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特集論文

定置用 PEFC 実用化への取組み
Activity Towards Practical Application ofStationary PEFC
吉梶田博

久水泰起隈早純良明

当社では，車載用に始まり，移動体動力用，定置用の PEFC システムを開発中である．家庭用を対象とした都市ガス燃料の１ kW コージェネレーションシステムでは，燃料改質器内の触媒劣化を防止する新技術の開発によりDSS 運用

窒素レスの確立に我が国で初めて成功した．現在，サンプル機の出荷を開始し，フィールド検証中．並行して，世界最小容積の１ kW システムを開発し，社内検証を開始した．また，燃料多様化を視野に入れて都市ガス以外の各種燃料に対しても改質技術を確立しており，今後は，ユーザ用途に応じた PEFC システムのラインアップを拡充していく．

1．はじめ② メインテナンスが容易であるなど一般家庭でも安心してに使えるシステムであること．

固体高分子形燃料電池（PEFC ＝ Polymer Electrolyte Fuelが挙げられる．

Cell）は， 二酸化炭素排出抑制に寄与する，燃料供給源多系統電力に対する光熱費削減メリットを最大にするために様化によりエネルギー安定供給に資する，我が国の産業競争

は，発電した電力を無駄にしないように，家庭の電力消費パ力強化が図れる （政府の燃料電池プロジェクトチーム報告

ターンに対応した運転すなわち電力消費のほとんどない深夜書より抜粋）との観点から，いわゆる３ E（Environmentalは停止して早朝に起動し（いわゆる DSS 運用），電力消費量

Protection，Energy Security，Economic Efficiency）の同時の少ない昼間は低負荷で運転するパターンを実現することが達成を実現する技術として早期実用化・普及が望まれている．

重要となる．この際の課題としては， 改質ガスパージの運当社では従前より PEFC 開発に向けて高分子膜や触媒などの用性と低負荷運転時の効率向上が挙げられる．

素材から改質器や電池など各主要コンポーネント及びシステ

発停を繰り返す場合，運転を停止した際に改質器内に可燃ムに至る技術開発を続けており，2001 年６月には三菱自動性の改質ガスが残ることは，安全上望ましくない．また，こ車工業（株）と共同開発した燃料電池自動車の走行試験を実の改質ガスの影響で時間とともに改質器内の触媒の酸化が進施，後部座席や荷台スペースを犠牲にしないようすべて床下み，触媒の劣化が起こることが知られており，停止時には燃収納としたパワーパックを用いて自立走行を達成した．走行

料ガスを改質器外へパージ（排出）する必要がある．このパ試験は成功裏に終了したが，定置用の方が実用化が早いとのージには一般的に窒素ガスが用いられるが，窒素を使用する判断に達したため，現在では自動車用技術をいかした定置用場合，窒素ボンベの設置が必要となり装置が大型化してしまに軸足を移し，都市ガス等を燃料とする家庭用システムを中う．さらに，１回のパージ当たり数十 L の窒素を要するため，心に，定置用システムの検証／耐久性評価を推進している．

ボンベへの頻繁な窒素充てんが必要となり，これが従来，この取組みの中で，燃料改質器内の触媒の劣化を防止する新PEFC の運用性向上とランニングコスト低減を妨げる原因と技術を開発し，これにより家庭用燃料電池実用化に当たり大考えられていた．

きな課題であったdown）運用

窒素レス DSS（Daily Start-up & Shut-

また，低負荷で運転すると，従来は改質プロセスにおけるの確立に我が国で初めて成功した．同時に装熱制御が難しくなり，改質プロセス効率が低下することによ

置のコンパクト化，ランニングコストの低減も実現，環境負りシステム効率が低下するため，ユーザの光熱費削減メリッ

荷が小さい上にコンパクトで使いやすく光熱費削減メリットト確保が難しいといった問題があった．の大きい家庭用燃料電池の実用化に向けて大きく前進した．

2．家庭用 PEFC システムの要件
家庭用燃料電池システムに求められる特性としては，① 系統電源の利用に対して光熱費削減メリットがあること．

以上より，家庭用燃料電池システムの要件は，① 下記を通じて光熱費削減メリットの大きな運用パターンを実現する．
b 発停に伴う改質器内触媒劣化の防止により DSS 運用を可能とする．
三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003_7）

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図１ 都市ガス１ kW コージェネレーションシステム初号
2003 年１月に（社）日本ガス協会
機（CGⅠ型機）

図２ 都市ガス１ kW コージェネレーションシステム初号
２号機（CGⅡ型機）
機と 2 号機の本体容積の比較
では，集積配管技術の適用などにより，世界最小レベルの小型化を実現した．にサンプル出荷，現在，負荷追従試験，環境試験等に供試している．

減）するとともにメインテナンスを容易にした．２号機
b 低負荷運転時の効率低下の防止により，広域負荷運用

CGⅡ型搭載の改質器では，パージガス発生機能を改質器内部に持たせている．

を可能とする．
② 窒素パージを不要にして小型・軽量化を実現するととも（2）DSS 運用
窒素レスパージにメインテナンスを容易にする．と併せて，改質器内に使用されている触媒のうち，発停に伴う劣化が大きな触媒を特定し，発ことであると判断した．
なお，窒素パージを不要にすると，窒素充てんにかかわる停を繰り返してもこの触媒の劣化が進まない運用技術を開の実現はシステ

発，５年間相当の発停耐久試験を通じて信頼性を検証した

ムの光熱費削減メリットをより大きくすることにもつなが（図３）．図中◆で連続運転における CO 転化率，■，▲，る．

●でそれぞれ異なる運用条件における DSS 運用時の CO 転費用も削減できるため， 窒素レスパージ

3．当社家庭用燃料電池システムの開発状況

化率を示す．従来運用法（■）では発停 180 回で CO 転化率が 30 ％台まで低下しており触媒の寿命は実用上３週間

当社は前記メリットが大きい家庭用 PEFC システムを実現程度と評価していたが，改質器内触媒の劣化メカニズムを窒素レスパージ ， DSS 運用 ， 広域負荷運用解明することにより，1680 回の発停でも CO 転化率がほとに関する技術開発に取り組み，2002 年６月に都市ガス１ kW

んど変化しない運用方法を開発し（●），連続条件と同等するためコージェネレーションシステムの初号機（CGⅠ型機）を完成（図１），社内検証試験の後，2003 年１月に（社）日本ガス協会にサンプル出荷，現在，負荷追従試験，環境試験等に供の触媒寿命を得ることに成功した．
（3）広域負荷運用
さらに当社では熱制御を通じて改質器内の水蒸気量と燃料量の比率を適正化するとともに電池の燃料供給の制御シ試している．
この初号機に次いで，2003 年６月には低負荷運転時の改ステム改良により大幅に改善することにより，低負荷（高質効率を更に向上させるとともにパージガス発生機能を内蔵した新型改質器を搭載し，本体側では台座や側壁に配管を埋め込んだ集積配管技術100を利用して外出し配管をほとんどなくしたことにより世界最小レベルの小型化を実現した２号積の比較），社内検証試験を開始した．
（1）窒素レスパージ
当社では，従来使われてきた窒素に替わり，排ガスを利用したパージガスによりパージする手法を開発し，DSS にCO 転化率（％）

機（CGⅡ型機）を完成し（図２，初号機と２号機の本体容

80
活性予測線

目標 CO 転化率60
連続運転

DSS②：発停 370 回

推定寿命 5 年以上

推定寿命 約 1 年

DSS①：発停 1 680 回

DSS③：発停 180 回連続条件とほぼ同等

推定寿命 約 3 週間

500

1 500

4020伴う窒素パージを不要にした．要素試験により，パージガス中に酸素と水蒸気が混在していた場合，改質器内触媒の劣化が激しいことが明らかとなったことより，当社はO2 レスドライ排ガスを効率よく製造できる方法を見出した．これによりシステムの軽量・小型化を達成（窒素パージするシステムと比較して重量約 20 kg，容積約 50L 低

0

1 000

2 000

DSS 回数（回）図３ DSS 耐久性要素試験結果

発停を繰り返してもCO 転化率がほとんど変化しない運用方法を開発（●），
連続条件（◆）と同等の触媒寿命を得た．
三菱重工技報 Vol.40 No.4（2003_7）

256：入力電圧＝66 V：入力電圧＝48 V：入力電圧＝40 V

新型改質器率（％）

8580

効

改質プロセス効率（％ LHV）

100

従来型改質器759590708503060100013010203040

直流入力電流（A）

運転負荷（％）

図５ パワーコンディショナ効率特性

高効率トランス開発や DC/DC コンバータ並列化などにより世界トップレベルの効率 92 ％を達成した．

図４ ２号機搭載改質器の改質プロセス効率

改質器で発生する熱を有効利用することにより，30 ％部分負荷で 79 ％，100 ％負荷で 83 ％の大幅な効率向上を達成した

40得ることに成功した．２号機 CGⅡ型では，改質器で発生する熱の有効利用により改質効率を更に向上させ，30 ％
部分負荷で 79 ％，100 ％負荷で 83 ％と従来値を大きくしのぐ改質効率を達成した（図４）．
（4）小型化

発電効率（％ LHV）

ターンダウン比）運転時でも安定した改質プロセス効率を
35

3025

システム本体には二次元集積配管を適用して台座や側壁に配管を埋め込むことにより，２号機 CGⅡ型では本体容20積 180 l（高さ１ m，幅 60 cm，奥行き 30 cm）と世界最小

0206080100120

運転負荷 （％）

レベルの小型化を達成した．この二次元集積配管は，当社独自技術である M-iPIS（ミピス： Mitsubishi integrated40

図６ ２号機 CG Ⅱ型発電効率システム AC 送電端発電
効率は 30 〜 100 ％の広い負荷域で 32 ％（LHV）以上，最高 36 ％（LHV）達成のめどを得た．

Piping & Instrument System ＝従来，三次元的に配置する
機器間配管をプレート形状化することにより機器コンパク
ト化・軽量化を実現する．当社プラント・交通システム事業センターにて開発）を PEFC に適用したものである．

電負荷に基づき本システム導入パターンを決定（図７），
このパターンで PEFC システムを運転した時の電力費用削（5）高効率化
低電圧の PEFC 出力を商用 200/100 V に連携するために減量と燃料（都市ガス）費用増加量から現状に対する光熱はパワーコンディショナにて電圧の昇圧が必要となるため，費削減メリットを試算したところ，系統電力代やガス代に高効率系統連系インバータ（パワーコンディショナ）を開応じて多少の変動はするものの，一年間に数万円の光熱費発した．高効率トランスの開発や DC/DC コンバータの並が削減できるとの結果を得た．

列化などの対策により（インバータ効率 98 ％，DC/DC（6）高耐久性

コンバータ効率 94 ％），パワーコンディショナとしては世家庭用 PEFC システムとして本格普及するためには５年界トップレベルの効率 92 ％を達成した（図５）．これに加以上の耐久性が要求される．これを実現する上で，現在，えて２号機 CGⅡ型では，前記集積配管技術などを用いた最も課題が大きいと考えられているのが，電池の耐久性向コンパクト化を通じてシステム熱容量を従来比で 1/2 以下上である．電池の耐久性向上には，安定した発電を維持すに低減したことにより起動時燃料消費量低減や起動時間短るための縮化を達成し，さらに改質効率の向上，改質器や電池での生成される発生熱をすべて有効利用する

熱ロスの無いシステムに電池内湿度の適正化 ，水素と酸素が反応して反応水の排水性向上 ，一酸化炭素などの被毒成分の除去が非常に重要であり，著者らはこれらMVP（Moisture Velocity Poison）管理よるシステム効率向上を達成した結果，30 〜 100 ％の広をい負荷域でシステムの AC 送電端発電効率は 32 ％（LHV）る．この MVP 管理の徹底・適正化により，現在，家庭用以上，最高 36 ％（LHV）達成のめどを得た（図６）．

PEFC 使用条件での電池単体試験で 4 800 時間の耐久性を上記の結果，高い効率で実際の家庭の消費電力に対応した運転パターンを実現することが可能となり，大きな光熱と呼んでい確認し，なお継続試験中である（図８）．
（7）低コスト化費削減メリットが期待できるめどを得た．当社従業員家庭

都市ガス会社は，現在のガス給湯器価格との比較より，（４人家族）の熱電負荷を一年間にわたり計測し，その熱本格普及時の１ kW システムの価格（最終ユーザ負担価格）
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2574電 力（kW）

3
高 TDR 運転帯

高 T DR 運転帯

DSS 運転停止帯

2
社員家庭消費電力
実測例（ 02/1）
1
PEFC 発電量
20 ％ 運転
06：00

9：00

12：00

15：00

18：00

21：00

24：00

3：00

6：00

時 刻

図７ 実家庭電力負荷と PEFC 運転パターン

実家庭（４人家族）の熱電負荷とこれに基づき決定した本システム運転パターン．

0.90

電圧（V/セル）

0.80

0.70

0.60

〈試験条件〉（1）試験ガス：模擬改質ガス（70 ％ H2，20 ％ CO2，10 ％ N2，10 ppm CO）（2）圧力：常圧（3）水素利用率：75 ％（4）酸素利用率：40 ％

0.50
100

10 0001 000
運転時間（hr）

図８ 電池単体耐久性試験結果（継続中）

家庭用 PEFC 使用条件での電池単体試験で 4 800 時間の耐久性を確認し、なお、継続試験中．

を 50 〜 60 万円程度と想定している．しかしながら現状のチフューエル改質技術を燃料会社の協力を得て開発してお単品手作り段階では，製造原価が価格目標より１桁以上高り，今後の PEFC 燃料多様化へ対応すべく要素技術固めは，いというのが実態であり，低コスト化が本格普及に向けたほぼ完了している．今後は，ユーザ用途に応じた PEFC シス最も高いハードルとなっている．この低コスト化実現のたテムのラインアップを拡充していく予定である．また，本格めに，① システムと補機の簡素化，② 低コスト部材や汎普及のためには，今後，耐久性向上と低コスト化が高いハー用機器の利用，③ 量産化などの技術開発を実施している．

ドルとなるが，電池の劣化メカニズムの解明や低コスト部材

現在，前述した集積配管と制御法改善により大幅なシステの検討等を通じて課題と打ち手を明らかにしつつあり，来るムと補機の簡素化を実現し，また電池の低コスト化設計もべき燃料電池市場に対応するべく開発を継続していく．

推進することにより，システム低コスト化を急速に進展させている．

4．まとめ

当社では，都市ガスを燃料とする１ kW 家庭用 PEFC シス
テムについて，メリットの大きな製品を実現するキー技術の吉田博久

水早純

技術本部
広島研究所 PEFC
開発センター長

技術本部
技術企画部
技術戦略グループ

梶泰起

隈良明

広島製作所
機械プラント技術部
長

汎用機・特車事業本部
企画経理部
企画課主席

めどを得，サンプル出荷を通じてフィールド検証中である．
一方で，数 kW 〜数十 kW 級の改質器を開発するとともに，燃料多様化も視野に入れて，都市ガス以外の各種燃料に対しても改質技術を確立している．今回のコンパクト機は，都市ガスと LPG を当面の対象燃料としているが，当社では灯油，ナフサ，メタノール，ジメチルエーテルを含む６種類のマル

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