

Cycle analysis of two-stage planar SOFC power generation by series connection of low and high temperature SOFCs
Shinya Takezawa, Takahiro Ohba, Takuto Araki, Kazuo Onda (Toyohashi University of Technology)
SOFC に供給される。二段目 SOFC 出口ガスは燃焼器で燃焼

１．はじめに固体酸化物燃料電池（SOFC）は電池全体を固体で構成することができ、発電と同時に得られる高温排熱を燃料改質や、燃料や空気の再生過熱等に利用することができ、サイクル全体として高い発電効率が得られる。最近、600℃程度され、その排熱は改質器、予熱器①で回収した後、ガスタービン発電で回収する。

２．３基準条件及び計算方法
基本的な運転条件は、低温型 SOFC セル平均温度 750℃、から運転できる低温型 SOFC が優れた発電特性を示し、総合燃料利用率 85％（低温型 42.5％、高温型 42.5％）、総SOFC 運転温度の低温化が進んでいる。ボトミング発電に使合空気利用率 30％（低温型 15％、高温型 15％）、平均電流われるガスタービンより燃料電池の発電効率は高いので、密度 0.3A/cm2、セル運転圧力 1.0MPa、燃料再循環率 30％、SOFC 運転温度範囲が拡大すると、システム発電効率がより空気再循環率 10％とした。計算は、まず、低温型 SOFC の入増加すると期待される。また、米国 DOE より燃料電池を五口ガス温度と電解質平均温度に適当な初期値を与える。総段直列配置したマルチステージ FC 発電システムが提案され高い発電効率を示している（１）。そこで、我々は現在開発されている低温型と高温型の SOFC を直列配置したマルチ合燃料利用率より燃料であるメタンの流量を決定し、外部改質器入口条件を決め,100％改質として水素流量を決める。

ステージ（ここでは 2 段）SOFC を考え、現在手に入る過電低温型 SOFC の計算を収束させた後、低温型 SOFC の出口ガ圧などのデータを基に 2 段 SOFC システムの発電効率計算

ス組成、ガス温度を高温型 SOFC の入力として二段目 SOFCをした。

を計算し、その後システム全体を計算した。

２．マルチステージ SOFC 解析法
２．１セル構成

３．計算結果３．１基準条件による電圧電流分布

本解析では平板型 SOFC を考え（２）、低温型 SOFC はランタンガレート系電解質を用いた SOFC

（３）
（４）
（５）
（６）

図２と図３に低温型と高温型 SOFC の基準条件におけるガを参考

ス流れ方向のセル電圧と電流の分布を示す。図から高温型に、過電圧や熱物性などの値を決めた。高温型はＹＳＺ電SOFC より低温型 SOFC の方がセル電圧が高く、発電特性に優解質の既報（７）の物性値を用いた。

れることが分かる。これは低温型の過電圧が低い為である。

２．２システム構成
図１に検討したマルチステージ SOFC のシステム構成を示す。一段目に低温型 SOFC を二段目に高温型 SOFC を配置した。燃料のメタンは外部改質器で 100％改質され、SOFCに供給され、一段目 SOFC の出口ガスがそのまま二段目

３．２低温型 SOFC の平均温度に対する発電効率変化
図４に低温型 SOFC の平均温度に対する発電効率の変化を示す。低温型 SOFC 平均温度を増加させると、電解質抵抗が減少するので、発電効率は増加し、更に、高温型では温E xhaust

度上昇により反応過電圧が減少し、低温型より発電効率がB lo w e rより増加する。一方、低温型 SOFC セル平均温度を増加させ

C H ４

B lo w e r

図１ マルチステージ SOFC システム
Fig.1 System diagram of two stage SOFC cycle

Combustor

High temperature SOFC

Low temperature SOFC

A irReformerA C①Pre-heater

M C②Pre-heater

G T

る程低温型 SOFC 入口温度が上がり、余熱量が増加し、ガスタービン入口温度が低下し、ガスタービン出力は減少する。
しかし、全体の発熱効率は SOFC の効果が大きく、平均温度と共に上昇する。

３．３総合燃料利用率による発電効率変化
図５に総合燃料利用率による発電効率の変化を示す。総合燃料利用率を高くすると、セル電圧は減少するが、燃料
1.05 Nernst potential
1.00
0.95

Voltage[V]め、タービンへの入力が減り、ガスタービン入口温度は低下し、ガスタービン出力は減少する。

３．４総合空気利用率による発電効率変化

0.90
0.85

また、空気利用率を増加させると供給空気量が減少し、予熱量が減るので、ガスタービン入口温度は増加し、ガスタ

0.02

0.04
0.06
ガス流れ[m]SOFC サイクルを解析した。低温型は高温型より発電性能が良く、システム全体で 56.1％の発電効率が計算された。低温型と高温型 SOFC を直列に配置したマルチステージ SOFC
は単段の SOFC と同等の発電効率を維持して電池運転温度を拡大できることが分かった。
文50453530252015650

Efficiency[%](5) K.Kuroda,et al.,Solid State Ionics,132,pp199-208(2000)

656055504540353025200.80

図 2 低温型 SOFC の電圧と電流密度の流れ方向分布
Fig.2 Voltage and current density distribution(Low temperature SOFC)

Combined efficiency
Low + High SOFC efficiency
Low temperature SOFC efficiency
High temperature SOFC efficiency

0.85

0.90

0.95

605550Efficiency[%]

Voltage[V]Gas flow[m]850

図 5 総合燃料利用率による発電効率変化
Fig.5 Change of power generation efficiency by total fuelutilization ratio

2

Current density[A/cm ]

0.45
1.20
Nernst potential
1.15
0.40
1.10
Activation
overvoltage(Air)
1.05
0.35
Activation
1.00
overvoltage(Fuel)
0.95
0.30
0.90
Electrolyte resistive overvoltage
0.85
0.25
Electrode resistive overvoltage
0.80
Cell voltage
0.75
0.20
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10

800

Total fuel utilization ratio[-](6) A.Momma,et al.,Electrochemical Society Proceedings,Vol7,(7)岩成亨ら、第 10 回 SOFC 研究発表会、206B、97-100（2001）

750

図 4 低温型 SOFC の平均温度に対する発電効率変化
Fig.4 Change of power generation efficiency by SOFC
average temperature(4) T.Kato,K.Nozaki,et al.,Journal of Electrochemical Society

pp1186-1199(2003)

700

Average temperature of low temperature SOFC[℃](1) T.J.George,K.D.Lyons,R.JamesⅢ, Fuel Cell Seminar(1998)(3) 門馬昭彦ら、
pp13-16
第 11 回 SOFC 研究発表会、104A、（2002）

Combined efficiency
Low+High SOFC efficiency
Low temperature SOFC efficiency
High temperature SOFC efficiency

40

献(2) 大庭貴弘ら、
pp50-53
第 12 回 SOFC 研究発表会、112B、（2003）

0.15
0.10

0.0855

Efficiency[%]

低温型と高温型 SOFC を直列配置したマルチステージ二段

0.20

Cell voltage60

気流量増大に伴い空気圧縮器動力が大きくなり、サイクル

４．まとめ

0.25

Electrode resistive overvoltage

高温型 SOFC の電圧と電流密度の流れ方向分布
Fig.3 Voltage and current density distribution(High temperature SOFC)

ービン出力は増加した。ただし、空気利用率 0.1 では、空発電効率は大きく低下した。

0.30

Electrolyte resistive overvoltage

0.60
0.00

図3

0.350.75

高温型では供給空気が少なくなるとセル平均温度が増加し、電解質抵抗や反応過電圧が減少し、発電効率は増加した。

0.40

Activation
overvoltage(Fuel)

0.80

0.65

気利用率を高くすると、低温型は効率変化が殆んど無いが、

0.45

Activation
overvoltage(Air)0.70

図６に総合空気利用率による発電効率の変化を示す。空0.502また、燃料利用率を増加させると供給燃料量が減少するた

Current density[A/cm ]利用率増加による効率改善が大きく、発電効率は増加する。

45403530

Combined efficiency
Low + High SOFC efficiency
Low temperature SOFC efficiency
High temperature SOFC efficiency

2520150.1

0.2

0.3

0.4

Total air utilization ratio[-]

図 6 総合空気利用率による発電効率変化
Fig.6 Change of power generation efficiency by total airutilization ratio