章第1

なぜMCFCか（燃料電池としてのMCFCの魅力）

燃料電池は環境への影響が非常に少なく効率の高い発電装置として注目されている。そのうち、溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）は600〜700℃で動作する高温型であり、電池自体の電圧が高く、高温の排ガスを用いてガスタービンを動作させる事もでき、複合発電としてさらに高い効率が得られる。また、様々な種類の燃料を用いる事ができることも魅力の一つとなっている。炭酸塩を用いている事に特徴があり、炭酸ガスを濃縮することもできる。

第 1 章 なぜ MCFC か（燃料電池としての MCFC の魅力） ● 目 次
横須賀研究所

エネルギー化学部

上席研究員

麦倉

良啓

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

吉葉

史彦

１−１

燃料電池発電とは ………………………………………………………………………………………………………… 9

１−２

様々な燃料電池 …………………………………………………………………………………………………………… 12

１−３

MCFC の基本原理 ………………………………………………………………………………………………………… 15

１−４

発電システム基本構成 …………………………………………………………………………………………………… 17―――――――――――――――――――――――

コラム 1 ： HHV ？ LHV ？ DC 端？送電端？（熱効率の定義） ………………………………………………………………… 19
コラム 2 ：炭酸塩とは？ …………………………………………………………………………………………………………… 20

麦倉 良啓（1986 年入所）
入所以来、燃料電池の性能および寿命評価に関連した研究、特に、性能表示式によるMCFC の性能要因分析手法や、ニッケル短絡寿命に関する予測式の開発を担当。また、性能要因分析手法を発展させ、他の燃料電池（PEFC、PAFC、SOFC）の性能評価に適用することにも取り組んでいる。今後は、新型
燃料電池の開発にも注力して行きたい。
（１章全体、コラム２執筆）

8

吉葉 史彦（1993 年入所）
MCFC の大型スタック発電性能評価に関する研究や、燃料電池発電システムの熱効率解析等を実施してきた。今後は、10kW 級ス
タック、300kW 小型発電システム、高圧モ
ジュール発電システムの運転や熱収支解析の経験を活かし、MCFC システムの簡素化やMCFC 発電システムの有効性を拡大する研究を展開する。
（コラム１執筆）１−１

燃料電池発電とは

燃料電池は、かつてはアポロ宇宙船やスペースシャト

を連続的に供給すれば連続的に発電することが可能とな

ルの電源として知られていたが、近年は、自動車に搭載

り、発電機として機能することになる。このように燃料されたり家庭用に設置されるなどして、より身近な存在

を外部から供給することから燃料電池と呼ばれるようにとなってきた。このように燃料電池が注目される理由となった。燃料電池の発想はたいへん古いものであるが、して、以下の魅力が挙げられる。

実用化は 20 世紀に入ってからである。同時期に発明さ・燃料から電気に変換する効率が高い

れたエンジンの実用化は早かったが、燃料電池の実用化・排出されるガスがクリーンにはかなり長い年月を要した。
燃料電池は使用する電解質により分類される。グロー・幅広い分野に適用できる
このような特長は、クリーンな環境を確保しつつ現代

ブ卿は電解質に希硫酸を使用したが、現在はこれに代え社会に不可欠なエネルギーを確保する手段として燃料電固体高分子を用いる固体高分子形（Polymer Electrolyte

池が最も適切な発電装置の１つと成り得ることを示してFuel Cell: PEFC または Proton Exchange Membrane

いる。

Fuel Cell: PEMFC）や、りん酸形 （Phosphoric Acid

まず、燃料電池の歴史から振り返りたい。燃料電池は、

Fuel Cell: PAFC）、溶融炭酸塩形（Molten Carbonate

イギリスのグローブ卿によって 19 世紀前半に実験され、Fuel Cell: MCFC）、固体酸化物形（Solid Oxide Fuel

その可能性が示された （1）（図 1-1-1）。図の下部にある

Cell: SOFC）、が主要な燃料電池である。

４個のコップが燃料電池であり、上部の１つのコップで燃料電池発電と、現在の火力発電所の主流であるガス

は水の電気分解が起こっている。下部のコップでは、水タービン複合発電とを比較してみたい。図 1-1-2 には両素と酸素が充填された試験管をかぶせられた２本の金属方式の機器構成を示す。ガスタービン発電方式ではガス

箔（白金）が、電解質（希硫酸）に浸されている。このタービンが発電効率を支配しているが、燃料電池発電で一対の金属箔の間には 1 Ｖ程度の電圧が生じる。これをは燃料電池が支配する。

電池として使用した場合、試験管内のガスを消費し切れ

また、各種発電システムの発電出力と発電効率の関係

ば電気を取り出すことはできなくなるが、試験管にガスを図 1-1-3 に示す。

水の電気分解

白金箔

水
素
の
発
生

酸
素
の
発
生

水 酸
素 素
− ＋

水 酸
素 素
− ＋

希硫酸

燃料電池

図1-1-1

グローブ卿の燃料電池

電中研レビュー No.51 ● 9

発電効率を支配する機器

ガスタービン複合発電
天然ガス
空気

燃焼ガス

燃焼器

ガス
タービン

機械動力
発電機

熱
水

ボイラー

機械動力
発電機

AC

発電効率を
支配する機器

燃料電池発電
天然ガス
空気

蒸気
タービン

AC

水素

改質器

DC

燃料電池

熱
機械動力
膨張
タービン

図1-1-2

インバータ

AC

AC

発電機

発電方式による機器構成の比較

発電効率（HHV基準）（％）

70

60

50

PEFC
PAFC
MCFC
SOFC
MCFC
SOFC

天然ガス系
燃料
石炭燃料

40
ガスタービン複合発電
石炭ガス化複合発電
ガスエンジン
ガスタービン
マイクロガスタービン

30

20
0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

発電出力（MW）

図1-1-3

各種発電システムの発電出力と発電効率

ガスタービン発電では、燃焼器で高温のガスを発生さ料電池とタービンとを組み合わせた複合発電では、発電

せ、ガスタービンを回して発電するが、燃料ガスが高温

出力が大きい程、発電効率の高い大型のタービンを利用なほど高い発電効率が得られる。したがって高効率化のできるため発電効率が高くなる。

ため 1500 ℃級までの高温化および大型化が進められ、燃料電池は、アノード、カソード、電解質（マトリッ

51%程度の発電効率が達成されている。しかし、1500 ℃クス）の３つの主要な部材から構成され、これら一組を以上のさらなる高温化には新たな材料の開発やタービン

まとめてセルと呼ぶ。図 1-1-1 のグローブ卿の電池で説

翼の冷却が必要であり、限界に近づきつつある。これに明すると、２枚の白金箔がアノードとカソードに相当す

対し、燃料電池発電では発電効率の主要機器である燃料る。アノードは、燃料が供給される電極であり、燃料極

電池の理想発電効率は低温の場合ほど高く 84%にも達す

あるいはマイナス極とも呼ばれる。一方、カソードは空る。一方、電池内で起こる化学反応は高温の場合ほど活気や酸素が供給される電極であり、空気極、酸素極ある発である。当所の解析によれば運転温度が 500 〜

いはプラス極とも呼ばれる。

1000 ℃で最も高い効率が期待でき、ガスタービンと比燃料電池では電極面積を広くするほど大きな電流が得

較して低い温度域で高い効率が得られる（2）。さらに、燃られるため、電気出力は電極面積に比例して増加する。

10このため、開発されている燃料電池では 1m2 以上の大面の厚みは 1cm に満たない。

積なものがある。また、燃料電池において大電力を得る

図 1-1-5 には、PEFC の発電原理を示す。水素（H2）ためには、図 1-1-4 に示すように単セルを何枚も積層す

は、アノードに電子（e −）を与え、２つの水素イオンる。このように、多数のセルが積層されたものを一般的（H +）（別名プロトン）となって電解質中をカソードににスタックと呼ぶ。単セルと単セルの間にはセパレータ

向かって移動していく。この水素イオンはカソードで酸と呼ばれる部品が使われている。セパレータは、電気抵

素（O2）と反応し、電極から電子を受け取って水（H2O）

抗の低い金属や炭素でできており、単セルを電気的に結となる。このようにアノードでは、中性の物質をイオン合する役割の他、燃料ガスと空気を分離する役割、燃料と電子に分離し、逆にカソードではイオンと電子から中ガスと空気をセルに供給する役割があり、両側にガス流性の物質ができる。このため、アノードでは電子が過剰路が刻まれている。燃料電池は種類によって使用する材

な状態となり、カソードでは逆に電子が不足する状態に料が異なるため、その厚みは様々であるが、一般的にアなる。つまり、これらの電極を外部的に電線で結ぶと自ノード、カソード、電解質の厚みは数十μ m 〜 1mm 程

然に電気が流れることになる。これが、発電の原理であ度と非常に薄く、セパレータまで含めても１セル当たり

る。

空気

カソード
（白金/炭素）燃料○＋

固体高分子電解質
パーフルオロ系
イオン交換膜アノード（白金/炭素）

単セル

ガス流路
セパレータ
（炭素）
○
−

図1-1-4

PEFCのスタック構造

酸素
O2

O2

H2O

O2

空気流路

カソード（白金/炭素） H＋H2

アノード（白金/炭素） H＋

e−

H＋
H

電解質（固体高分子膜）

水素

e−

＋

H＋

H＋

e−

H2

カソード反応： O2

＋ 4

H＋

アノード反応：全反応： O2

図1-1-5＋＋ 4 e−

e−
−

H2

燃料流路

＋

→ 2

H2O

2

H2

→

4

H＋

2

H2

→

2

H2O

＋ 4 e−PEFCの発電原理

電中研レビュー No.51 ● 11

１− 2

様々な燃料電池
極として使用されている。Ni は天然ガスの主成分であ1-2-1るメタン（CH4）を水素（H 2）と一酸化炭素（CO）に種類と一般的な特徴

改質する触媒能力があるため、MCFC や SOFC では天
燃料電池は、既に述べたように PEFC、PAFC、然ガスを直接燃料として使用することもできる。また、

MCFC、SOFC に分類されるが、電解質の特性によってSOFC および MCFC は一酸化炭素を多く含むバイオマ

動作温度や使用する電極材料が選定される。また、

スガス化ガス、廃棄物ガス化ガス、石炭ガス化ガスなど

MCFC と SOFC は他に比較して電池の動作温度が高く、を直接使用できるが、PAFC や PEFC では、一酸化炭素

電池の排熱を利用した複合発電もできるため、特に高温の濃度が高いそれらのガス化ガスは使用できない。以下

型燃料電池と呼ばれている。燃料電池の種類を表 1-2-1

で各燃料電池を解説する。

に、また、燃料電池の種類と燃料との関係を図 1-2-1 に

1 PEFC ：イオン伝導性を持った固体高分子（パーフ○示す。200 ℃以下の比較的低温で動作させる PEFC や

ルオロ系イオン交換膜）を電解質に使用するもので、PAFC では、化学反応を活発に行わせるため、白金を触自動車用や家庭用として近年盛んに研究が行われてい媒として使用しているが、MCFC や SOFC は動作温度

る。運転温度は約 80 ℃である。発電効率は約 60 ％とが高いため高価な触媒が必要なく、ニッケル（Ni）が電高く、安価な水素製造が実現されれば、魅力的な電源となるが、天然ガス等を燃料とする場合には、触媒で

表1-2-1

動作温度
電解質

固体高分子形（PEFC）

りん酸形（PAFC）

溶融炭酸塩形 固体酸化物形（MCFC）（SOFC）

約80℃

約200℃

600〜700℃ 700〜1000℃

CO32−

H＋

H＋

使用可能
源燃料

水素
天然ガス
メタノール

天然ガス
メタノール

備考

を失うため、一酸化炭素の除去が不可欠である。このため、天然ガスを燃料とする場合の目標発電効率は36 ％程度となるが、排熱を利用した給湯ができ、電プロトン導電溶融炭酸塩 固体酸化物
性高分子膜 りん酸水溶液（Li/K、Li/Na） （YSZ）

反応イオン

適用分野

ある白金が 10ppm 以上の一酸化炭素濃度で触媒作用

燃料電池の種類と特徴

気と熱をあわせた総合効率は 80 ％近くとなり、家庭

O2 −

天然ガス
天然ガス
バイオマス、廃棄物 バイオマス、廃棄物
石炭
石炭
移動用電源 火力代替電源 火力代替電源 火力代替電源
分散電源など
分散電源
分散電源
分散電源
COによる
触媒被毒

COによる
触媒被毒

―

―

用電源としての利用が期待される。発電出力としては、家庭用として 1kW 級が、また、自動車用としては数十 kW 級が想定されている。
2 PAFC ：電解質として非常に濃いりん酸水溶液を使○用し、動作温度は 200 ℃前後である。PEFC 同様に白天然ガス

SOFC（1000℃）

ガス化
1000℃

改 ニッケル（触媒）質 800℃
水素＋一酸化炭素

石炭、バイオマス、廃棄物

MCFC（650℃）

水素＋一酸化炭素

変 ニッケル（触媒）成 200℃
水素（＜CO: 1%）

PAFC（200℃）

白金触媒使用PEFC（80℃）

白金触媒使用除去水素（＜CO: 10ppm）

図1-2-112

燃料電池と使用可能な燃料の關係金触媒を使用するが、PEFC よりも動作温度が高いたされる。燃料利用率や酸素利用率は、燃料電池システム

め、一酸化炭素（CO）の許容値は 1%と高い。これ以において重要なパラメータであり、発電効率を上げるた

上の一酸化炭酸濃度を持つ燃料を使用する場合には、めには燃料利用率を高くする必要があるが、実際には一酸化炭素を二酸化炭素に転換する変成器を用いる必

80 〜 90%程度である。ここで、燃料利用率を Uf とする要がある。PAFC で使用できる燃料は比較的水素成分と燃料電池の発電効率εfc は、いずれのタイプの燃料電の多い天然ガス、メタノール、およびプロパンガス等池であっても電池の出力電圧 Ｖ によって次式によってに限定される。発電効率は 40 ％弱であるが、排熱を定まる。

利用した給湯ができ、電気と熱をあわせた総合効率はf

80 ％近くとなり、分散型電源としての利用が期待さ（1-2-1）f

れる。現在は、発電出力 200kW 級プラントの実証導入が進められている。

ここで、 ｎ は反応電子数であり、ファラデー定数 F

3 MCFC ：電解質には通常、混合炭酸塩（炭酸リチウ○（C/mol）との積である nF は１モルの燃料が反応する

ムと炭酸ナトリウムあるいは炭酸カリウムの混合物）

ときに移動する電荷の総量である。 ΔH は燃料１モルを溶融させたものを使用する。この混合炭酸塩は約を燃焼した場合の発熱量である。上式中の nF/ΔH は燃

4 9 0 ℃ で 解 け て 、 高 温 な ほ ど 導 電 率 が 高 く な る が、料の種類のみによって決まり、たとえば燃料が水素の場

700 ℃以上になると、電池に使用している材料を激し

合εfc ＝ 0.675UfV（0 ℃、HHV（高位発熱量、コラム

く腐食させるため、MCFC の作動温度は 650 ℃前後で１参照）基準）となる。V は、無負荷時の電圧である開ある。アノードにはニッケル（Ni）が用いられる。ま路電圧 E から、反応によるガス濃度変化に伴う起電力のた、ニッケルを触媒として、一酸化炭素（CO）は水低下分（ネルンストロス）、内部抵抗による電圧降下、蒸気（H2O）と反応し、水素（H2）と炭酸ガス（CO2）

アノード反応に伴う電圧低下分、カソード反応に伴う電になる（シフト反応）ので、一酸化炭素も直接燃料と圧低下分を差し引いた値である。（性能要因の詳細につして使用できる。従って、石炭ガス化ガス等も直接使いては、3-1 節参照）

用することができる。発電出力としては分散型電源と４つの燃料電池性能の比較を図 1-2-2 に示す。燃料はしての 250kW 級から火力代替用の数万 kW 級までが天然ガス、燃料利用率 80 ％、運転圧力 0.5MPa としてい想定され、開発が進められている。

る。図中の発電効率は電池本体の効率であり、燃料の持4 SOFC ：電解質には、セラミックスであるジルコニ○

つ高位発熱量と発電電力との比である。いずれの燃料電

アが通常使用され、その動作温度は 700 〜 1000 ℃で池も電流密度を上げると電圧は低下する。電流密度ある。アノードにはニッケル（Ni）主体の物質が使用されている。発電効率は 45 〜 60 ％で、分散型電源か
1200
圧力：0.5MPa
燃料ガス：H2/CO2/H2O＝64/16/20
酸化剤ガス：Air
利用率：Uf＝80％、Uox＝50％

年は発電出力１〜 50kW 程度の小型のものが中心に開

1-2-2

電池本体の発電効率

電圧（mV）

発されている。

1000
発電効率重視（高電圧、低電流）

SOFC
MCFC
PAFC
PEFC

70

60

出力密度重視（低電圧、高電流）800

このような燃料電池本体の発電効率について考えてみ50

たい。ガスタービン発電では燃料は燃焼器で全て燃焼されるが、燃料電池では電池内で燃料がなくなると電圧が急激に低下するため、供給した燃料を 100 ％利用するこ

600
0

100

200

300

400

発電効率（HHV基準）（％）

80

ら火力代替用までの広い用途が期待されているが、近40500

電流密度（mA/cm2）とはできない。供給した燃料のうち発電に利用される燃料の割合を燃料利用率と言い、同様に酸素利用率も定義

図1-2-2

各種燃料電池性能の比較

電中研レビュー No.51 ● 13

300mA/cm2 以下の、発電効率を重視する、つまり、電因ほど性能への影響が大きい。本図から出力電圧は、低圧の高さを重視する電流密度域では、MCFC の出力電温型である PEFC と PAFC で低く、高温型である

圧が他の燃料電池よりも高い。このように燃料電池本体

MCFC と SOFC で高いがこれは以下の要因による。
開路電圧は、理論的に低温なほど高くなる。しかし、で最も高い電圧が得られることが MCFC の大きな魅力の１つである。一方、発電効率ではなく、出力密度重視

発電によって生成する水の状態もこれに影響する。燃料の場合、出力密度は電圧と電流密度の積であり、例えば電池の運転温度が 100 ℃以上の場合には水は気体状態で2

電流密度 200mA/cm で電圧 800mV の場合の出力密度は22生成するが、PEFC では動作温度が約 80 ℃と低いため0.16W/cm であるのに対し、400mA/cm で 650mV の場

水は液体状態で生成し、このため開路電圧は PAFC よ合の出力密度は 0.26W/cm2 となるため、300mA/cm2 以

りも低くなる。ネルンストロスに関しては、低温型であ上の高い領域に設定する。この場合、MCFC はセル電

る PEFC と PAFC ではカソード側に水を生成するため

2圧の電流密度依存性が大きいため、300mA/cm 以上の燃料の希釈がなく、25mV 程度と小さいが、高温型であ

電流密度域では MCFC の出力電圧の優位性はほとんど

る MCFC と SOFC ではアノード側に水が生成し、燃料なくなり、いずれの燃料電池の電圧もほぼ同じ値となる。

を希釈するため、ネルンストロスは 110mV と大きい。
また、カソード過電圧は、電池間で大きな差があり、低1-2-3温型の PEFC、PAFC では非常に大きく、高温型の各種電池の性能要因分析

MCFC、SOFC では小さい、これが MCFC、SOFC の出
各燃料電池で性能差を生じている原因を探るため、電力電圧が高い最大の要因である。MCFC はこのように

流密度 250mA/cm2 における各性能要因を分析した結果

出力電圧が高いことに加え、高温ではあるが、加工がしを図 1-2-3 に示す。図では、棒高さが開路電圧であり、易く比較的安価な金属材料を使用できることが特長の１

これから各性能要因による電圧ロスが差し引かれたものつである。

が出力電圧となる。棒高さに占める割合が大きい性能要

1600

1400

圧力：0.5MPa、電流密度：250mA/cm2
燃料ガス：H2/CO2/H2O＝64/16/20
酸化剤ガス：Air
利用率：Uf＝80％、Uox＝50％

ネルンストロス
内部抵抗ロス
アノード過電圧
カソード過電圧
出力電圧

PEFC：アノード、カソードの水蒸気濃度47％
MCFC：カソードガス組成は、
O2/CO2/H2O/N2＝10/15/15/60

電圧（mV）

1200

1000

800

600
PEFC

図1-2-3

14

PAFC

MCFC

各種燃料電池の性能要因分析結果

SOFC

１−３

MCFC の基本原理
3-2 節で詳述するように、Li/Na 系混合炭酸塩が主流）

1-3-1が使用され、これをセラミックスであるリチウムアルミ

電池材料と反応

ネート（LiAlO2）の多孔質板に含浸したものが電池に組
炭酸塩（コラム２参照）を電解質として用いる

み込まれている。アノードおよびカソードには、図 1-3-

MCFC スタックと電極構造を図 1-3-1 に示す。また、

1 に示すように数μｍの細孔が多数存在する。この細孔

MCFC の発電原理を図 1-3-2 に示す。

の一部に電解質がしみ込み、ガスと電解質と電極が互いMCFC の動作温度は約 650 ℃と高温である。アノードに接する場所が形成され、ここで図 1-3-2 に示した電池

はニッケル（Ni）を主体にクロム（Cr）、アルミニウム

反応が円滑に進行する。すなわち、カソードでは、酸素（Al）などの金属を少量添加した合金であり、カソード（O2）と炭酸ガス（CO2）と電子から炭酸イオン（CO32 −）は酸化ニッケル（NiO）である。電解質には、炭酸リチが生成される。炭酸イオンは電解質中をカソードからアウム（Li2CO3）と炭酸ナトリウム（Na2CO3）あるいはノード方向に移動する。アノードでは、炭酸イオンと水

炭酸カリウム（K2CO3）を混合した炭酸塩（我が国では、素（H 2）が反応し、水（H 2O）と炭酸ガスが生成され、カソード細孔構造

カソード
10μm

0.

6m

アノード細孔構造

約

アノード
約1.8m
10μm

図1-3-1

MCFCスタックと電極構造

酸素 炭酸ガス
O2

O2

CO2

CO2

カソード（NiO）

＋

CO

一酸化炭素

CO3

CO3
2−

e−
CO2

CO

燃料流路

H2

H2O

カソード反応： O2＋ 2 CO2＋ 4 e−→ 2 CO32−

アノード反応： 2

H2

全反応

：

O2

図1-3-2＋ 2 CO32−
＋

2

H2

e−

2−

CO3

アノード（Ni）

H2

e−

2−

CO 2−
電解質（溶融炭酸塩） 3

水素
H2

CO2

O2

空気流路

→ 2 H2O ＋ 2 CO2
→

e−
−

＋ e−

2 H2 OMCFCの発電原理

電中研レビュー No.51 ● 15

電子が放出される。全反応は、水素と酸素からの水の生るメタンの水素への燃料転換率は、MCFC の動作温度

成反応である。

（約 650 ℃）では必ずしも大きくないが、MCFC 内部でPEFC では、水素イオンがアノードからカソードに移は図 1-3-2 中のアノード反応によって水素が随時消費さ

動し、カソードで水蒸気を生成したが、MCFC では炭れ、また、この反応で熱と水蒸気が発生するため比較的酸イオンが、逆にカソードからアノードに移動しアノー

高い燃料転換率を得ることができる。これは内部改質型

ドで水蒸気を生成する。この水蒸気の生成する場所の差と呼ばれ、小型プラントの電池構造として適する。
一方、メタン改質を電池外で行うものを外部改質型とが、性能要因であるネルンストロスの差を生じさせる。

呼ぶ。外部改質型は内部改質型に比較して構造が簡単で1-3-2あり、かつ軽量であるので、大形プラントの電池構造と燃料改質とガスリサイクルして適する。（コラム３参照）
MCFC では、アノードであるニッケル（Ni）が触媒

また、電池本体に関連した技術としてガスリサイクルの役割を果たし、下記のシフト反応によって一酸化炭素

運転技術がある。MCFC を安定して運転するには、図（CO）と水蒸気から水素と炭酸ガスが生じる。このため、

1-3-3 に示す３つのガスリサイクルが必要となる。

MCFC では石炭ガス化ガスのような一酸化炭素の多い

1 アノードガスリサイクル：燃料排ガス中の未反応の○燃料ガスも、この反応によって水素に変換されるため燃燃料を入口側に再び戻して、燃料利用率を上げるとと料として利用できる。

もに、炭素やメタンの発生を防止する。（コラム４参照）
2 カソードガスリサイクル：カソード出口排ガスの一○（1-3-1）

CO ＋ H2O ＝ H2 ＋ CO2

部を再び入口に戻して、電池で発生する熱を効率よくまた、天然ガスの主成分であるメタンの改質をセル内回収すると共に、電池の温度を制御する。

で行うことも可能である。メタン改質反応は

3 炭酸ガスリサイクル：アノード側で発生した炭酸ガ○

スをカソード側に戻し、カソード反応に必要な炭酸ガスを賄うことによって炭酸ガスの外部供給設備を不要（1-3-2）CH4 ＋ H2O ＝ 3H2 ＋ COにする。（コラム５参照）
である。一般にメタンガスの改質反応とシフト反応によH2 CO H2O CO2
アノードガスリサイクル
燃料ガス
H2 CO

H2 CO

触媒
燃焼器

H2O CO2
アノード
電解質板
カソード

排ガス
O2 N2 CO2

CO2 O2

炭酸ガス
リサイクル

CO2

CO2

カソードガスリサイクル
O2 N2 CO2

図1-3-3

16

MCFCのガスサイクルシステム

空気
O 2 N2

１−４

発電システム基本構成

燃料電池は、燃料として天然ガスばかりでなく、世界

また、SOFC では電池内で改質が行われるため、燃料電的に埋蔵量が豊富な石炭や、廃棄物やバイオマスをガス

池前段の改質器が不要となる。MCFC も電池内で改質化したガスを使用することができる。これらを燃料とすを行う内部改質型の場合は SOFC と同じ機器構成となる。

る場合、天然ガスや石炭を水素や一酸化炭素にする装置

このように MCFC などの高温型燃料電池では、燃料供が、燃料電池の前段に必要となる。天然ガスの改質器は給系の簡素化が図れることが魅力である。また、電池温既に実用化され、石炭から水素や一酸化炭素を取り出す

度制御のための冷却系についても水冷でないため複雑なガス化炉は、現在開発が進められている。燃料電池を電

水処理系が不要となることも魅力である。なお、T/C

気事業用として使用する場合には、高い発電効率が要求には主として既存ガスタービン発電機の転用が考えられされるため、燃料電池から排出される熱を利用してターており、ガスタービン部を膨張タービンとして用いるこ

ビン圧縮機（T/C）や蒸気タービン（S/T）を回し付属とが想定され、G/T と表記することも多い。

する発電機によって複合発電を行う。図 1-4-1 には天然

次に、燃料電池発電システムの発電効率を解説する。

ガスを燃料とした場合の燃料電池発電システムの機器構

燃料電池発電システムの発電効率（送電端、コラム１参成を示す。

照）は次式で表すことができる。

PEFC では天然ガスは改質器で水素と一酸化炭素に改εnet ＝εfp ・εfc ・εpc ＋（1 −εfp ・εfc）
・εbc −εap

質され、一酸化炭素を除去した後、燃料電池に供給される。PEFC の排熱は 80 ℃と低く、複合発電は行わず、（1-4-1）

給湯等に利用する。PAFC、MCFC では燃料電池の後段に燃焼器（改質器）がある。燃料電池で消費した燃料ガ

ここで、ス中の未燃分はここで燃焼され、T/C や改質器の熱源

εnet ：燃料電池発電システムの発電効率（送電端）
εfp ：燃料供給部の燃料変換効率
εfc ：燃料電池本体部の発電効率
εpc ：インバータの直交変換効率（≦ 1）

として利用される。MCFC、SOFC では排熱が 650 〜
1000 ℃と高温なため、さらに後段に排熱回収ボイラ（HRSG）を設置し、蒸気を発生させ、S/T で発電する。

天
然
ガ
ス
天
然
ガ
ス
天
然
ガ
ス

改質器
水

CO
除去器
空気

水冷

空気
水冷

改質器

排気

PEFC

CO変成器

改質器

PAFC

MCFC

燃焼器
（改質器）

燃焼器
（改質器）

排気

T/C

空気

水

T/C

HRSG

排気

S/T
空気

水
天
然
ガ
ス

SOFC

燃焼器

T/C

水
HRSG

排気

S/T
T/C：タービン圧縮機

図1-4-1

S/T：蒸気タービン

HRSG：排熱回収ボイラ

燃料電池システムの機器構成

電中研レビュー No.51 ● 17

εbc ：ボトミングサイクルの発電効率（小型システ
ムには付かない）係を示した。この概算では、発電効率は 52 ％となる。
なお、本構成では燃料に天然ガスを想定しており、カ

εap ：カソードブロワやポンプ等の補機動力

ソード側に電池温度制御のためのカソードガスリサイクルが設置されている。また、アソードで発生する炭酸ガ

天然ガスは改質器で水素等に燃料変換効率:εfp で転換

スを多く含むアノード排ガスは改質器の燃焼部に入り、され、燃料電池で直流電力に発電効率: εfc で変換され、共存する水素や一酸化炭素が燃焼（酸化）されて、水やインバータで交流電力に直交変換効率:εpc で変換される。

炭酸ガスに変わった後に、空気と混合されてカソードにまた、ここで電力に変換されなかったエネルギー:

供給され、炭酸ガスリサイクルが完成される。天然ガス

1 −εfp･εfc は、T/C の発電効率εbc で交流電力に変換

燃料の場合には、設定できる燃料利用率に上限があり、される。インバータと T/C の交流電力の和から、システ

また、水素元素を多く含み、炭素析出も比較的起こりにム内でのガス循環やポンプ等の動力として消費される補くいと考えられることから、本構成ではアノードガスリ

機動力:εap を差し引いた値が、発電効率となる。図 1-4-

サイクルは付設していない。

2 には MCFC 発電システムの機器構成と発電効率との関

天然ガス
改質器
（改質部）

カソード
M
ブロワ

タービン
コンプレッサ空気
排熱回収ボイラ

MCFC

排気

カソード
アノード

（燃焼部）

G
M

インバータ

εnet ＝ εfp ・ εfc ・ εpc ＋（1−εfp・εfc ）・

εbc − εap

＝0.98・0.5・0.95 ＋（1−0.98・0.5）・0.3−0.1＝52％

図1-4-218

MCFC発電システムの効率

水コラム１： HHV ？ LHV ？ DC 端？送電端？（熱効率の定義）
発電設備の熱効率は、その分母となる燃料の発るのであるから、交流端出力への変換効率のみが意

熱量をどのように定義するか、あるいは、分子で味を持ち、燃料電池やガスタービンの出力から、補ある発電電力をどのように定義するかにより数値

機動力や所内動力を差し引いた数値が送電端熱効率が変わってくる。燃料電池発電設備ではこれらのと一般に定義されている。
火力発電所での熱効率の定義は、我が国では表記が国内外で混在して用いられていることが多HHV ベース、欧米では LHV ベースの送電端効率とく注意しなければならない。
分母となる発熱量の表記には、LHV ベース（低することが多い。これに対して、コージェネレーシ

位発熱量基準）と HHV ベース（高位発熱量基準）

ョンプラントは我が国においても LHV 表記が多くがある。両者の差は、燃料が完全燃焼した場合に燃料電池においては、適用分野によって表記がまち発生する水の取り扱いにより生じる。例えば、天まちとなっているのが現状である。LHV ベースで然ガスの主成分である CH4 １ mol が完全燃焼した場

定義した場合、熱効率の数値が大きくなるので発電

合、生成物として２ mol の水が発生する。

性能が過大評価されてしまう可能性が生じる。
また燃料電池発電では、直流で発電された電力をインバータにより交流に変換して利用すること

CH4 ＋ 2O2 ＝ CO2 ＋ 2H2Oが多いため、その電気出力は DC 端や AC 端で定義
この反応による生成物である CO 2 と H 2O は気体される。DC 端は燃料電池で発電された直流電力でである。そのうち H 2O は、液体から気体になるとあり、電気的にインバータの上流で定義される。

き大きな吸熱を伴う（汗が蒸発する時の吸熱によりAC 端は直流の電力を交流に変換した後の出力であ

体温の上昇を防ぐことと同じである）。逆に、液体り、インバータの下流で定義される。通常のインになるときに大きな発熱を伴う。

バータ効率は 90 〜 95 ％程度であるから、DC 端と即ち、燃料は燃焼して気体の水（水蒸気）を生成

AC 端出力を熱効率で表した場合、３〜５％程度のするが、その気体の水が液体になる時には、熱を発差が発生する。また、分散型電源として熱電併給生する（10.5kcal/molH2O）。この発熱を燃料の発熱を考えた場合には、熱効率の分子となる出力に電量に含めた場合、即ち、燃焼したガス中の水分が液気出力と熱出力が含まれる。

体となった場合までの燃焼熱を分母としたのが以上のように、熱効率を論じるためには、電気

HHV ベースで定義された熱効率であり、水分が気

出力が AC なのか DC なのか、燃料の発熱量は LHV

体として排出された時までの発熱量を分母と定義すベースなのか HHV ベースなのか、補機動力や所内るのが LHV ベースの熱効率である。一般に発電装率をどこまで差し引いているのかを明確に定義す

置では、水蒸気が液体の水になる時の発熱量を有効ることが重要である。

に利用することはできない。
インバータロス 補機動力

HHV ベースと LHV ベースの熱効率の値の差は、燃料が完全燃焼した場合の水分量すなわち燃料中に含まれる H 元素の量に左右され、水素、天然ガス、石炭ガ
ス等の燃料種類により異なる。例えば、
CH 4 を燃料とし、熱効率が送電端で 50 ％

電池直流
発電出力

HHV入熱
燃
料
入
熱

M
LHV入熱 C
F
C

交流発電出力交流送電出力T/C
S/T

HHV となった場合、LHV ベースで標記す
供給熱出力

ると、55.5 ％ LHV に相当する。水素を燃料とした場合、HHV ベースで 50 ％ HHV
放熱および排熱損失

であれば、LHV ベースでは 59 ％ LHV である。なお、CO が燃焼し、CO2 を生成する場合は、燃焼反応により水が発生しな

例えばHHVを基準にすると
送電端効率

＝

総合熱効率

＝

が分母となり、代表的な熱効率は以下で表される。
、

送電端効率

＝

いため、LHV と HHV の値は同一となる。
一方、熱効率の定義の際、分子となる
電気出力にも様々な定義がある。通常の発電装置であれば、交流で電力を利用す

図

o

、電池効率

fc

＝

エネルギーの流れと熱効率表現との対応

電中研レビュー No.51 ● 19

コラム２：炭酸塩とは？
MCFC に使用されている炭酸塩は、室温では白い粉状であるが、約 500 ℃以上の高温では融けて無ため、今後も炭酸塩組成の最適化が行われていくものと考えられる。

色透明な液体状態となり、これを溶融炭酸塩と呼ぶ。

このような最適化を促進するため、当所では 3-1-

炭酸塩は、日常あまり聞き慣れない物質であるが、2 項で解説した性能表示式をさらに発展させ、炭酸

実は粉石けんや洗剤の成分や入浴剤の配合成分とし塩の物性値のみからセル電圧を推算する手法を開発て広く用いられている他、食品添加物として、中華している(1)。本手法では、実験に先立って、セルに

麺やこんにゃくの製造にも用いられている身近な物

多様な炭酸塩組成を適用した場合のセル電圧を推算+質である。炭酸塩は、リチウム（Li ）、カリウムできる。図には、その一例を示す。現状の MCFC

（K+）やナトリウム（Na+）のプラスのイオン２個システムのようにスタック内温度が 580 〜 680 ℃のと炭酸イオン（CO32 −）とで構成され、プラスイオ

場合には Li/Na 系混合炭酸塩を電解質として用いるンの種類や組成によって、表に示すように融点等のことが最適であるが、セル入口温度を下げるような物性が変化する。溶融炭酸塩は高温で安定な物質でシステムが可能となれば、Li/Na/K 系混合炭酸塩もあり、かつ、導電率も他の燃料電池の電解質の導電

有力な電解質候補となることが予想される。

率よりも１〜２桁高く、優れた物性を持つ。
MCFC の電解質としては Li/K 系混合炭酸塩が主900流であったが、日本では Li/Na 系混合炭酸塩が近年、850主流となっている。これは、表からわかるように、
Li/Na 系混合炭酸塩は Li/K 系混合炭酸塩よりも導この理由については 3-2 節において詳しく解説しているが、MCFC の性能面、寿命面での問題解決の表

炭酸塩の物性比較

Ni溶解度
融点
導電率
炭酸塩組成
（℃） （1/Ωcm） （×10−6mol）
（混合塩）
Li/K
488
1.05
41.9
（62/38）
Li/Na
496
2.18
22
（52/48）
Li/Na/K
397
1.48
60（43.5/31.5/25）20800
セル電圧（mV）

電率が高く、また、Ni 溶解度が低いためである。

Li52/Na48
Li43.5/Na31.5/K25
Li62/K38
Li35/K65
実測値

750

700

650

600

550
500

図

圧力： 0.5MPa、電流密度：200mA/cm2
燃料：H2/CO2/H2O＝64/16/20 Uf＝80％
酸化剤：O2/CO2/H2O/N2＝10/15/15/60
Uo2＝25％、Uco2＝37.5％
550

600
650
温度（℃）

700

セル電圧の炭酸塩組成、温度依存性の推算結果