燃料電池発電技術
─MCFC実用化への挑戦─

51 2004.3

電中研レビュー No.

財団法人 電力中央研究所

電中研レビュー第 51 号 ● 目 次
燃料電池発電技術（MCFC 実用化への挑戦）
編集担当 ● エネルギー化学部長

巻頭言

中部電力（株）技術開発本部

常務取締役本部長

渡辺

清水

眞男 2

電中研「燃料電池発電技術研究」のあゆみ ………………………………………
はじめに

理事

横須賀研究所長

浜松

夫

4

照秀 6

第１章 なぜ MCFC か（燃料電池としての MCFC の魅力） ………………

7

１ー１ ●燃料電池発電とは …………………………………………………………

9

１ー２ ●様々な燃料電池 …………………………………………………………… 12
１ー３ ● MCFC の基本原理 ……………………………………………………… 15
１ー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

第２章

これまでの MCFC 開発（その成果と課題） ………………………… 21

２ー１ ●内外における MCFC 開発の経緯 ……………………………………… 23
２ー２ ● 1,000kW 発電プラントの成果と課題………………………………… 26
２ー３ ●高効率発電実用化への道筋 ……………………………………………… 28
２ー４ ●現在の国の開発プロジェクト …………………………………………… 29
２ー５ ● MCFC の位置付けと開発の方向性 …………………………………… 33
コラム３：外部改質と内部改質……………………………………………………… 35

第３章

実用化へのキーテクノロジー（実用レベルを支える基盤技術） … 37

３ー１ ●性能解析と評価技術 ……………………………………………………… 39
３ー２ ●セルの高性能化と長寿命化 ……………………………………………… 44
３ー３ ●大出力化のためのスタック技術 ………………………………………… 50
コラム４：炭素析出とその抑制……………………………………………………… 56

第４章

天然ガスからバイオ・廃棄物・石炭ガスへ（適用拡大を目指す
応用技術） …………………………………………………………………… 57

４ー１ ●低カロリー燃料の適用 …………………………………………………… 59
４ー２ ●供給ガス中不純物成分の影響 …………………………………………… 63

４ー３ ●高性能ガス精製技術 ……………………………………………………… 68
４ー４ ●実電池特性に基づく発電システムの構築 ……………………………… 72
コラム５： MCFC による炭酸ガス濃縮 …………………………………………… 77

第５章

初期導入機と将来展開（実用化のための製造技術と導入シナリオ） … 79

５ー１ ●初期導入機の実際 ………………………………………………………… 81
５ー２ ●導入を支える製造技術 …………………………………………………… 82
５ー３ ●実用プラントの概念設計と将来像 ……………………………………… 84
５ー４ ●実用化へのシナリオ ……………………………………………………… 92
５ー５ ●これからの研究展開 ……………………………………………………… 94
コラム６： MCFC 研究の草創期と実用化への期待 ……………………………… 96

付録

もうひとつの高温型燃料電池− SOFC − ……………………………… 97

付ー１

SOFC の特徴と位置づけ ………………………………………………… 99

付ー２

基盤技術への取り組み………………………………………………………104

おわりに

参事

横須賀研究所副所長

阿部俊夫 108

引用文献・資料等 ………………………………………………………………………110
略語一覧 …………………………………………………………………………………114

表紙絵：燃料電池による未来都市への電力・熱供
給イメージ
上右： LNG 利用火力代替 MCFC 発電プラント
中（300MW 級）の概念図：天然ガス利用 MCFC プラントの概念図（左： 10MW 級、右： 7MW 級）

下左： 10kW 級 MCFC スタック発電設備（（財）電力中央研究所横須賀研究所構内）
下中： 250kW 級 MCFC 高積層スタック
下右： 300kW 級加圧小型発電システム（溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合川越発電試験所構内（中部電力（株）川越火力
発電所内）
）

巻

頭

言
MCFC と 愛 地球博
過日、「ノーベル賞受賞者を囲む技術フォーラム」に出席する機会を得ました。
パネラーは C60（フラレーン）の発見によりノーベル化学賞を受賞した英国のハロルド・クロート
氏、また、不斉合成理論で同賞を受賞した野依良
治氏、さらに次期ノーベル賞候補として名声の高い、青色発光ダイオードの赤崎勇氏およびカーボ
ンナノチューブの飯島澄男氏であり、まさに内外の知の集合でありました。
各氏の科学技術に取り組む哲学等を拝聴でき、中部電力において技術開発の責任者を拝命している私にとって、極めて感慨深く、かつ、今後への示唆を得ることができました。各氏の研究領域には差異があるものの、真理を探究す
る各氏の発言には多くの共通項が見受けられました。例えば、研究への取り組み姿勢
としては、「好奇心」旺盛であること、諦めない（やり抜く）こと、また、自分の仕事に惚れ込む（美しいと思う）ことなどを全員が強調されておりました。さらに、優れた研究者に要求される能力は Serendipity（当てにしないものを偶然にうまく発見する能力）であり、また研究領域としては「人のやらない領域」を追求せよと力説され、その中でも特に化学・物理学・生物学の融合領域が魅力に満ちた研究領域とのことでした。
今回の電中研レビューの主題である溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）について、ノーベル賞受賞者の言に映して考えてみると、MCFC の基本原理は 1920 年代に既に開発され、それ以来 80 余年、国内外の機関や研究者が諦めずにやり抜いた結果により今日の技術レベルに到達したわけであります。また、燃料としてバイオマス燃料を想定すれば、将に、この技術は、化学・物理学・生物学の融合領域の技術といえます。

2

MCFC の特長については以下の各章で、それぞれの専門家の皆様が詳述することになりますが、極めて概括的に俯瞰してみますと、発電効率が高く、熱電供給が可能
で総合熱効率が高いことが最大の特長と言えましょう。また、多様な原燃料の利用が可能であるとともに騒音や排出物等の環境調和性が優れていること、さらに、燃料の内部改質が可能であり、かつ貴金属触媒が不要であることも大きな利点と言えましょう。将来、MCFC が大容量化すれば、21 世紀の地球環境問題の最大の課題である CO2
問題も、MCFC を使うことにより CO2 の濃縮回収が可能になり、地層や深海への固定処分につながる有効な環境技術の一つに発展することも期待されております。

来年３月から半年間、名古屋市の東部に位置する瀬戸丘陵で、万国博覧会 愛 地
球博が開催されます。メインテーマは「自然の叡智」と銘打って環境をテーマとした博覧会です。我々、電力会社も共同で「ワンダーサーカス・電力館」を出展することといたしております。会場への電力供給の主体は当然のことながら商用電源でありますが、「政府館」の消費電力の一部に NEDO の補助を受けて、会場で発生する生ゴミから取り出したメタンガスを燃料として 300kW MCFC で発電し供給することとしております。また、「電力館」へは 50kW 固体酸化物形燃料電池（SOFC）を設置し空調等への電力供給をすることとしています。
万博は国内外から 1500 万人の入場者を予定しており、開館期間を通して、安定運
転することにより、日本の燃料電池発電技術の確かさを全世界にアピールするとともに、同技術のさらなる発展に寄与してまいりたいと考えております。

中部電力（株）技術開発本部
常務取締役本部長

清 水 眞 男

電中研レビュー No.51 ● 3

電中研「燃料電池発電技術研究」のあゆみ
西暦

当研究所の状況

我

が

国

の

状

況

1801

1952
1958
1965
1967
1968

1983

1984
1985

1986

・ MCFC ムーンライト（ML）計画
参画
・富士電機、日立と MCFC 共同研究
開始
・東芝、三菱電機と MCFC 共同研究
開始
・ MCFC1kW 級 MCFC 評価試験設
備設置・ IHI と MCFC 共同研究開始
・ MCFC 単セル評価法開発、基本性
能解明
・ MCFC、1kW 級スタック試験、大型化確認
・ PAFC システム性能解析コード開発・ MCFC 単セル用小型加圧試験装置
設置
・ MCFC スタック標準試験法を提案
・ SOFC 研究に着手
・ MCFC 加圧基本特性解明、メタネーションによる電圧飽和確認、抑
制法検討

1988

・ 10kW 級 MCFC スタック試験設備
設置
・ MCFC7kW 常圧スタック試験（富士電機製）、大型スタック基本特性
把握・ MCFC6kW スタックによるガスリ
サイクル運転研究、単セル非定常
モデル開発
・ SOFC 材料開発開始
・ MCFC 性能相関式開発、性能決定
要因分析法開発・ MCFC 端部柔構造セパレータ開発、Ni 短絡現象確認、MCFC 発電
システム解析コード開発

1990

状

況

・［サンシャイン計画で AFC 研究
開発開始］

1987

1989

の

・ 2kW AFC（富士電機製）を電力
系統模擬送電設備に組み込み系統
擾乱時の制御方式検討

1979

1981

外

・ Davy（英）燃料電池原理発表（炭素/空気）・ Grove（英）最初の燃料電池実験
・ Baur（独）MCFC の原形実験
・ Davtyan（露）マトリクス型 MCFC
実験・ Bacon（英）AFC の原形を実験、特許取得
・ Broers（蘭）
多孔質 Ni 電極 MCFC
実験・ GE 社の PEFC がジェミニ 5 号に搭載（初の実用化）
・［TARGET 計画で PAFC 開発開始（米）］・ UT 社（Bacon 特許取得）の AFCがアポロ 7 号に搭載
・［ERDA（米）の開発計画開始］

1839
1921
1946

1976
1977

国

・［公益事業規制政策法（PURPA法）制定、分散電源積極導入開始（米）］
・［DOE が開発継続,、MCFC 開発
開始、EPRI が開発開始（米）］・［ムーンライト（ML）計画で燃料 ・ Westinghouse Electric（WH）社
電池開発本格開始（AFC、PAFC、 （米）円筒縦縞型 SOFC 開発着手
MCFC、SOFC）］
・ Ballard 社 PEFC 開発開始

・ PAFC4.5MW プラント発電（東京
電力/米 IFC 社製）

・ 500W 円筒横縞型 SOFC 開発（電総研）
・ 3kW 級 SOFC 運転試験（東京ガス,大阪ガス/米 WH 社製）
・［系統連系ガイドライン制定］
・ 1MWPAFC プラント 2 機発電（ML 計画）・ 10kW 級 MCFC 発電（ML 計画で
日立、東芝、独自に富士電機、三菱電機、IHI）
・ MCFC 研究組合設立（電中研、メーカー）

・ 200kWPAFC 試験（東京電力、大阪ガス/米 ONSI 社製（PC25 型））
・数 100kW 級 SOFC の研究開発開始（NEDO）
・［燃料電池に関する技術基準制定］
・ 30kW 内部改質 MCFC 試験（関西
電力/三菱電機）・ナフサ燃料 10kWMCFC 試験（石油産業活性化センター）・ 1kW 級 SOFC 試験（東京電力・
電源開発/三菱重工（MHI）、中部
電力/MHI、東燃）

・[燃料電池の研究開発を開始（欧、CEC）］
・［ECN（蘭）が MCFC 研究開始］
・［ボルタ計画（伊）開始、ENEAが MCFC 開発開始］
・ Ballard 社が Dow 膜による PEFC
発電
・ ONSI 社（米）PAFC200kW プロ
ト機（PC25 型）開発

・［米公営電力組合（APPA）が燃
料電池実用化方策公募（NOMO）］
・［ARGE 計画で内部改質 MCFC 開発開始（独、デンマーク共同）］
・［米水素プログラム法制定］
・［米加州がゼロ排出車（ZEV）計画（2003 年導入）発表］
・［NOMO の結果 ERC と電力・ガスによる商業化グループ（FCCG）
設立］
・ 20kW 級 SOFC の運転試験（米）MCFC 関係は太字、政策関連は［ ］で示した。
MCFC ：溶融炭酸塩形燃料電池、SOFC ：固体酸化物形燃料電池、PAFC ：りん酸形燃料電池、PEFC ：固体高分子形
燃料電池、AFC ：アルカリ形燃料電池

4

西

暦

1991
1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001
2002
2003

2004

当研究所の状況

我

が

国

の

状

況

・ 100kW 級 MCFC スタック試験設
備設置・ PAFC 研究組合設立
・ 11MWPAFC プラント発電（東京
電力/米 IFC 社製）
・ Li/Na 系電解質 MCFC 研究着手、 ・［ML 計画に PEFC 開発を追加］
発電システム第一次概念設計
・［燃料電池フィールドテスト事業
・ SOFC ML 計画に参画
開始（NEDO）］
・ 200W SOFC スタック試作
・［余剰電力買取制度創設］
・ MCFC100kW スタック（日立製） ・［ニューサンシャイン（NSS）計
出力達成（MCFC 組合分担研究）
画で開発継続］・ MCFC Ni 短絡予測式開発、不純物 ・［MCFC 研究組合改組（全電力参の影響評価開始
加）］・ MCFC100kW スタック（IHI 製）
5,100 時間運転達成（MCFC 組合
分担研究）
・ MCFC カソード反応理論に基づく
性能表示式開発、電極濡れ性評価装置設置
・ SOFC アノード新概念提案・高性
能実証・ MCFC プレスセパレータ（0.5m2） ・［電気事業法改正］による 10kW 級スタック発電、ア ・ 5MW、1MWPAFC プラント発電
ノード性能表示式の開発、スタッ（NEDO/PAFC 組合）
ク 3 次元熱流動解析コード開発
・ 10kW 級常圧円筒型 SOFC の発電
・ MCFC スタック内部 Ni 短絡寿命試験（電源開発/MHI 製）
予測法開発
・ 25kW 級 SOFC 試験（関西電力、
東ガス・大ガス/WH 社,製）
・ MCFC 高出力密度での寿命予測法 ・ 5kW 級平板形 SOFC 試験（中部開発、Li/Na 系電解質スタック試験、
電力/MHI 製）
H2S 影響評価

国

外

の

状

況

・ ENEA（伊）1MWPAFC 試験（Ansaldo 社製/電池は IFC 製）
・［エネルギー政策法制定（米）］・［米政府次世代自動車開発計画（PNGV）発表］
・ Daymlar Crysler 社と Ballard 社が共同で燃料電池自動車の開発に着手

・［DOE が MCFC、SOFC を対象に
PDI プログラム（製品化開発）開始］

・ ERC 社（米）MCFC 内部改質
2MW 機発電・ ONSI 社（米）PAFC200kW 新型機（PC25C 型）開発
・［地球温暖化防止京都会議（COP3）］ ・ 250kWMCFC 機試験（米 MCP 社）
・常圧 100kWSOFC フィールド試験（Westinghouse Electric 社）

・ MCFC 高圧（5MPa）セル試験設
備設置・ MCFC ネルンストロス解析、カソード水蒸気影響解析
・ MCFC 寿命要因解析手法開発、内部電解質分布モデル開発、スタッ
ク性能分析手法開発
・高温状態電極直接観察装置導入
・ 10kW 級加圧円筒形 SOFC の発電
・ MCFC 単セル寿命特性式開発、試験（電源開発/MHI 製）
Li/Na 系電解質 10kW 級スタック（0.5m2）1 万時間運転実証
・ SOFC NSS 計画参画（電池材料低コスト化の研究）
・電極支持型 SOFC 開発（単セル）・ MCFC 反応ガス遮断時特性解析
・ MCFC1,000kW プラント（日立、・ SPring-8 を利用した SOFC 材料局
IHI）、200kW 内部改質スタック
所構造解明（三菱電機）出力達成（NEDO/MCFC 組合）・高温下の MCFC 電極内部直接観察 ・［ミレニアム計画で PEFC 開発が
手法を開発
本格化］
・ MCFC に対する NH3、NOx 影響 ・ 15kW 級平板型 SOFC の発電試験
評価、実電池特性を反映した IG（中部電力/MHI 製）
MCFC システム解析
・ MCFC Ni 短絡防止法の開発、不純 ・加圧形内部改質 10k 級 SOFC の発物複合効果試験、広負荷域対応発電試験（電源開発/MHI 製）
電システム解析・ Li/Na 系 1m2 10kWMCFC スタックによる 1 万時間達成（MCFC 組
合分担研究）
・高濃度 CO 燃料による MCFC スタ ・ ［ 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 利 用 法
ック運転実証（RPS 法）発効］
・ SOFC セラミクスインターコネク ・ MCFC300kW ユニット（中部電力
タ開発、3 セルスタック試験
新名古屋火力発電所内小型加圧シ
ステム）
・ 1kW 級 SOFC の発電試験（関電・東邦ガス・京セラ）
・ MCFC スタック不純物試験

・ 1kW 級熱自立 SOFC の発電成功（スイス Sulzer 社）

・ 100kWMCFC 試験（伊/スペイン
共同、Ansaldo 社製）
・加圧 220kWSOFC の実証試験（Siemens Westinghouse Power 社）

・［SECA 計画（米）開始］
・ 250kW 内部改質ユニットフィール
ド試験（米 FCE 社、独 MTU 社）

電中研レビュー No.51 ● 5

は

じ

め

理事 横須賀研究所長

に
浜松 照秀

電力の生産・消費にあたっては、あらゆる国・地域において省エネルギー、省資源化が重要であり、豊富かつ安価な国産エネルギーの利用が可能な場合を除いて、エネルギー資源の多様化、エネルギーコストの抑制は経済を支える基盤として重要と考える。わが国においても、今後の電力需要増が鈍化すると予想される中でも、客観的に省エネルギーでかつ温室効果ガス排出を抑えるには、
電力生産に、供給、需要（消費）の全体を捉えたエネル
ギー需給全体（エネルギーチェーン）で評価・判断していくことが必要であり、電源に求める特性・性能は吟味が重要と考える。
水力発電、蒸気サイクルによる火力・原子力発電に次いで、シェアの面から第三の発電原理と期待できる電気化学反応による直接発電の原理を応用した燃料電池発電は、環境性や電源規模のフレ
キシビリティに優れた発電方式として技術的・経済的可能性に注目が集まっている。各種の燃料電池発電方式の中から、とくに「高温型燃料電池」は、ガスタービンと組み合わせることによって通常のガスタービンコンバインドサイクル発電を超える高効率化が期待でき、ガス化技術と組み合わせることによって高効率発電の燃料多様化という、大きな魅力に富んでいる。
当研究所の燃料電池の研究は 1979 年に設置した「新発電特別研究室」に始まる。高温型燃料電池のうち溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）については、その将来性に着目して国の着手（ムーンラ
イト計画）に先駆けて 1981 年から本格的に着手し、MCFC 研究に積極的なメーカ各社との共同研
究を通じて、草創期の MCFC 技術を実用化が可能な水準に引き上げる基盤技術開発を先導してきた。
本レビューはこれまでの MCFC の開発成果の各論ならびに市場に導入される初期段階のプラン
トと将来展望について取りまとめたものである。天然ガスからバイオマス・廃棄物のガス化燃料まで幅広い燃料で大小さまざまな規模の高効率発電プラントが可能な MCFC の実用化に期待したい。

6

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

第

章

2

これまでのMCFC開発（その成果と課題）

MCFCの研究は1920年代にドイツで始まり、オランダやアメリカでの基礎研究を経て、1980年頃から我が国とアメリカで国家プロジェクトに組み込まれて開発が進んできた。当研究所では1981年に研究を開始して、同年にスタートしたムーンライト計画に参画し、スケールアップに合わせながら性能評価と技術開発を実施してきた。同計
画では1999年に1,000kWのプラントが発電効率45%の目標を達成し、現在さらに高性能化を目指した開発に引き継がれている。

第２章

これまでの MCFC 開発（その成果と課題） ● 目

横須賀研究所

エネルギー化学部長

横須賀研究所

エネルギー化学部

溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合
横須賀研究所

エネルギー化学部

次

渡辺

夫

伊崎

慶之

課長

安井

肇一

上席研究員

麦倉

良啓

上席研究員
技術部

２−１

内外における MCFC 開発の経緯 ………………………………………………………………………………………… 23

２−２

1,000kW 発電プラントの成果と課題 …………………………………………………………………………………… 26

２−３高効率発電実用化への道筋 ……………………………………………………………………………………………… 28

２−４

現在の国の開発プロジェクト …………………………………………………………………………………………… 29

２−５

MCFC の位置付けと開発の方向性 ……………………………………………………………………………………… 33―――――――――――――――――――――――

コラム３：外部改質と内部改質 …………………………………………………………………………………………………… 35

22

渡辺夫（1981 年入所）
入所以来、燃料電池の技術開発に一貫して従事。特に MCFC のセル・スタック運転・評価手法の開発、ガスサイクル運転手法の開発、システム性能解析・評価などを行うと共に国の開発計画にも携わってきた。また、SOFC セル・スタックの開発も推進している。
高効率な高温型燃料電池の実現に是非寄与したい。
（2-1、2-3、2-5 執筆）

伊崎 慶之（1984 年入所）
入所以来、MCFC の研究開発に従事。主に、実面積スタック化技術の開発および運転・評価法の研究を進めてきた。さらに、
1,000kW 級発電プラントの運転研究にも直接携わってきた。今後も、社会に役立つ
MCFC 発電プラントの実現を目指して高効率・低コスト化ならびに信頼性向上に取り組んで行きたい。
（2-2 執筆）

安井 肇一（1984 年中部電力(株)入社、2003 年より、MCFC 発電システム技術研究
組合(MCFC 研究組合)に出向）
出向して以来、国プロである MCFC 発電
システム研究開発の計画、管理および組合全体の研究のとりまとめ業務に従事。現在は、2004 年度から実施する高性能モジュールスタック仕様の検討に取り組んでいる。
（2-4 執筆）

麦倉 良啓（８ページに記載）（コラム３執筆）

２−１

内外における MCFC 開発の経緯
IGT（Institute of Gas Technology、現 GTI、Gas

2-1-1 MCFC 開発の黎明

Technology Institute）、UT（United Technologies）社、
GE（General Electric）社などが開発を進め、基本技術

MCFC の開発は、1921 年にドイツの Baur らが燃料電を確立してきた。その後、1980 年代から ERC（Energy

池用電解質に溶融炭酸塩を用い約 1000 ℃で実験したこ

Research 社、現在 FCE（FuelCell Energy）社）やとに始まると言われている。その後しばらく時間をおい

MCP（M-C Power）社などのベンチャー企業により開て 1946 年にソ連の Davtyan により電解質を保持するマ

発が引き継がれた。

トリクスの概念が導入されたり、1958 年にオランダの

現在、DOE の MCFC 開発は、NETL（National

Broers らにより多孔質 Ni 電極が採用されたりして、オEnergy Technology Laboratory）を通して、FCE 社のランダ、米国などで、その電解質や電極の組み合わせに常圧内部改質方式に絞り込まれている（内部改質につい関して、盛んに研究が進められた。その間、マトリクスては、コラム３参照）。同社では DFC（Direct FuelCellには MgO など、電極には Fe、Ni、Co、Ag、Zn などがの意）という名称で、３段階（250kW、1MW、2MW）試みられ、現在の原型ができあがったのは 1970 年頃での容量を持つプラントの開発を進めている。このうち、ある（1）。

250kW 級 シ ス テ ム は 、 ド イ ツ MTU 社 （ Moter &これらの MCFC 基礎研究成果は、1970 年代後半から

Turbine Union、Daimler Chrysler 社の子会社）との共

米国においてその開発が展開される事になった。国家プ

同開発により、既に米国、日本などで 10 台以上のフィロジェクトとしては、ERDA（U.S.Energy Researchールドテストが行われており、わが国では、麒麟麦酒（株）

and Development Administration 連邦エネルギー研究に続いて、福岡市下水道局、日本金属工業（株）、石油資開発局）によって 1976 年にはスタートし、1978 年に

源開発（株）、セイコーエプソン（株）などに導入される計DOE（Department of Energy エネルギー省）に引き継画が発表されている。また、国外では 1MW 機、2MWがれている。我が国では、1981 年から国のムーンライ機の実証計画も発表されており、下水処理場での消化ガト計画に PAFC、SOFC とともに採りあげられ、開発がスを利用するもの（1MW）や、クリーンコールテクノ

スタートしている。

ロジーの一環として石炭ガス利用向けに開発するもの（2MW）などがある。また、石炭炭坑からの発生メタン

2-1-2

国外での開発（2）を利用してその排出量を抑え地球温暖化防止を目指した
もの（250kW）などもあり、種々の形態が計画されて（1） 米国における開発現状いる。

米国では、DOE が MCFC の開発を推進してきた。開同社ではまた、Vision21 計画において、ガスタービン

発初期の 1970 年代においては、石炭を利用する集中型との組み合わせによる高効率プラントの実証試験も進め発電プラントが最終目標として構想されていた。1990ており、250kW システムを Capston 社のマイクロガス

年代からは数 MW 程度までの中小容量の分散電源としタービン（30kW 級）との組み合わせ試験（DFC/T 試ての開発に重点が置かれ、コージェネレーション用プラ験）を実施している。本システムは燃料電池部分が常圧

ントとしての開発が指向された。そして、最近ではで作動し、タービン（燃焼器のないエキスパンダ）はそ

Vision21 計画におけるクリーンコールテクノロジーの一のトッピングサイクルとして構成されている。

環として、燃料電池発電の適用が見直され始めており、再び集中型としての適用も推進されていく気運が高まりつつある。
技術開発は DOE のプログラムのもと、1970 年代には

（2） 欧州における開発現状
欧州では分散型の熱併給用電源として位置づけた開発が進められている。

電中研レビュー No.51 ● 23

ドイツでは MTU 社が開発を進めている。同社ではプ（3） アジアにおける開発現状

ラント周辺機器の低コスト化の観点から、独自の Hot

韓国においては、KEPRI（韓国電力公社電力研究院）

Module 構造を考案し、それに FCE 社製の 250kW 常圧が中心となり、KIST（韓国科学技術研究院）での基礎

内部改質型スタックを組み込んで 250kW 常圧内部改質

研究をもとに、加圧外部改質型プラントの開発計画を進型システムを構成した（図 2-1-1）。Hot Module 構造とめており、これまでに 25kW スタック（内部マニホール

は、横置きの円筒型の収納容器内部に満たされたカソード）の加圧での発電試験とその高性能・長寿命化実証試

ドガスを循環してスタック温度を制御する構造であり、験を実施している。これらは、2005 年の 100kW 級、配管が少なく、コンパクトとなる。スタックは収納容器

2008 年の 250kW 級外部改質型システムへとつなげる計

内に横倒しに配置されており、直交流方式（燃料ガスと画である。

酸化剤ガスがセル面に沿って直交するように流れる方

中国では、政府の第九次五ヶ年計画（1996 年〜 2000式）をとっている。同社から出荷されたユニットは、ド

年）において、大連化学物理研究所、中国科学院が研究

イツ、スペインで数台がコージェネレーション用としてを進め、大連化学物理研究所において 1999 年に、1kW稼働している。

級スタックの開発が行われた。また、上海交通大学では、

イタリアは、スペインと共に、MOLCARE 計画にお燃料電池研究所を設立して、上海市の支援によってほぼいて、1999 年に 100kW 級スタック（加圧： 0.35MPa、同時期に 1kW 級のスタックを開発している。現在、第2

外部改質、直交流方式、0.75m × 150 セルスタック）お十次五ヶ年計画において、当面 50kW 級を目指した開発

よび CU（コンパクトユニット；スタックおよび改質器が進めている。

を含む高温周辺機器を同一圧力容器内に納める）プラン

これら国外の開発動向を図 2-1-2 に示した（3）。

トを開発した。その成果をもとに、Ansaldo Fuel Cells
社が中心となり、同一容器に 2 基のスタックとその下部

2-1-3

我が国での開発に改質器と触媒燃焼器を一体化して設置した Twin
Stack コンセプトによる 500kW モジュール（Series500）

我が国の MCFC 開発は、世界的にも早い時期から開の開発を進めている。さらに、高効率・高信頼性・低コ

始され、脱石油のための技術開発に向けて設定された通ストスタックの開発（Li/Na 電解質）およびバイオマス産省（当時）によるムーンライト計画において 1981 年

ガス化への MCFC の適用に関する実証試験を EU 支援から推進されてきた。この開発は、電気事業用電源を中のもと計画している。

心に、石炭の利用も念頭に置きながら、当面天然ガスの利用を考慮したものであり、プロジェクトはこれまでに3 期に亘って新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）によって進められてきている。
第Ｉ期（1981 〜 1986 年度）では、電池本体を中心として、10kW 級スタックが（株）日立製作所、（株）東芝によって開発された。
さらに第 II 期（1987 〜 1999 年度）には、1987 年度に設立された溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究
組合（MCFC 研究組合）が NEDO からの主たる受託者となり、前期と後期に、それぞれスタック本体と発電シ
ステムの開発を進めてきた。スタック本体は、外部改質型については、直交流型（正方形型の 1 セルを 4 枚の電図2-1-1

Hot Module構造による250kWシステム（同社パンフレットより）極を組合わせて構成、（株）日立製作所）と並行流型（燃料ガスと酸化剤ガスがセル面に沿って同一方法に流れる方式、長方形の 1 枚のセルのみで構成、石川島播磨重工

24

電中研レビュー No.51 ● 25

暦年

上海交通大学中国

KEPRI・KIST他

韓国

ANSALDO・
IBERDROLA他

イタリア・スペイン

MTU（ARGE計画）

ドイツ・デンマーク

ECN
BCN他

オランダ

M-C Power

FCE（旧ERC）

DOE計画

アメリカ

国

1993

1994

1997

1998

1kW

ERC製

7kWスタック

10kWスタック（0.3m2）

1999

発電

280kW
フィールドテスト機（数台）

図2-1-2

5kWスタック

1kWスタック

25kWスタック

国外のMCFC開発動向（0.1m2）

2kWスタック

15kWスタック（0.7m2）
100kWプラント
MOLCAREプロジェクト
500kW

発電

280kWプラント（ドイツ）

スタックコストダウン、長寿命化、システム検討

4kWスタック

2000

PDIプロト機（250kW、1MW、2MW開発）

375kWスタック（1m2） サンディエゴ250kWプラント

発電

サンタクララ2MWプラント

ユノカル250kWプラント

20kWスタック

2kWスタック

1996

PDIプログラム

1995（製品設計、改良、コストダウン）
375kWスタック（0.9m2）
100〜125kWスタック（0.6m2）

技術開発、スタック大容量化

1992

70kWスタック

DOE計画

1991

2002

2004

2005

バイオマス・石炭利用実証

2003

250kWプラント

50kWスタック

100kWプラント

Twinスタックによるコンパクトユニット開発（米FCE社のスタックと組合せ）

初期商用機250kW（独MTU社のホットモジュール構造）

初期商用機250kW

市場導入支援2001

業（株）（IHI））が開発され、これらの技術は前期最終年度（三菱電機（株）が開発）検証を経て、後期には 1m2 級セの 1993 年に 100kW 級スタックとして検証された。また

ルにより 200kW の常圧内部改質スタックが開発された。

同時に 1,000kW プラントに向けた改質器、ブロワ、排これらの成果は 2000 年度から開始された第 III 期計画

熱回収熱交換器などの BOP 機器（Balance of Plant、電（2000 〜 2004 年度）（2-4 節参照）に引き継がれている。

池以外の構成機器）の開発も行われた。これらの成果は当研究所では、第Ｉ期から第 III 期全てに亘って、国の開後期の 1,000kW プラントに適用された（4）。本プラント

発計画に携わり、当所独自の技術を背景に 100kW 級ス

は中部電力（株）の川越火力発電所構内の MCFC 研究組

タックまでの電池性能評価やトータルシステムの研究な

合川越発電試験所に設置され、LNG を燃料として、圧どを実施してきている。我が国の第Ｉ期から第 III 期まで

力 0.5MPa で 45%（HHV 基準）以上の目標発電効率を達の開発計画全体を他の燃料電池の展開も含めて図 2-1-3成した（2-2 節参照）
。

に示した。

一方、内部改質型についても前期での 30kW スタック

〜81
AFC
PAFC

85

90

95

00

05

1kW
要素研究
1MW

分散用

5MW
（エネ庁）
200kW

1MW（エネ庁）

オンサイト用
第I期

MCFC
1kW

SOFC

第 II 期

10kW

基礎研究

第III期

（前期）
100kW

（後期）
1MW

750kW級高性能
モジュール

100W

数kW

数〜20kW級熱自立
モジュール

1kW

PEFC

数10kW

次世代システム

ミレニアム計画ほか

図2-1-3

２−２

我が国の燃料電池開発計画

1,000kW 発電プラントの成果と課題と、それに燃料を供給する天然ガス用の改質器、排出ガ

2-2-1

1,000kW 発電プラントの概要（1）スから動力回収を行うタービン圧縮機から構成され、中部電力（株）川越火力発電所構内に設置された（図 2-2-1）。

我が国の MCFC 開発計画第 II 期では、電気事業用の本システムは高温型燃料電池とガスタービンとを組み合高効率発電システムとして、1999 年に、1,000kW 級発

わせた世界で初めての複合発電システムと位置づけるこ

電システムが開発・実証された。本システムは、NEDOとができる。システムの開発目標は、発電端効率 45%の計画として、当研究所や電力会社などで構成する（HHV 基準）以上、送電端効率 40%（HHV 基準）以上、MCFC 研究組合が主体となって開発したものである。

運転時間 5,000 時間以上、電圧低下率 1%/1,000 時間程度

システムは 250kW 級スタック４台（石川島播磨重工業と設定された。

（株）（IHI）と（株）日立製作所がそれぞれ２台ずつ製作）

26

プラント全体の最終調整を各出力レベルで行った。なお、
この期間、500kW 出力中に落雷による緊急停止を経験
6したが、プラントは、無負荷状態に安全に移行し、各機器への影響も認められなかった。その後、夏季のプラン

1
1

ト最大出力である 900kW の発電出力に９月６日に到達

24し、プラント点検のために、計画停止を実施した。計画

5
3

停止期間中、各スタックは、電解質溶融状態で保持したが、途中、一部スタック容器内での地絡(スタックと対地間の短絡)が発生し、原因究明および対策のため、
図2-2-11,000kWプラント

500kW 分のスタックについて、室温までの冷却を余儀なくされ、冷却後、容器解放による点検および対策を実施した。
スタック容器内の地絡原因の究明および対策を実施し2-2-2 運 転 成 果（1）た後、スタックの再昇温終了を待って、プラントの起動
プラントは、1995 年の基礎工事、1996 年の建屋建設

ならびに発電試験を再開した。その結果、11 月５日にに始まり、1997 年に電池本体を除く機器類の据え付け、プラントの定格交流出力 1,000kW を達成した。その後調整を経て、1998 年に 250kW スタック４台を据え付け

は、２度の計画停止を挟み、計３回の定格出力での連続た。電池据え付け前の調整試験（Process and Control

発電試験を実施した。なお、1999 年の年末においては、（PAC）試験）には約９ヶ月の期間をかけて実施した。

Y2K（2000 年問題）の影響を懸念し、プラント最低負

図 2-2-2 に、プラントの電力系統への初併入から運転

荷 300kW での連続発電状態で対応した。また、2000 年

研究終了までの発電実績と経過を示す。運転研究は、

1 月 28 日に定格発電からの負荷遮断試験を通産省資源・1999 年８月４日の電力系統への初併入後、先に述べたエネルギー庁審査官立ち会いのもとに実施し、安全にプ

プラント出力トレンドグラフ

（kW）
1000

負荷遮断試験
1. 28 11：25

1000kW到達
11. 5 10：34

初併入 H11. 8. 4
A系：13：55

2000

900

1800

800

750kW負荷調整

計画停止
カソードフィルタ点検
9. 17 18：29

1600

700

プ
ラ 600
ン
ト
出 500
力

（MWh）
2200

1400

8. 21
500kW負荷調整
0：51
インバータ
トリップ

運 転 実 績累積運転時間4211時間＊累積発電時間2669時間最長連続発電時間
793時間
累積定格発電時間
1264時間
最長連続定格発電時間
528時間
累積発電電力量
2103MWh＊電池系Aのみの運転時間は4916時間

計画停止
熱交換器およびカ
ソードフィルタ作業
12. 18 11：27

400
300kW負荷調整

300

800
600

計画停止
熱交換器交換作業
11. 16 12：05

インバータ調整

累積
発電1000 電
力
量
1200

200

400
電池B地絡発生9. 21 15：17

100
燃料系調整

併入10. 31
A系 13：15
B系 13：17

併入11. 22
A系 10：32
B系 10：34

併入12. 26
A系 10：05
B系 10：07

0

0
1999年
８月４日

200

9月

10月

11月

年

図2-2-2

12月

2000年
１月

月

1,000kWプラントの出力トレンド

電中研レビュー No.51 ● 27

ラントが停止することを実証し、国内では初めて、電気事業法第 49 条第２項の規程に基づく電気工作物として、

2-2-3

残された課題1,000kW 級加圧 MCFC 発電プラントが技術的に認知さ今回の 1,000kW 級 MCFC 発電プラントの運転研究かれた。
この間の運転実績としては、スタックの累積運転時

ら、大型スタックの発電性能面については大きな問題も間： 4,211 時間（500kW 分のスタックについては、4,916

なく、プラント内での運転においても十分な性能を発揮

時間）、累積発電時間： 2,669 時間、総発電電力量：できる技術レベルに到達していることが実証できた。し203,120kWh、プラント起動回数（冷態）：４回であっかし、大型スタックの信頼性ならびにプラント全体でのた。また、発電時間の内訳を見ると、定格出力での累積効率・運用性等については、今回の運転研究で得られた発電時間が 1,264 時間と全体の発電時間の約 50 ％近くと課題を早急に解決する必要があり、次期プラントにおいなり、運転試験初期の外気温の影響による出力制限期間ては、今回の経験を生かした総合的な視野からの設計・を含めた 750kW 出力以上の累積発電時間は、全体の約施工を行い、実用化レベルの加圧 MCFC 発電プラント

75 ％を占める発電実績となった。さらに、定格での最として実証することが期待された。

長連続発電時間は、528 時間であった。主な成果を、開発目標と併せて表 2-2-1 に示す。

運転研究から、明らかとなったプラント化への課題は以下の通りである。

以上の運転実績から、途中、トラブル等による計画の

1 プラント放熱量低減のため、高温のガスが往き来す○

遅れはあったものの、天然ガスを用いた MCFC 発電シる改質器と電池スタック間の放熱ロスを低減できるシステムが、発電プラントして技術的に実現可能であるこ

ステム構成およびコンパクト化の検討とを国内初の 1,000kW 級加圧発電プラントにおいて実証した。

2 プラント内で発生するダストの処理のため、スタッ○

ク上流機器および配管の適正化による発生ダストの低減ならびにスタックに及ぼすダストの影響調査、フィ

表2-2-1
項目

1,000kWプラントの開発目標と成果
開発目標

評

価

ルタ等の必要性、構造ならびにメンテナンス性等の検討

1,000kW級（AC）○定格1,000kWを達成
累積発電時間（1,264時間）

運転時間

5,000時間以上○ほぼ達成（4,916時間）に加え、飛散炭酸塩の析出を考慮した機器選択ならび

発電端効率

45％（HHV基準）
以上○45.2％（通常運転モードでの実績）にシステムの検討

送電端効率40％（HHV基準）
以上（組合自主目標）△33.3％（放熱ロス、メカロ
ス、ヒータ動力の増加が主
要因）

環

規制値以下

NOx：10ppm等規制値クリア

１％/1,000時間
以下○A系：0.7％/1,000時間○B系：0.5％/1,000時間

出

力

境

スタック劣化率

２−３

3 スタックからの炭酸塩飛散に対して、飛散量の推定○

4 大型スタックにおける信頼性向上のため、高温での○ガスシールを兼ね備え、直流絶縁設計を十分配慮した
スタックの設計ならびに構成の検討
5 大型化に伴う熱膨張等も考慮した圧力容器内構造の○設計ならびに施工管理

高効率発電実用化への道筋
1,000kW システムは将来の火力代替発電システムとし2-3-1

実用化への方向性て開発され、プラントとしての成立性を明らかにし、設定された開発目標も概ね達成した。しかしそれに並行し

1,000kW プラントの結果を受け、MCFC 研究組合において、実用化へ展開するための方策が協議された。

28て、外部状況の大きな変化があった。すなわちコンバイ
ンドサイクル技術の進展である。通称 ACC（Advanced

Combined Cycle）と呼ばれるガスタービン複合発電サ

電池技術や運転条件の採用、将来的なコスト低減を見据

イクルは、MCFC 技術の進展に比肩するようにガスタ

えたシステム構成の選定である。

ービン入口温度の向上が図られ、その発電効率は、1996

そのためのキーテクノロジーとして選択されたのが、年時点で 1300 ℃級ガスタービンにより約 49%が達成さ

Li/Na 系の新規電解質の適用、プレスセパレータの採用、れている。さらに、1999 年時点では 1500 ℃級ガスター

発電部分のモジュール化である。

ビンにより、その発電効率は約 51%まで向上している。

詳細は 3-3 節に示したが、Li/Na 系電解質は、内部抵これに対して、1,000kW プラントでは、使用材料

抗を低減するばかりでなく、カソード（NiO）の溶解度（Li/K 系電解質）に起因する電池性能の限界から、大容低減によってニッケル短絡を抑制し寿命延伸を図ること

量化による効率向上はあまり見込めないものと推測されのできる電解質として、当研究所が以前からその適用性た。すなわち、ACC 発電技術の進展に照らし合わせる

評価に取り組んできたものである。プレスセパレータにと、火力代替用としての将来の展望が見えにくい状況とついても、構成部品点数を削減し、軽量化、低コスト化、言わざるを得なかった。

さらには腐食面積低減に伴う寿命延伸が図れるセパレー

もう一点の課題は、コストである。1,000kW プラント

タとして、当研究所が石川島播磨重工業（株）や中部電力

では、スタック本体を構成するセパレータにコルゲート（株）と共同で開発を進めてきたものである。発電部分の板を用いており、部品点数が多く、その重量、コストもモジュール化に関しては、比較的小容量の容器の中に、大きな比率を占めていた。さらに、プラント容量に対応

MCFC スタック本体とその容量に対応する改質器を組した改質器一台に複数のスタックが接続された構成であみ込むものであり、要求されるプラント容量に合わせてったため、容量の変更に伴う改質器やスタックの設計変モジュール数を増減させることで対応でき、モジュール

更が避けられず、火力代替の大型機への適用に際してよの規格化と量産による低コスト化も期待できる。また、り効果的な方策が模索された。

ガスタービンとの組み合わせによる複合発電を構成し高効率化を図ることとし、適合する既存ガスタービンの作

2-3-2

高性能化・低コスト化のためのキー
テクノロジー

動圧力に合致した圧力で MCFC を運転することを目指した。
これらの技術提案は国の評価会議で高い評価を得、開これらの状況を受け、実用化への展開のために協議さ発計画は次の第 III 期へと展開する事となった。（1）

れた方策の要点は、さらなる効率向上を達成するための２−４

現在の国の開発プロジェクト
力（株）、関西電力（株）、中国電力（株）、四国電力（株）、九州

2-4-1 第 III 期 MCFC プロジェクトの概要

電力（株）、電源開発（株）、石川島播磨重工業（株）、（財）日本ファインセラミックスセンターである。

MCFC 研究組合は 1988 年２月に設立され、経済産業

第 III 期研究開発スケジュールを図 2-4-1 に示す。本計

省の下、NEDO からの MCFC 発電システムに関する受画では高性能が期待できる新しい電解質（Li/Na 系）を託研究を同年から推進している。これまでの開発成果を適用した 10kW 級ショートスタックの長寿命試験（１万基に、2000 年度からは MCFC 発電システムの早期実用時間）、1.2MPa の高圧条件下でのショートスタック試験化を目指して第 III 期計画（５ヵ年）を開始している。

をまず実施し、その結果をふまえて、300kW 級の加圧

2004 年現在の構成員は（財）電力中央研究所、北海道電力

小型発電システムの開発とそれに続く高性能モジュール（株）、東北電力（株）、東京電力（株）、中部電力（株）、北陸電の開発が計画されている。以下に第 III 期プロジェクトの

電中研レビュー No.51 ● 29

2000FY

2001FY

2002FY

2003FY

2004FY

高積層スタック技術の開発◆高積層技術の確率：250セルスタック（300kW級）◆前処理技術の確率：脱脂・含浸・酸化（解析技術の精度向上、プレ含浸技術）

加圧ショートスタック試験（10kW級）

加圧小型発電システムの開発（300kW級）◆長寿命化の見通し◆１万時間運転、劣化率0.25％/1,000h・モジュール構造の確率
・MCFC＋GTシステムの検証

高圧ショートスタック試験（10kW級）

高性能モジュール開発（750kWモジュール）◆高圧化運転の実証：1.2MPa◆高圧運転：1.2MPa

民
間
商
用
機

長寿命化研究：単セル試験、ニッケル短絡評価
サポート研究：実用システムの経済性評価と概念設計

図2-4-1

第III期研究開発スケジュール

（1）
〜
（3）
これまでの主要成果について紹介する。

また、将来の MCFC の高性能、高信頼性および低コストを目的とした次世代電池材料の開発と基礎データの2-4-2

要素技術開発蓄積も行った。特に、1.2MPa の高圧下の運転では、カ
ソード材料であるニッケルの電解質中への溶出が顕著に（1） 高積層スタック技術開発
加圧下（0.5 〜 1.2MPa 程度）の運転で、４万時間程度の寿命を持つ 1m2 級セルを 250 段積層した大型スタックなるため、これを抑制する MgFeO 被覆改良カソードの製造技術を（財）ファインセラミックスセンターが開発した。

の設計・製造技術を確立することを目的としている。
2002 年に加圧小型発電システムで使用する 250 段積層
スタックを製作した。製作した 250 段スタック外観を図
2-4-2 に示す。

（2） ショートスタックによる信頼性評価
本研究の目標は、単セルやショートスタック（実用規模面積のセルを数 10 段程度積層したスタック）の発電試験により性能を確認し、また、試験後に電池を解体分析して劣化状況やその要因を検討し、目標としている４万時間運転の可能性を見通すことにある。ショートスタ
ックを用いた 1.2MPa の高圧運転試験を行い、スタック
およびシステムの高圧運転への適合性も評価している。
1 加圧ショートスタック試験○

2001 年 4 月から平成 2002 年 6 月に、（財）電力中央研究所において、実用規模（有効電極面積 1m2 級）のセルを用いた 10kW 級ショートスタックによる 1 万時間発電試
験（運転圧力 0.5MPa）を行った。この間に試験装置の点検などで数回の発電停止があったが、スタック平均出力約 11.5kW で運転を継続し、その電圧低下率は 1,000
時間当たり約 0.3%であった。加圧運転条件下でのスタック性能は、ほぼ実用可能なレベルに到達したことを実
図2-4-230

250段スタック外観証した。図 2-4-3 にスタック電圧の経時変化を示す。

スタック平均セル電圧（mV）

1100
運転条件
・圧力：0.5MPa・電流密度：150mA/cm2
・燃料ガス：H2/CO2＝80/20（30％加湿）・燃料利用率：75％
・酸化剤ガス：Air/CO2＝90/10（5％加湿）・スタック内最高温度：660℃以下

1000
900
800
700
600
500
0

2000

図2-4-34000

6000
運転時間（h）

8000

10000

12000

加圧ショートスタックによる１万時間寿命試験結果

発電試験を終了後、石川島播磨重工業（株）相生工場

る高圧運転に成功するとともに開発目標を達成した。こにてスタックの解体分析評価が行われ、外観観察では異れにより高性能モジュールの開発目標を達成する見通し

常な腐食や炭酸塩の流れ出しは認められなかった。また、を得た。図 2-4-4 にプラント模擬条件での発電試験結果

カソード電極から炭酸塩中への Ni 析出量、電解質損失を示す。

量およびセパレータ表面の腐食量など、スタック寿命を決定する要因の調査結果から 0.5MPa 程度の運転圧力条（3） 加圧小型発電システムの開発

件下では４万時間の運転が可能との見通しを得た。

1 加圧小型発電システムの目的○

2 高圧ショートスタック試験○

MCFC の早期市場導入を図るため、300kW 級の小規模

中部電力（株）川越火力発電所構内にある MCFC 研究

電源を製作し運転試験を実施して、スタックと改質器を組合川越発電試験所（以下川越試験所）に設置した高圧

同一容器内に収納した基本モジュールおよび MCFC とタ2試験装置で、1m 級セルを 10 段積層した 10kW 級スタッーボチャージャー発電機とのコンバインド発電システム

クを対象に送電端発電効率 55 ％以上（LHV 基準）が期の信頼性を評価することを目的としている。開発目標を待できる中規模 MCFC 発電設備の運転ガス条件を模擬

表 2-4-1 に示す。また、加圧小型発電システムのフロー

した運転圧力 1.2MPa の試験を、2002 年２月から 2003 年

を図 2-4-5 に示す。

１月まで（累積発電時間は約 3,100 時間）行い、初期平2 発電試験
○215kW）を確認した。世界で初めて 1m2 級スタックによ

日に初併入を達成し、発電試験を開始したが、ガスリー

1000

800

800

750
平均セル電圧

600

400

700

650
計測セパレータ中央出口温度200

スタック内温度（℃）

2003 年１月初めから総合調整運転を開始し、１月 14

スタック平均セル電圧（mV）

均セル電圧 715mV（電流密度 200mA/cm 、出力は約

600

0
0

500

1000

1500

2000

550
2500

プラント模擬条件での発電時間（h）

図2-4-4高圧（1.2MPa）ショートスタック試験における電圧の安定性

電中研レビュー No.51 ● 31

表2-4-1

加圧小型発電システムの開発目標

出力300kW級（AC）を目標に検証

運転圧力0.4MPa程度

発電時間

5,000時間以上

燃料ガス

天然ガス

2-4-3

高性能モジュールの開発

高性能モジュールと既存のガスタービンとを組み合わせた MCFC コンバインド発電システムは、システム解
2

電圧低下率

0.3％/1,000時間程度（200mA/cm にて）

送電端効率

43%以上（HHV基準）

析結果より運転圧力 1.2MPa の 7MW 級プラントで送電
端効率 55 ％（LHV 基準）以上が達成できる見通しを得ている。

クおよび電圧低下など不具合が発生したため、累積発電

本開発では、より高発電効率を目指した中大規模容量

時間 631 時間の時点で運転停止、調査・原因究明を実施の MCFC 発電システムの基本となる高性能モジュールした。主な不具合原因は下記のとおりである。

を第 III 期 MCFC プロジェクトにおける要素技術開発の・高積層スタックの前処理技術の未確立成果を基に設計・製作し、運転圧力 1.2MPa の高圧発電・ガスリークを伴う場合の上部セルの燃料不足現象

試験によってその性能を確認することを目的としている。

・マニホールド部の締付力不足

今後は、2004 年 10 月中旬までに高性能モジュール試

その後、不具合部分を補修して、９月 27 日より部分

験設備を川越試験所内へ据付けて、発電試験を実施する

負荷にて発電試験を再び開始し、12 月上旬まで連続運予定である。開発目標を表 2-4-2 に示す。また、高性能

転を実施した。2003 年 12 月上旬までの 300kW の加圧小モジュール発電システムフローを図 2-4-6 に示す。

型発電システムの累積発電時間は、約 2,250 時間、累積
発電電力量は、約 199,000kWh である。

表2-4-2高性能モジュールの開発目標

出力750kW（DC）級を目標に検証

運転圧力1.2MPa程度

燃料ガス

天然ガス

発電端効率

47％（LHV基準）

2004 年度は、６月中旬頃より、川越試験所内にて、新たに製作した検証スタックを用いての発電試験を、運転時間 5,000 時間以上を目標に実施する予定である。

直交変換機

モジュール

カソード
リサイクル
ブロワ

カソード
アノード

起動用燃焼器
触媒
燃焼器
T/C
燃焼器

改質器

G

（天然ガス）
燃料
給湯
凝縮器
排ガス
補給水

図2-4-532

T/C発電機

温水器

蒸気
蒸気
発生器
水

加圧小型発電システムフロー空気直交変換器

カソード
リサイクル
ブロワ

燃料電池
排ガス

カソード
アノード

M

触媒
燃焼器

予熱器

空気圧縮機
断熱
改質器

M

改質器
M
蒸気

アノード
リサイクル
ブロワ

水

空気

補助ボイラ
燃料

図2-4-6２−５

高性能モジュール発電システムフロー

MCFC の位置付けと開発の方向性
可能という事になる。さらに付録で示すもう一つの高温

2-5-1

MCFC の得手・不得手

型燃料電池である SOFC に比較すれば、電極などのシート成型法による大面積化、大容量化が容易であることをMCFC はこれまでの開発成果を受けて、今後様々な挙げる事ができる。これらに加え、MCFC が持つ特異用途、分野に適用されていく事が期待される。その導な特長としては、炭酸イオンを媒体とする事による「炭入・実用化をスムーズに進めるためには、MCFC の持酸ガス濃縮機能」（コラム４参照）、炭酸塩を媒体としたつ特性を十分に理解し、MCFC のあるべき位置づけと「NOx 浄化作用」（4-2-2（1）参照）がある。

共に、これからのあるべき技術開発の方向性を明確に認識する必要がある。
現在開発が進められている燃料電池はその用途として、事業用、自家用、家庭用、自動車用、携帯用などが想定

一方、MCFC が不得手とする特徴は、高温型である
ことによる冷起動時間の長さ、CO2 リサイクル設備の必要性などであり、極端な小容量（100kW 級以下）分野への適用には難しさがある。

されている。その適用先は各燃料電池それぞれがもつ特徴に合わせたものになり、主な想定適用先は 1-2 節にて

2-5-2

MCFC の位置づけ

既に示した通りである。
一般的な発電設備との比較において、燃料電池は、高欧米では現在 MCFC は中小規模のコージェネレーシ

い発電効率、優れた環境特性、排熱利用による高い総合ョン電源との位置づけが強い。しかし、上述の特長を踏効率、量産化による低コスト化などの特長をもつ。これ

まえれば、電力系統の信頼性が高く高効率化が進んでいらの燃料電池が持つ一般的特長に加えて、MCFC の特る我が国においては、MCFC はあくまで発電を主体と長を改めて挙げれば、まず高温型である事により、ガスした高効率で環境特性に優れた電源と位置づけるべきでタービンとの組み合わせによる高効率発電の実現が可能ある。すなわち、我が国においては、将来の大型化も視で、CO 成分を多く含む幅広い炭化水素系燃料の利用が野に入れた自家用あるいは事業用電源として位置づける

電中研レビュー No.51 ● 33

事ができる。特に電気事業においては、短期的には、地1 都市ガスなどを燃料に用いる発電専用電源を想定し○域に密着した環境特性に優れた電源として、また、長期た既存電力システムによる効率を総合的に上回る高効

的にはエネルギーセキュリティーや CO2 排出量を大幅に率化削減できる高効率電源として既存火力発電の代替電源としての活用が考えられる（1）。

2 負荷調整用高効率電源を想定した上記小型電源への○負荷追従性の付加、運用性の多様化
3 地域社会に密着した小型電源を想定した廃棄物やバ
○

2-5-3

開発の方向性

イオマスなどを適用する燃料の多様化
4 天然ガスを燃料とする事業用大型電源を想定した既○

現在の開発計画は前節で述べたとおりであり、その予想成果を踏まえれば、これからの開発の方向性としては、

存大型火力発電設備を大きく上回る高効率化
5 石炭ガス化複合発電を想定した、石炭利用発電所と○高効率化、長寿命化、低コスト化は将来的にも引き続きしての高効率化改善されるべき基礎的開発であり、それらに加えて、適次章以降では、これらの開発の方向性を念頭に、これ用分野の拡大を目指した以下の方向性を想定しつつ開発まで当研究所が進めてきた MCFC の基礎技術、適用拡を進めていくべきである。

大技術について示し、今後の実用化方策を探る。

34

コラム３：外部改質と内部改質
現在、火力発電所等で燃料として使用されてい質方式と間接内部改質方式の２方式がある。これる天然ガスの主成分はメタン（CH4）であるが、燃らの違いは改質触媒の位置であり、触媒は、直接

料電池はメタンを直接、燃料として利用すること

方式ではアノード内に設置されるが、間接方式でができない。このため、メタンは第１章で述べたは電池とは別の容器内に設置され、この容器は電ように、改質器で水素（H 2）に変換される。メタ池にサンドイッチされて、電池からの熱を有効利

ン改質反応は以下で示される。

用できる。間接方式にする理由は、MCFC では改CH4 ＋ H2O ＝ 3H2 ＋ CO

（1）

質触媒が電解質に接触すると触媒能力が低下する

本レビューではこの改質反応を改質器（リフォためであり、SOFC では電池入口部で急激に起こりーマ）で行わせてから水素を電池に供給する外部易い改質反応を抑制するためである。間接内部方改質方式を想定した MCFC についてその研究成果

式は、アノードで発生する水蒸気を有効利用できを示している。

ないため、改質効率は直接方式よりも低いが、上これに対して、本反応を電池内部で行う方式が内部改質方式であり、その適用は高温型燃料電池

記のようなメリットがあるため、両者を組み合わせて使用される場合もある。

（MCFC，SOFC）に限定される。その主な理由は、

このような内部改質方式では、図に示すように

1 内部改質で副反応的に生成される一酸化炭素が○電池部分の構造が複雑になるが、改質器が不要でPEFC や PAFC で触媒として使用している白金をあり、コンパクトなシステムを組むことができる

2 PEFC や PAFC の運転温度である
被毒する、○

ため、小型プラントに向いていると考えられる。

3 改質に
200 ℃以下の温度域では改質反応が遅い、○

しかし、電池温度を制御するための電池内におけ必要な水蒸気を多く供給する必要がある、などでる触媒配置の工夫や、改質触媒が劣化した場合にある。一方、MCFC、SOFC では低温型（PEFC、は電池ごと交換する必要があるため改質触媒の寿1 改質反応で生成される水
PAFC）とは対照的に、○命延伸など、高度な技術が必要となる。

素を発電により常に消費するのに加え、改質に必

一方、外部改質方式は大型プラントに向いてい

要な水蒸気が発電により常に供されるため、（1）式ると考えられる。これは、改質触媒の交換等の管のメタン改質反応が促進されメタンの改質率が向理が容易であり、電池構造もシンプルであり、電2 内部改質上し、プラント効率向上につながる、○

池の温度制御もカソードガス流量の制御で容易で3 電池運転で生成する一酸化炭素も燃料となる、○あるためである。特に、バイオマス、廃棄物、石温度である 600 〜 1000 ℃で改質反応が円滑に進行

炭等のガス化ガスの成分は一酸化炭素や水素が主する、のように内部改質には有利な条件が整って体でメタンは多く含まれないため、メタンを改質

1 改いる。内部改質方式を採用するメリットは、○する必要性は低く、シンプルな外部改質方式が向質反応に必要な熱として電池の発電に伴う発熱をいている。

2 改質器を電池内に設
有効利用できる、○

けるため、プラントとしてはコンパクト
3 改質により熱がな設計が可能となる、○吸収されるため電池冷却に必要な動力を低減できる、などである。内部改質方式

外 燃料部
CH4＋H2O
改質 酸化剤

力を大幅に抑制することが可能となる。
図には、改質方式の違いを示す。外部改質方式ではアノード排ガスを燃焼させ、改質用の熱を賄い、また、電池冷却のためカソードガスを循環させる。内部改質方式では、電池で発生する熱で改質を行うため、冷却に必要なカソードガス循環
量も少量で済む。
また、内部改質方式には、直接内部改

直
接 燃料
内
部
改 酸化剤
質

間 燃料
接
内
部
改
質 酸化剤

燃焼熱
H2＋CO2改質触媒

では、発電に伴う発熱量の 60 ％が改質反応に利用されるため、電池を冷却する動改質器
CH4＋H2O＝3H2＋CO

アノード
電解質
カソード

熱

スタック冷却CH4＋H2O＝3H2＋CO

CH4＋H2O

アノード
電解質
カソード

熱
熱

スタック冷却CH4＋H2O＝3H2＋CO
H2＋CO2

CH4＋H2O
アノード
電解質
カソード

熱
熱

スタック冷却図

外部改質と内部改質

電中研レビュー No.51 ● 35

第

章

3

実用化へのキーテク
ノロジー（実用レベ
ルを支える基盤技術）

MCFCの実用化のためには、まずその性能を正確に評価しなければならない。当研究所が開発した性能表示式は電極反応の理論式から導き出したもので、電池性能を決める要因を詳細に分析でき、改善点を示すことが可能である。Li/Na系電解質は、この評価法による従来電池の解析結果をもとに、当研究所が見直し提案した新しい電解質で、電池電圧の向上と長寿命化に大きな効果がある。性能表示式とLi/Na系電解質
は、国内外で利用・適用が進みつつある。さらに当研究所では、これらの成果をもとに、電池の大型化、積層化の改良を重ね、10kW級MCFCで１万時間の寿命を実証し
た。

第３章

実用化へのキーテクノロジー（実用レベルを支える基盤技術） ● 目

次

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

森田

寛

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

吉葉

史彦

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

吉川

将洋

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

浅野

浩一

横須賀研究所

エネルギー化学部

上席研究員

伊崎

慶之

３−１

性能解析と評価技術 ……………………………………………………………………………………………………… 39

３−２

セルの高性能化と長寿命化 ……………………………………………………………………………………………… 44

３−３大出力化のためのスタック技術 ………………………………………………………………………………………… 50―――――――――――――――――――――――

コラム４：炭素析出とその抑制 …………………………………………………………………………………………………… 56

森田寛（1992 年入所）
これまで小型単セルを用いた MCFC の性能および寿命評価を中心に研究を進めてきた。
今後は石炭、バイオマス等のガス化ガスに代表される多様な燃料を使用可能にする
MCFC 発電システムの実用化を念頭に置きながら、電池本体のみならず電池周辺技術に関しても検討を進めていく。
（3-1 執筆）
吉川 将洋（1992 年入所）
MCFC の研究に携わり、これまで主に長寿命化研究としてニッケル短絡抑制手法の開発、性能評価手法の開発、高圧運転技術の開発を行ってきた。この間、MCFC 研究組合に出向しスタックでの高圧運転適合性評価や300kW 級モジュールの運転研究にも従事。
今後は更なる長寿命化のため腐食抑制技術の開発に取り組みたい。
（3-2 およびコラム４執筆）
伊崎 慶之（22 ページに掲載）（3-3 執筆）38

吉葉 史彦（８ページに掲載）（3-1-4 執筆）

浅野 浩一（1997 年入所）
これまで MCFC の研究に携わり、電池高性能化研究において、ミクロレベルからの電極反応メカニズムの解明について検討を行ってきた。また、MCFC 長寿命化研究として
ニッケル短絡抑制手法の開発にも従事している。今後は、MCFC 発電の実用化に向けた研究以外に燃料電池の新たな可能性についても研究を行いたい。
（3-2 執筆）

３−１

性能解析と評価技術

MCFC に用いられる燃料には、天然ガスから石炭ガ

MCFC の出力特性は直線的領域が大部分を占め、このス化ガスまでの広範囲な燃料が想定されており、想定さ直線領域が、発電用電源としての運用領域であると思われる燃料によって、その発電規模、機器構成は大きく異れる。電池の出力電圧 V は一般に（3-1-4）式で与えらなる。このため MCFC 発電プラントの設計、運用に際れるが、直線領域内での出力電圧は（3-1-5）式で近似でしては、広範囲な運転状況下における MCFC 本体の電きる。

池性能を精度良く予測する必要がある。本節では、この電池性能を高精度に記述することが可能な MCFC の性（3-1-4）

能表示式について述べる。
（3-1-5）3-1-1

電池の性能要因
式中の各性能要因の概要は、以下の通りである。

MCFC による発電反応は、以下に示すアノード（燃料極）とカソード（空気極）との電気化学反応より構成され、MCFC の出力特性（電流−電圧特性）は一般に、

1 開回路電圧 E○

負荷電流 J を取り出していない場合の電池電圧であり、

図 3-1-1 に示すような傾向を示す。燃料電池においては、電池の最大起電力に相当する。MCFC の場合は、次式

電流は運転条件として予め決定されるため、所定の電流に示すネルンスト式の濃度補正項 ΔE に、各極のガス時における電池電圧が、性能を表す指標となる。

分圧 Pi（a/c）（i はガス種、a はアノード、c はカノードを表す）を代入した計算値で実測値をほぼ整理できる。

アノード（3-1-1）

カソード（3-1-2）

全体（3-1-3）（3-1-6）

ここで E 0 は標準電極電位と呼ばれる値であり、電池の運転温度を考慮した（3-1-3）式のギブズ自由エネルギー
直線的な電圧低下（抵抗近似成立） 急激な電圧低下変化から求めることが可能である。ΔEa、ΔEc はアノード、カソードにおける濃度補正項、F、R、T はファ

E

ラデー定数、気体定数、温度である。

出力電圧 V2 ネルンストロスηne○（3-1-1）式、（3-1-2）式によって負荷電流を取り出した場合、アノードでは H2 が、カソードでは O2 と CO2 が、電池の入口から出口に向かって減少する。この減少による各極のガス濃度変化は、（3-1-6）式における濃度補正
運転可能領域
0不安定領域

電流密度 J

項の値を変化させ、電池面内ではネルンスト式による起電力が図 3-1-2 に示すように低下する。この低下分はネ
ルンストロスと呼ばれ、電池入口のガス組成、各ガスの

図3-1-1

MCFCの電流−電圧特性

利用率によって決定される。ガス利用率とは、電池に供

電中研レビュー No.51 ● 39

特に高水素濃度燃料である天然ガスの改質ガス条件下では、電池の性能に与える影響は小さい。
E
起電力（V）

5 カソード反応抵抗 Rc○（3-1-2）式による O2 の還元反応が、カソード側で生ネルンストロスじる際に起こる電圧ロス ηc を抵抗換算した値であり、MCFC の電極性能を決定する支配的要因となっている。
この値もアノード側同様、圧力、温度、ガス組成に依存
する。
0

0

1
ガスの流れ方向 x

図3-1-2起電力のセル内分布（アノード側）

なお電気化学反応に起因する電圧ロスηa、ηc は反応
過電圧とも呼ばれ、「電子移動反応における電荷移動速度」と「反応ガスが拡散等により電極表面にまで達する
際の物質移動速度」の大小によって決定される。この移動速度のより遅い過程を律速過程と呼び、この律速過程給されたガス量に対する（3-1-1）式、（3-1-2）式によるの速度が、過電圧の大きさを決定する主要因となる。

消費割合を表すものであり、アノードでは燃料ガス（H2 ＋ CO）、カソードでは O2 と CO2 の 2 つが考えられる。

3-1-2

性能表示式

MCFC におけるネルンストロス分は一般に、アノード側の方が大きく、天然ガスの改質ガスを電池の燃料とし電池性能の指針である出力電圧を記述、予想するモデて用いた場合は、このネルンストロスがアノードにおけルは主に、小型単セルを用いて検討がなされてきており、る性能低下の大部分を占める。ネルンストロスは上述し歴史的には幾つかのモデルが提案されている （1）〜（3）。

たように、電池の入口組成、ガス利用率といった電池外

しかしながらこれらのモデルでは、冒頭で上述したよう部との取り合い条件によって決定されるため、電池の電な広範囲な運転状況下における電池性能を、精度良く予極性能とは、ほぼ無関係に決まってしまう性能低下要因

測することは困難であった。この原因は、アノード、カである。

ソードで生じる電気化学的な電圧ロスを、精度良く見積

3 内部抵抗 Rir○

もることができない点にある。特にカソード側の電圧ロ電池の構成部材に起因する抵抗であり、電圧低下ηir

スは、アノード側に比べて大きいため、このカソード側に対応する。MCFC の場合には、「溶融炭酸塩電解質の（5）
ロスを電気化学的な考察（4）に基づいて精度良く記述

イオン導電性に基づく抵抗」、「電極、集電板等の電子伝することが、MCFC における性能予測の鍵となる。

導性に基づく抵抗」、「電極、集電板、電流リード線間のカソードの O2 還元反応は、MCFC では（3-1-2）式で接触抵抗」から成り、ほぼ温度のみに依存する性能低下与えられるが、この反応は溶融塩中に溶解した分子状酸要因である。10cm 角程度の小型単セルでは主に、微小素（O 2）の直接還元ではなく、酸素分子が溶融塩中に交流信号 1kHz 下での実抵抗として評価されることが多化学溶解し、生成したスーパーオキサイドイオン（O2 −）いが、高積層スタック用の 1m2 級セルでは、抵抗値自体

あるいはパーオキサイドイオン（O 22 −）が、反応の担がセル面積に反比例して小さくなる等の要因により、上い手となって進行するとされる。更に、電気化学的な上記測定手法が必ずしも適用できるとは限らない。

記反応の解析によれば、スーパーオキサイドイオン

4 アノード反応抵抗 Ra○（O2 −）と溶存 CO2 の同時拡散律速で、反応次数は上手（3-1-1）式による H2 の酸化反応が生じる際、アノード側で起こる電気化学的な電圧ロスηa を負荷電流 J で割り付け、抵抗換算した性能低下要因であり、圧力、温く説明できるとされる。図 3-1-3 にその同時拡散の模式
図を示す。
3 、
同時拡散が律速過程である場合、図の電子移動反応○

度、燃料ガス組成に依存する。多くの小型単セル試験の4 における電荷移動速度は比較的速く、溶融塩中におけ○結果から判断すると、カソード側のロスよりも小さく、る O2 −、CO2 の物質移動速度が、電荷移動速度に比べて40

な従来式（3）では、上手く表示でき得なかった出力特性
O2

気相

1
○

CO3
O2

CO2

−

る。

2
○
液相（溶融炭酸塩電解質） CO2

拡散O2

を、（3-1-7）式は広範囲にわたり精度良く表示できてい2−

アノードの反応過電圧はカソードに比べて小さく、天

拡散

−

3
○

e

O22−

−

4
○

e

−

e

O

2−

O

2−

CO2
5
○

アノード側へ
CO3−

然ガスの改質ガス条件では、アノード反応抵抗をガス組2−成に依存しない定数として扱っても、表示上の大きな誤差は生じない。しかし石炭ガス化ガス等の低水素濃度ガス下では、その過電圧は増加し、定数的扱いは困難とな

固相（カソード）る。小型単セルの試験結果によれば、この過電圧は水素
1 3O2＋2CO32−＝4O2−＋2CO2○：酸素の化学溶解反応
2 CO2（気相）○＝CO2（液相）：炭酸ガスの物理溶解反応
3 O2−＋e−→O22−○：スーパーオキサイドイオンの還元反応
4 O22−＋2e−→2O2−○：パーオキサイドイオンの還元反応
5 O2−＋CO2（酸）○＝CO32−（塩基） ：CO2の中和（酸-塩基）反応

図3-1-3

分圧の約− 0.5 乗に比例して増加する（7）。
また温度の依存性に関しては、（3-1-5）式における各抵抗成分は、いずれもアレニウスプロット（抵抗の対数
表示 vs.温度の逆数）で整理できる。アノード、カソー

カソードでの酸素還元反応

ドの反応抵抗において、この温度依存性は、カソード側遅いことになる。上記のような反応メカニズムが、実際であれば（3-1-7）式中の係数 c 1、 c 2 の依存性に帰するの MCFC にも成り立つ場合、カソードの反応過電圧をことができる。これらの実験結果より、性能表示式にお表すカソード反応抵抗式は、一定の圧力、温度下においける各抵抗成分の式として、次式を導出した。

て、以下に示すガス分圧依存性をもつことが期待される。
（3-1-8）（3-1-7）

右辺第 1 項は酸素すなわちスーパーオキサイドイオンの（3-1-9）

拡散項、第２項は溶存 CO2 の拡散項であり、物質移動に関する係数 c 1、 c 2 は主に、小型単セルの実験データより決定されるフィッティングパラメータである。図 31-4 には、（3-1-7）式を用いて予測した出力電圧のカソードガス組成依存性を実測値に対して示す（3-1-10）（6）。経験的
ここで A 、 ΔH は、各成分における頻度係数、活性化
エネルギーに相当する。A、ΔH 値に関しては、同一仕様の発電部材（電極、電解質板）を用いたセルでは、ほ860
化学量論比2出力電圧（mV）

840

実測値（Li/Kセル）（3-1-7）式予測
従来式予測（3）820

ぼ同程度の値をとる。図 3-1-5 には、上記の温度依存性より推算した予測値と実測値との比較を示す。推算した予測値は、実測値を精度良く表示できている。

800

反応抵抗の圧力依存性に関しては、各ガス種の分圧効

780
760
740
720
−0.5

果として表されるが、実際の MCFC 圧力特性では、（3圧力：0.1MPa
温度：650℃
電流密度：150mA/cm2
燃料ガス：LNG改質ガス、利用率60%
酸化剤ガス：Air/CO2
100.5
カソード出入口平均組成比 log（CO2/O2）1-7）式の CO2 に関する分圧効果はほとんど認められず、濃度のみの依存性を示す。このため（3-1-10）式では、
CO2 の濃度項 Mco 2 として表示している。（3-1-5）式に（3-1-8）〜（3-1-10）式を組み込んだ性能表示式の表示精度は、図 3-1-1 に示した直線領域内であれば、実測値の図3-1-4

電池性能のカソードガス組成依存性

出力電圧に対して± 5mV 以内の表示精度を有している

電中研レビュー No.51 ● 41

昇による開回路電圧の増加」、「（3-1-10）式における酸素

850

すなわちスーパーオキサイドイオンに関する圧力項（∝

P− 0.25）減少によるカソード反応抵抗の低下」が主な要

出力電圧（mV）

800

因である。圧力項の減少は、加圧により図 3-1-3 におけ
圧力：0.1MPa
電流密度：150mA/cm2
燃料ガス：LNG改質ガス、利用率60%
酸化剤ガス：Air/CO2、利用率40%

750

700

実測値（A社Li/Kセル）（B社Li/Kセル）
表示式予測

650
550

600

図3-1-5650
温度 （℃）

700

1 が進み、溶融塩中のスーパーオ
る酸素の化学溶解反応○

キサイドイオン濃度が上昇したことに対応する。図 3-15 に示した MCFC の温度低下による性能低下分は、いずれのセルにおいても主に、「O2 に関するカソード反応抵抗の増加」によって生じ、これは（3-1-10）式における活性化エネルギー値 ΔH C1 が、他の ΔH 値に比べて大きいことに起因する。このような表示式分析により現在

電池性能の温度特性予測

では、MCFC 性能の支配的要因であるカソード側の反応挙動を、詳細かつ定量的に把握することが可能となっている。

ことが、多くの小型単セル試験により確認されている。

MCFC の寿命に関しては、次節にて述べるニッケル
短絡が電池内で生じない限り、MCFC 性能の経時劣化

3-1-3 性能表示式による性能および寿命分析

は、運転時間 t に対して緩やかな劣化挙動を示す。この劣化挙動は、（3-1-5）式における各抵抗成分の経時増加

性能表示式による性能予測は、各性能要因の定量を基として記述できる。

に行われるため、同時に性能分析も可能となる。図 31-6 には、ある小型単セルの圧力特性分析を示す。運転

（3-1-11）

圧力 P の増加とともに MCFC 性能は向上するが、この向上分は、「（3-1-6）式の濃度補正項におけるガス分圧上（3-1-11）式における各抵抗成分の経時増加は更に、（3-18）〜（3-1-10）式における抵抗成分 Ri の Ai、ΔHi 値の経時変化と見なすことができる。

2

セル電圧（mV）

1100

温度：650℃、電流密度：150mA/cm
燃料ガス：LNG改質ガス、利用率60%
酸化剤ガス：Air/CO2、利用率40%

102
1000

103

5000 時間以上の小型単セル連続運転を通じて、各 A i 、

99
9
40

900

（3-1-12）

26

8
30
22
48

10
26
20
46

52
872
800

888

835
0.1

ΔHi 値を解析した場合、いずれの抵抗成分においても、活性化エネルギーΔH（i t）の時間依存性は認められず、（8）
その依存性は頻度係数項 A（。
i t ） の経時増加にある

頻度係数項を「電池内の発電有効面積に対応する量的変数」、活性化エネルギーを「電池内の材料特性および反

0.3

0.5

圧力（MPa）

応メカニズムに対応する質的変数」と見なすならば、MCFC の緩やかな経時劣化現象は、「電解質損失に起因

ネルンストロス（ηne ）アノード反応抵抗ロス（ Ra ×J ）カソードO2反応抵抗ロス（Rc1 × J ）カソードCO2反応抵抗ロス（Rc2 × J ）内部抵抗ロス（Rir × J ）
出力電圧Vする電池内の発電有効面積の減少」と理解できる。更に、運転終了後のセル解体分析結果より判断すると、この電解質損失は主に、「カソード側の集電板と炭酸塩との腐食反応」により生じていると推定される。よって

図3-1-642

電池の圧力特性分析（Li/Kセル）

MCFC の長寿命化技術としては、ニッケル短絡防止と

ともにカソード側の集電板腐食の長期的抑制が今後の課

このような数値解析を用いて、実用規模でのスタック
発電特性を評価する場合、10kW 程度の出力規模を有す題である。

るスタック発電試験を実施し、実際の温度分布と数値解

3-1-4

析結果とを比較し、開発した数値解析モデルの有効性お大型スタックの性能解析・評価

よび精度を検証することが有用である。ここでは、上述した性能表示式は、小型単セルのデータを基に導出されたものであり、小型単セルの場合は、電池面内の10kW 級スタック試験で得られた発電特性に対して適用した内部状態解析モデルの有効性について示す。

温度は一定と見なし、解析することが可能である。しか

図 3-1-7 に 10kW 級スタック（0.5m 2 × 14 セル積層、しながら 100kW 級以上の大型、高積層 MCFC スタック

図 3-3-6 と図 3-3-7 の「1998 年 10kW スタック」に対応）の場合、（3-1-3）式に示した発熱反応によりスタック内の発電性能として、各セルにおける出力電圧の燃料利用

部は、電池入口から出口に向かって温度が上昇する温度

率依存性を示す（12）。セル No. 14、即ち積層方向に対し分布をもつ。この温度分布は、電池性能を考慮したスタて最下部に位置するセルでは、燃料利用率の上昇に対しック内部での熱・物質収支を解くことにより推定可能でてセル電圧の低下する割合が小さくなっている。このこある（9）。この場合に用いられる性能表示式の抵抗パラメとは、本セルへの燃料供給量が、他のセルに対して多くータ値（A、ΔH）は、小型単セルとスタックが同一なっていることに起因すると考えられる。No. 14 以外のの発電部材であれば、小型単セルで得られた値を用いる

セルについての燃料利用率特性は、数値解析結果から得ことができる。すなわち、スタック内部をいくつかの微られた電圧の傾向と良く一致しており、単セルにおける小区間に分割し、単セル試験から導出された性能表示式

電池の性能が大型スタックにおいても十分に発揮されてをスタック内局所における電流−電圧特性に適用すれば、いることが分かる。また、セル電圧に関する数値解析結

スタックの出力電圧およびスタック内部での発熱量を定果は十 mV 程度の精度で実測値と良く一致しており、上量化し、温度分布を求めることができる。発電時にお記数値解析手法がスタックの性能解析に有効であること

ける発熱量は、スタックからの出力電圧を求めることを示している。

（9）〜

次に、同じ 10kW 級スタックの内部温度分布の実測値（11）。またスタック内部解析においては、積層方向におと数値解析結果との比較を示す。比較対象とした位置はけるセル間の接触抵抗分を考慮する必要がある。このスタックの中心部分であり、ガスの流れ方向について比接触抵抗分は、小型単セルとスタックの初期性能比較較を行った。スタック入口ガス温度については、マニホ

により、（3-1-8）式での内部抵抗にある補正係数を掛けールド部（ガス供給部分）のガス温度測定結果を用いた。

ることで考慮される。現状では、1.2 〜 1.3 程度の補正

図 3-1-8 にスタック内部の温度分布測定結果を、解析結係数値が用いられている。

果と共に示す。また、同図には電流密度分布の解析結果

により、消費された燃料の発熱量から算出できる

運転圧力：0.49MPa
電流密度：150 mA/cm2
燃料ガス組成：H2/CO2/H2O/56/14/30
酸化剤ガス組成：Air/CO2＝70/30
酸化剤ガス利用率：Uco2/Uo2＝30％/30％
カソードガスリサイクル率：70％910

セル電圧（mV）

900
890
880

No.1
No.3
No.5
No.7
No.9
No.11
No.13
解析結果

870
860
850
55

No.2
No.4
No.6
No.8
No.10
No.12
No.14

65

図3-1-7

燃料利用率（％）

75

85

10kW級スタックにおけるセル電圧の燃料利用率特性と数値解析結果の比較

電中研レビュー No.51 ● 43

250

運転圧力：0.49MPa
燃料利用率：Uf=60%
酸化剤利用率：Uco2/Uo2=30%/30%
カソードガスリサイクル率：68%
入口ガス温度：アノード/カソード=605/600℃

650

200

630

150

610

590

100

温度解析結果
温度実測値
電流密度解析結果

0

図3-1-8

0.2

0.4
0.6
0.8
アノード入口からの無次元距離（−）

1

電流密度（mA/cm2）

セパレータ温度（℃）

670

50

10kW級スタックの温度分布実測値と温度分布及び電流密度分布の解析結果も併せて示す。ガス入口側半分の温度上昇が大きくなっ

10kW 級スタックは、実用型の高積層スタックの発電ているが、これは電流密度がガス入口側で高くなってお性能や温度分布を評価するための必要最小限の単位であり、入口側における発熱量が大きくなったことを示してり、ここで述べたスタック発電性能や温度分布の推定手いる。スタックの温度測定値と数値解析結果は概ね一致

法は、実用段階におけるスタック性能評価手法として、しており、本解析手法がスタック内部の温度分布解析に有効な活用が期待できる。

も有効であることを示している。

３−２

セルの高性能化と長寿命化

MCFC を実用化するためには、スタックの高出力・長寿命化が不可欠であり、高い出力電圧を得るための電3-2-1

電解質組成の選定

池内部抵抗の低減、寿命の改善に向けた電解質損失の抑制とニッケル短絡（電極材料であるニッケルの電解質中MCFC の電解質は、1921 年の Baur によって試作されへの溶解と再析出による内部短絡、3-2-4 項で詳述）のた Na2CO3 と K2CO3 の等モル混合塩が最初の適用例であ抑制が必要である。出力電圧を改善するための有力な解る。その後、MCFC の電解質組成は、Li、K、Na の３決方法として当研究所では電解質組成に着目し、その組種の炭酸塩とその混合系において検討されてきた。1970

成の適用性について、実際のセル発電試験を中心とした年代になって主流となった Li/K 系電解質（主として検討を行ってきた。また、寿命を改善するため、ニッケ

Li2CO3/K2CO3=62/38 モル比の共晶塩）は、当時の米国

ル短絡に関しては当研究所では早い段階からその現象をIGT の研究成果によるところが大きい。Li/K 系電解質

把握し、運転条件や電池仕様と短絡発生時間との関連をは、MCFC の運転温度範囲において、液体である組成明らかにしてきており、この現象を短時間で評価するた範囲が広く、腐食などによる組成のずれに対しても取りめの加速試験方法を確立している。そこで、以下ではこ扱いが容易であったことが選択の一因であったと推定さの電解質組成選定と実際のセルでの諸特性や種々のニッれる。我が国の MCFC は、1981 年から通産省のムーン

ケル短絡抑制方法の寿命延伸効果について得られた成果

ライト計画に組み込まれ、前記 IGT の研究結果に強くを紹介する。

影響を受け、炭酸塩組成はその詳細な検討が十分に行われないままに、一定レベル以上の性能を示す Li/K 系電44解質によって開発が進んだ。しかし、近年では高性能化1000を目指した加圧運転試験（0.3 〜 0.7MPa）が活発に行わ

Li/K

れ、Li/K 系電解質におけるニッケル短絡現象が顕在化

Li/Na

950

当研究所では、その対策の一環として Li/Na 系電解質
（主として Li2CO3/Na2CO3=53/47 モル比の共晶塩）に注目し、その適用性について、セル発電試験を中心とした検討を 1993 年度から進めてきた出力電圧（mV）

するようになり、その対策の必要性が高まってきた。
900

850

（1）
〜
（4）

。表 3-2-1 に従来の Li/K 系電解質と新たに選定した Li/Na 系電解質の各電流密度：150mA/cm2
温度：650℃
燃料：H2/CO2/H2O＝32/8/60
酸化剤：Air/CO2＝70/30

800

種物性値の違いを比較して示す。一般に内部抵抗に関係する導電率と電極反応抵抗に関係するガス溶解度は、ト

750
0.1

0.3

0.5

レードオフの関係を持つ。従って、Li/Na 系は Li/K 系

1

3

5

10

圧力（MPa）と比較して、融点、密度、粘度などはほぼ同じであるが、酸素溶解度、ニッケル溶解度、蒸気圧は小さく、導電率

図3-2-1

Li/Na系電解質による単セル電圧と圧力の効果は高い。これらの物性値から Li/Na 系は、カソード反応
抵抗は大きくなる可能性はあるものの、内部抵抗が小さ

下要因を 3-1 節の手法を用いて分析した結果を図 3-2-2

く運転圧力を上げれば酸素溶解度も増すため出力電圧をに示す。当初懸念していた低酸素溶解度に起因するカソ高くできる可能性があり、さらにニッケル短絡発生時間

ードの反応抵抗の増大は認められず、逆に小さくなった。

を遅延できる可能性がある炭酸塩であることが分かる。

さらに高導電率に起因する内部抵抗（IR）ロスの減少が認められセルの高電圧化に大きく寄与している。

3-2-2 電解質組成変更によるセル電圧の向上

１ MPa 以上の高圧領域では過電圧が減少するため全電圧降下分に占める内部抵抗による電圧降下分の割合がLi/Na 系電解質を用いたセルを試作し、その初期特性（5）高くなる。このため内部抵抗の小さい Li/Na 系は高電流を測定した例を圧力特性として図 3-2-1 に示す 。図か

密度で運転するほど Li/K 系との差異が顕著となる。図

ら明らかなように Li/Na 系セルでは、0.1 〜 4.5MPa の圧

3-2-3 に圧力 0.1MPa、1.6MPa、3.5MPa で電流密度を変力範囲にわたって Li/K 系の場合よりも高いセル電圧を化させた場合の出力電圧と出力密度の例を示す（5）。運転示した。なお、3.5MPa 以上の運転圧力で出力電圧が低圧力１.6MPa、電流密度 150mA/cm2 において、Li/K 系

下した理由は燃料ガス中でメタン生成量が多くなるため

セルでは 1.3kW/m2 の出力密度であり、Li/Na 系セルでである。また図 3-2-1 のうち圧力 1.6MPa における電圧低は 1.4kW/m2 であったが、高電流密度 400mA/cm2 の条
件では Li/K 系セルでは電圧低下が大きくデータを取得

表3-2-1

Li/K系とLi/Na系電解質の代表的な物性値

組

成

アノード反応過電圧（Li/K）2CO3 （Li/Na）2CO3

融
塩

基

mol%

62：38

53：47

点

℃

488

495.8

度

PO2−

6.9

6.62

ニッケル溶解度 mol fraction（×10−6）

41.9

22

表 面 張 力（N/m）★

0.22

0.24

密

度

（g/cm3）★

1.93

1.97

粘

度

（Ns/m2）★

8.3×10−3

8.1×10−3

出力電圧894Li/K系セル800

850−3.2×10−10 −3.5×10−10

蒸

気

圧

（g/cm3）★

導電率（1/Ωcm）★

1.4〜1.6

O2 溶 解 度

mol/cm3atm

3.3×10−7＊★650℃における物性値

出力電圧
940

Li/Na系セル

2.1〜2.3
1.8×10

カソード反応過電圧
開回路電圧
21

36
900

IRロス ネルンストロス
35
79

ネルンストロス
75

IRロス
69
950

1000

1050

1100

セル電圧（mV）
圧力：1.6MPa、燃料利用率：60％、電流密度：150mA/cm2−7＊（Li/K）2CO3＝50：50

図3-2-2

圧力1.6MPaにおける電圧降下の内訳

電中研レビュー No.51 ● 45

4.0

1000

緩慢な電圧低下（IRロスに起因）

急激な電圧低下（Ni短絡に起因）

3.5
800

2.5
0.1MPa1.6MPa3.5MPa400

温度：650℃
燃料：H2/CO2/H2O＝32/8/60％
利用率：60％
酸化剤：Air/CO2＝70/30％
利用率：40％

200

0
150

2.0

200

250

300

350

400

セル電圧

600

出力密度（kW/m2）

セル電圧（mV）

3.0＜目標寿命＞
４万時間で10％の
電圧低下

1.5
運転時間

1.0

図3-2-40.50
450

電流密度（mA/cm2）

図3-2-3

MCFCにおけるセル電圧の経時変化

10%以内にすることが開発の目標値となっている。つまり、電圧低下率としての目標は 0.25%/1,000 時間となる。

Li/Na系セルの高電流密度特性

また、セル電圧はある時点を境に急激な電圧降下を生じできなかったのに対し、Li/Na 系セルでは、3.3kW/m

2

る。この急激な電圧降下の起点はニッケル短絡によるもの出力密度を達成することを確認し、Li/Na 系の優位性のであり、短絡発生を 4 万時間以降に遅延しなければ、を明らかにできた。

短絡発生時点が寿命になると考えられる。
実際の単セルを用いた場合の長時間連続運転特性について、図 3-2-5 に Li/Na 系電解質を用いたセルにおける

3-2-3 長時間運転

625 ℃、17,500 時間に及ぶ長時間電圧低下特性を、図 3MCFC が実用化されるためには初期導入コストや減

2-6 に約 2,000 時間毎の要因分析結果を示す（6）。但し、本価償却などの経済性を考慮して 4 万時間程度の寿命が必試験では 5,000 時間時点で一度、電解質補充を行ってい要とされている。MCFC の電圧は、図 3-2-4 のように運る。出力電圧低下要因は内部抵抗（IR）ロスの経時増

転初期より緩慢な電圧低下を生じ、所内補機類動作範囲

加のみによって生じ、カソードやアノードの反応過電圧との兼ね合いにより、４万時間後の低下量を初期電圧の増加による電圧低下はほとんど生じていないことが分か

6

開回路電圧
出力電圧
内部抵抗

900

5

4
電解質補給

800

3

700

2
電圧低下率：0.29％/1000h（2.20mV/1000h）

600
0

5000

10000
運転時間（h）

15000

圧力：0.1MPa、温度：625℃、電流密度：150mA/cm2
燃料：H2/CO2/H2O＝64/16/20、Uf＝60％
酸化剤：O2/CO2/N2＝8/12/80、UO2 /UCO2＝25/35％

図3-2-546

Li/Na系 625℃ 17,500時間連続運転特性

1
20000

内部抵抗（mΩ）

電圧（mV）

1000

カソード
過電圧

出力電圧 IRロス
208hr

767

3160hr757

5032hrNi2 ＋＋ H2 ＋ CO32 −＝ Ni ＋ H2O ＋ CO2 （3-2-3）

115

8

93

33

122

12

93

755

35

125

9

93

金属 Ni が析出し、アノードとカソード間でニッケルに7144hr

749

38

128

10

93

よる内部短絡を引き起こすことになる（図 3-2-7）。ま10168hr

750

43

121

12

93

た、一旦ニッケル短絡現象が生じると、電圧はそれまで

12880hr

746

48

121

10

92

の緩慢な低下と比較し、図 3-2-4 のように急激に低下し15764hr

739

55

124

8

92

17488hr 732

60

124

11

92

700

33

アノード ネルンスト 開路
ロス 電圧
過電圧

750

800

850

900

950

これが NiO カソードの溶解・析出として問題となっており、電池の運転時間が長時間になれば、電解質板中にてしまう。
このように、MCFC の高性能化および長寿命化のた
1000

めには、ニッケル短絡の抑制が大きなカギとなる。当研究所では一般的にニッケル短絡が寿命を大きく左右する

セル電圧（mV）

問題として認識される以前から、先行して小型単セルを
図3-2-6

Li/Na系625℃運転セルの性能経時分析用いた実験でニッケル短絡現象を確認し、電池寿命に対する炭酸ガス分圧および電解質板（マトリクス）厚さの2る。また、電圧低下率は、電流密度 150mA/cm におい

依存性などニッケル短絡現象に関する知見を報告してきて 0.29%/1,000 時間であり、目標電圧低下率である

た。電池寿命に対する炭酸ガスとマトリクス厚さの関係

0.25%/1,000 時間をほぼ満足する結果が得られている。

は、次の（3-2-4）式によって表される。

3-2-4（3-2-4）ニッケル短絡現象への取り組み

現在一般的に使用されている MCFC のカソードは多ここで、tsc ：ニッケル短絡開始時間（h）、PCO2 ：炭酸孔質の Ni をセル内で in-situ 酸化したリチウム化 NiO でガス分圧（atm）、 L ：マトリクス厚さ（cm）である。

ある。この NiO の溶融炭酸塩に対する溶解は（3-2-1）

また、乗数 α および β は、これまでの知見では、 α式に示す酸性溶解= − 1 およびβ =1.6 〜 2.1 である。
しかしながら、ニッケル短絡は数千時間以上のオーダ
2−
3

NiO ＋ CO2 ＝ Ni2 ＋ CO

（3-2-1）と（3-2-2）式に示す塩基性溶解

NiO ＋ CO32 −＝ NiO22 −＋ CO2

ーで発現する現象であり、その抑制方法を確立するため

CO2（3-2-2）（カソード）NiO

NiNiの二形態があり、MCFC の運転条件下では酸性溶解がCO3

支配的であると考えられている。つまりカソードガス中

2-

Ni

Ni

2+

Ni
Ni

に供給する CO 2 濃度が高いほど式の反応は右辺へ進む。
Ni

いずれの機構にせよ飽和溶解度に達すれば NiO の溶解

Ni
Ni
Ni

は停止する。しかし、（3-2-3）式に示す溶解した Ni2+ イ（アノード）

オンが燃料極側から拡散してくる H2 によって還元されて金属 Ni になれば、電解質板内に Ni2+ イオンの濃度勾H2配が生じるため、電解質板中の NiO の溶解度は飽和に達することなく（3-2-1）式の反応は持続することになる。

図3-2-7H2 O

CO2MCFCにおけるニッケル短絡現象の模式図

電中研レビュー No.51 ● 47

表3-2-2には従来のセル試験手法による検討では非常に多くの時立案した短絡抑制方法

間と労力が必要となる。例えば、図 3-2-5 や図 3-2-6 でニッケル短絡抑制法の開発示したセルでは開回路電圧は経時的に変化しておらず、
この運転条件においては 17,500 時間の運転時間において電解質板の改良

炭酸塩組成の変更

カソード改良もニッケル短絡現象は発生していない。そこで、当研究

γ-LiAlO2

Li/K=70/30

NiO or Mg-NiOカソード

所では、これまでの数気圧までのセル試験結果をもとに、

α-LiAlO2の適用

Li/Na=60/40の適用

Fe添加カソードの適用（1,10mol%）

粒子形状
の均一化

Li/Na=60/40+Ba,Ca
添加

構成部材
の改良

Li/Na=70/30の適用

ニッケル短絡現象がカソード側に供給する炭酸ガス分圧に反比例して発現することに着目し、図 3-2-8 に示すような 2MPa（写真手前の装置）や 5MPa（写真奥の装置）までの試験が可能な装置を設置し、加速試験法の確立を図ることにした。その結果、電解質へのニッケル析出量

シート積
層順序変
更

Li/Na=70/30+Ba,Ca
添加

Co添加カソードの適用（5,25mol%）
MgFe添加カソードの適用
MgFe被覆カソードの適用
カソード比表面積の低減が明らかにその加速効果を示唆する結果を得た（5）。そこ
で本試験装置を使用してニッケル短絡抑制方法の確立を目指し様々な対策を施したセルの加速試験を実施している。

いて、これまでに得られたニッケル短絡抑制手法に関す

我が国の電気事業が要求する高効率 MCFC-GT 複合発る知見を紹介する。

電システムでは、高圧（1.2MPa 程度以上）下で寿命目標である４万時間作動させることを目指しており、（3-24）式からもわかるように、高圧条件下ではニッケル短

3-2-5

ニッケル短絡抑制法による MCFCの寿命延伸（7）

絡現象が短時間で発生し易くなり、MCFC の寿命に大きな影響を及ぼすことが懸念される。ニッケル短絡現象

ニッケル短絡現象を抑制するための手法として前項の1 溶出元のカソード材を抑制するための手法としては、○

1 に示した NiO に代わる代替カソード材料を開発するこ○

2 NiO カソードが溶出しを変更する（カソード改良）、○

とも１つの解決手段であり、Fe 系、Co 系酸化物等の材

3 短絡パスを形成しにくい電にくい炭酸塩組成とする、○料研究が行われているが、過電圧や電気抵抗が大きいな

解質板構造とする（電解質板変更）等のアプローチがあどの問題があり、NiO に匹敵する電池性能は得られておる。当研究所においては表 3-2-2 に示す種々の短絡抑制

らず、現段階においては NiO 電極の改良等によって高方法を立案し試行錯誤を繰り返しながらそれら単独や組い性能を維持しつつ、寿命を延伸させることが現実的なみ合わせでの寿命延伸効果を延べ約 70 セルを使用して方策である。

実験的に検証してきている。次節以降では当研究所にお当研究所では、Li/K 系電解質において NiO カソードに Fe、Co をそれぞれ添加した改良カソード材を適用した単セルの寿命延伸効果について実験的に検討した結果、
図 3-2-9 に示すように Fe を 10mol%添加したセルにおいて、従来のセルと比較し約 2 倍の寿命延伸効果が得られ2 に示したようにることを明らかにした。また、前項○

Li/K 系電解質から Li/Na 系へ電解質組成を変更することで、導電率の向上による性能向上とともに、ニッケルの溶解度は約半分に減少しており（表 3-2-1）、物性値を反映してニッケル短絡現象が発現するのであれば、Li/K 系セルの約２倍の寿命が期待できる。このため、当研究所では、Li/K 系電解質と Li/Na 系電解質を適用
図3-2-848

ニッケル短絡加速試験装置

した単セルの寿命延伸効果について実験的に検討した。

厚みの電解質板を適用した場合、カソード炭酸ガス分圧

6が 0.08MPa において、約 27,000 時間にわたってニッケル

単セルの寿命延伸度

Li/K系標準を１とする

短絡が発生せずに運転可能と推定される結果を得た。
4

3.3

3-2-6

2.1
2

1.6

実用化に向けたニッケル短絡抑制対策の開発（8）1.0

当研究所で得られたニッケル短絡抑制手法による知見
0
通常NiO

通常NiO

10mol%Fe
添加NiO

10mol%Fe
添加NiO

Li/K

Li/Na

Li/K

Li/Na

カソード
炭酸塩

をベースとして、現行の国のプロジェクトにおいて、実用化に向けたニッケル短絡抑制手法を開発している。
ニッケル短絡抑制評価手法としては、（3-2-4）式を用

ニッケル短絡抑制手法

いて、ニッケル短絡発生時間から係数 A を求め、それ
図3-2-9

抑制対策を施した単セルの寿命延伸度

らを比較し、寿命延伸効果を評価した。（3-2-4）式における乗数 α および β は、これまでの知見から α = − 1

その結果、図 3-2-9 に示すように、LiK 系と比較しておよびβ =2 を暫定的に用いた。

Li/Na 系では約 1.6 倍の寿命延伸効果が得られた。Li/Na

現在のところ、Fe の添加量を低減するため添加法を

系電解質は 3-2-2 項に示したように性能面でも大幅な向改良し、Fe を被覆した改良カソードを適用し寿命延伸上が期待でき、寿命面と共にその優位性が明らかとなっ効果を検討したところ、約 1.4 倍の寿命延伸効果が得らた。この結果をもとに 3-3 節で示すスタック開発を経てれることを明らかにした。

我が国においては、Li/Na 系電解質が一般的に適用されしかしながら、さらに寿命を延伸させるためには、炭るようになり、当研究所の成果が MCFC の性能向上、酸塩組成を変化させ NiO の溶解量を低減する方策を導長寿命化へ反映されることになった。

入する必要がある。このため炭酸塩組成を変更すること

さらに前述した寿命延伸効果の高い Fe10mol%添加カにより NiO の溶解量低減を図った Li/Na=70/30mol%、

ソードと、Li/Na 系電解質を組み合わせて、短絡加速試

および Ba、Ca を添加した炭酸塩（４元系 Li/Na/Ba/Ca）

験を実施した結果、図 3-2-9 に示すように従来の Li/K 系

組成をそれぞれ適用し、その組合わせ実験を行った結果、セルと比較し約 3.3 倍の寿命延伸効果が得られ、0.13cm

これら全てを組み合わせたセルにおいて、図 3-2-10 に

1200

40
35

1000

25

800
温度：923K
燃料ガス：H2/CO2/H2O=56/14/30
Uf=40％
酸化剤ガス：O2/CO2=15/85
Uo2=60%, Uco2=21.9％
圧力：0.592MPa

600

20開回路電圧（mV）
出力電圧（mV）

15

内部抵抗（mΩ）

セル電圧（mV ）30

内部抵抗（mΩ）
10

400
5
200
0

図3-2-10

1000

2000
3000
運転時間（h）

4000

0
5000

ニッケル短絡複合抑制手法を施した単セルにおける加速試験結果

電中研レビュー No.51 ● 49

示すニッケル短絡加速実験の結果を得た。ニッケル短絡

間をほぼ達成できる見込みを得つつあるが、一方で、ニ

開始時間は、運転開始後約 3,700 時間であり、（3-2-4）式

ッケル短絡現象については未だ不明な点も多く存在してをもとに、0.13cm 厚みの電解質板を用いて、カソードいる。例えば温度が低い条件下では析出が多く、短絡時

炭酸ガス分圧が 0.08MPa（高圧運転プラント条件に対応、間も短かくなるといわれているが、詳細は明らかにはな

1 天然ガス利用分散
2-4-3 高性能モジュール、5-3-1（3）○っていない（4-4-2 項のシステム解析では考慮した）。今型外部改質プラント参照）の場合、約 37,000 時間までニ後はニッケルが析出するマトリクスの微細構造、運転温ッケル短絡が発生せずに運転可能と推定される結果を得

度、電流密度等のニッケル短絡現象に影響する諸因子をている。

詳細に検討し、ニッケル短絡現象を解明する必要がある。

このように、ニッケル短絡抑制手法によって、現在のところ、MCFC のセル寿命は、目標寿命である４万時

３−３

さらに短絡抑制手法を適用したセルの実用化に向け、性能向上の最適化研究を行うことも必要である。

大出力化のためのスタック技術

MCFC 発電プラントの実現には、スタックの大出力について述べる（1）〜（3）。次に、10kW 級スタックを用い化（大型化）と、その運転技術の確立ならびに運転特性た運転研究における、大型セパレータ板の改良・開発の把握が不可欠である。

を中心とするスタック化技術について、性能ならびにスタックの大出力化については、セルの大型化が基本であり、製造方法改良によるセル部材の大型成形技術に信頼性の観点からの技術の変遷と今後の課題について（5）
述べる（4）。

加え、積層化に不可欠なセパレータ板の大型化が必要で
ある。

3-3-1

大面積スタック化技術への挑戦

また、スタックの運転技術の確立と運転特性の把握については、それら大型セルを構成するセパレータ板の性（1） スタック運転評価試験装置と基本運転試験法

能を含めて評価しなければならない。すなわち、プラン

積層用大面積セル（積層化を前提に設計・製作した大ト内でのスタックの運転パラメータとしては、燃料利用

面積セル）技術や、それらのスタック化技術の開発なら率、運転圧力、酸化剤利用率のみが外部から設定・制御

びに運転特性の検討に際しては、運転に必要な大型試験可能であるが、これらはスタック全体に対する運転条件

設備の開発と基本運転試験方法の確立が不可欠である。

であり、スタックを構成する個別のセルに対しては設定

当研究所では、それまでの小型単セルや小型スタックでできない。従って、大型セルを積層したスタックにおいの運転経験を基に、10kW 級までの大型セル積層スタッては、セル部材の性能に加え、ガスマニホールド（積層クを試験できる設備を 1988 年に設置し、基本運転試験

したセルそれぞれにガスを分配供給する流路）構造やセ方法の確立ならびにスタック技術の開発に着手した（6） 。

パレータ構造などスタック設計に重要な要因によって、試験に供した積層スタックは、メーカーサイトの工場

スタック内に必然的に生じる温度分布やガス流配を含めで組み立てられた後に、低振動車により試験サイトへ搬

た、より現実に近い状態での総合的な運転特性の把握が入された。試験サイト設置後は、スタックの昇温過程で重要になる。そのためには、実際に大型セルを積層した

必要な前処理を行い、発電可能なスタックとし、その後、スタックを運転試験し、その結果から、課題の抽出、改常圧での反応ガスの供給、ガスリークチェック等の機能

良点の評価を行い、スタック技術の確立を図って行く必確認を行い、運転試験に入った。

要がある。

運転試験においては、通常、低電流密度（50 〜

本節では、まず、大型セルを積層したスタックの運100mA/cm2 程度）での性能安定化のためのならし運転転研究において必要となる試験設備ならびに試験方法を行い、定格電流密度（150mA/cm2）での発電試験に50

移行した。初期の発電試験においては、まず、セパレー
セル積層部分

タ板を含めた運転特性の把握・評価を行うため、燃料利用率試験（スタックに供給する燃料流量に対するセル毎セパレーターの出力電圧の変化を測定し、スタック内部の燃料ガスの配分状態を評価）、加圧試験（スタックの運転圧力に対燃料極するセル毎の電圧変化を測定し、積層セル毎の電極性能
セル
電解質板 （単電池）を評価）等の基本運転特性試験を、カソードガスによりスタック内部の温度制御を随時行いながら実施した。そ空気極の後、各スタックの性能等を考慮し、基準運転条件を設定し、スタック信頼性確認等のための長期連続運転試験

セル積層部分に移行した。なお、長期連続運転試験においては、定期

燃料排ガス

的に別途定めた標準条件での発電性能測定を実施した。
燃料ガス

空気排ガス

（2） 積層用大面積セル構造の確立と検証
セルの大型化については、セル部材の大型化と同時に、

図3-3-1

MCFCスタックの構造（並行流、内部マニホールド方式）

スタックでの評価が可能な大型セパレータ技術の開発が必要である。ここでは、アノードガスとカソードガスが所との共同研究において試作したスタックで、初期の運セル内で並行して流れる並行流内部マニホールドスタッ

転特性試験を中心に実施し、スタック運転試験法の基礎

ク（図 3-3-1）を対象とした、セパレータ板の大型化にを確立した。大面積スタック I は、その運転評価技術を

2

2

関して、0.3m 級から１ m 級までのセルを用いたスタッ

もとに、国のムーンライト計画において石川島播磨重工

クでの運転試験による検討結果とその開発過程での基本業（株）がスタック大型化のために開発した１ m 2 級大型構造の改良について述べる。

セパレータを用いたスタックの一号機である。

表 3-3-1 に、大面積化・積層化技術の検討に使用したセパレータは、スタック性能を左右する重要な部品で

2

10kW 級スタックの基本仕様を示す。0.3m 級の中面積ある。図 3-3-2 にその端部断面を示す。初期のセパレー

スタックは、内部マニホールド並行流スタックの基本コ

タはセンター板で燃料ガスと酸化剤ガスを仕切り、そのンセプトの検証を目的に石川島播磨重工業（株）と当研究上下にガス流路を確保するための流路板（コルゲート板、

表3-3-1

多層構造セパレータを適用したスタックの基本仕様
中面積スタック

大面積スタック I

2

大面積スタック II

2

約1.0m （0.56m×1.8m）

電極有効面積約0.3m （0.52m×0.6m）

積層セル数

18セル

10セル

10セル

薄板多層構造

薄板多層構造

改良薄板多層構造

スペーサー型端部

ダイヤフラム型端部

プレス成形型端部

セパレータ構造
ガス流方式

並行流方式

電池冷却方式

酸化剤ガス流量制御
Ni＋Cr合金

アノード電極電解質保持材

ドクターブレード法によるシート構造
繊維補強型

電解質組成
カソード電極

Li/K＝62/38

Li/K＝70/30

In situ酸化によるリチウム化酸化ニッケル
MgCO3添加電中研レビュー No.51 ● 51

電極設置位置ダイヤフラム

集電板
流路板

マスク板
スペーサー板
センター板（a） スペーサー型端部構造（中面積スタック）
ガスシール性確保のために端部を剛構造から柔構造へ

マスク板（a） 試験前

溶接部

ダイヤフラムセンター板（b） ダイヤフラム型端部構造（大面積スタック I ）端部腐食防止のためにマスク板とダイヤフラムを一体化

マスク板（b） 試験後センター板

図3-3-3

セパレータ端部の異常（スタック I ）（c） マスク板一体型端部構造（大面積スタック II ）図3-3-2

多種構造セパレータにおける端部構造の改良が確認され、セパレータ内部と容器間のガスリークが発生していたことが容易に推測できた。これらの結果から、

波板）と集電板（パンチングメタル、穴あき板）を配置

大面積スタック I における短時間でのスタック電圧低下

した基本構成となっており、さらにその上下外周部にガの主要因は、セパレータ板端部の溶接部を中心とする腐スシール部を確保するためのマスク板を取り付けた多重食による形状変形がガスリークの発生を招いたことにあ

構造セパレータであった。図 3-3-2（a）に示すように、ると推察され、大型化に伴うセパレータ端部の構造なら

2

中面積スタック（0.3m 級）のセパレータは製作の容易

び耐食性に問題があることが明らかとなった。

さから端部にスペーサを設けた剛構造となっており、ガ

大面積スタック I で明らかになった課題を解決するた

スシール部をシール性を確保するには、高い製作精度がめ、石川島播磨重工業（株）と当研究所は共同で、セパレ必要であった。これに対して、大面積スタック I（1m 2ータの信頼性向上対策として、図 3-3-2（c）に示すよ級）では大型化の開発過程において、シール性を確保す

うに、マスク板端部をプレス成形してダイヤフラムと一る目的から、図 3-3-2（b）に示すように、セパレータ

体化した構造を、大面積スタック II に適用した。これに端部構造に柔軟性を持たせるためのダイヤフラム構造をより、セパレータ端部の溶接箇所が減ると共に耐食処理採用した。

も容易となり、セパレータ製作の最終段階で、溶接部を大面積スタック I を運転試験（運転圧力 0.3MPa、電2中心にアルミの部分溶射処理を施して耐食性向上を図る

流密度 150mA/cm 、燃料利用率 60%）した結果、スタことができるようになった。大型面積スタック II では、

ック出力・平均セル電圧は、運転時間 400 時間をピーク

4,000 時間を超える運転試験（運転圧力 0.5MPa、電流密に、緩やかに低下し始め、1,000 時間以降においてその度 150mA/m 2、燃料利用率 80 ％）においてもセパレー低下は大きくなり、1,400 時間以降に急激に低下した

タ板端部構造の健全性が確保されていることが確認され（図 3-3-6 と図 3-3-7 の「1990 年 10kW スタック」参照）。

た。なお、本スタックは約 2,500 時間以降に反応抵抗増

運転終了後の外観観察では、各セルともに、ダイヤフラ

大による電圧低下が大きくなった。（図 3-3-6 と図 3-3-7

ムを適用したセパレータ端部の変形腐食が認められ、特の「1991 年 10kW スタック」参照。2,500 時間以降は負に電圧低下が大きかったセル近傍での腐食が激しく、セ

荷電流を下げて運転したため図中でのデータは約 2,500

パレータ端部は、腐食生成物に覆われていた。さらにダ

時間までが示されている。）

イヤフラム周辺の溶接部では図 3-3-3 に示すように変形

52

大面積スタック II で開発したスタック化技術は、同セ

ルを 102 セル積層した上下 51 セルブロックからなる

1 集電板
セパレータの層数を低減する方法としては、○100kW 級スタックにおいて検証後、第 2 章で述べた

2 ガス流路板とガス流路板とを一体化する方法、または○

1,000kW 級発電プラント用スタックとして採用されたとセンター板を一体化する方法が考えられる。いずれも（図 3-3-6 と図 3-3-7 の「1993 年 100kW スタック」参照、

構造面では、セパレータ中央部を 5 層構造から 3 層構造

プラントの運転成果については 2-2 節参照）。

2 ）は、製造面にすることが可能である。後者の方法（○

からは大型のプレス機等が必要となり難度が高くなるが、

3-3-2構成金属部材間の接触抵抗や電極との接触面積確保の観長寿命・低コストスタック技術への挑戦

点からは、より効果的で有利であると期待できる。
これらのことから、実用化に向けたセパレータ構造と1,000kW 級発電プラントの開発により、大容量スタッ

して、流路板とセンター板を一体化したセンター板プレクの技術的な実現性は確認されたが、実用化に向けては、

ス加工セパレータ（プレスセパレータ）の検討を石川島

スタックのさらなる長寿命化と低コスト化が課題となっ播磨重工業（株）と共同で実施した。図 3-3-4 に、試作した。そのため、セパレータ構造の簡素化ならびに新型電たセパレータ板の断面構造の概要を示す。本構造ではガ

解質スタックの開発に着手した。

ス流路部の電解質の濡れ面積を約 50 〜 60 ％低減できた。
本構造ではさらに、プレス成形による、量産化も容易と（1） セパレータ構造の簡素化なり、コストダウンも期待できる。

3-3-1 項で述べた多層構成セパレータの中央部（電極センター板プレス加工セパレータの採用による長寿命

対応部）は、センター板（１枚）、上下流路板（２枚）、化の可能性を検討するため、0.5m2 級のセパレータによ上下集電板（２枚）の計５層構造となっている。セパレ

る 14 セルの 10kW 級スタックを試作し、5,000 時間を超ータのコスト低減ならびに内部接触抵抗の低減による性える発電試験を行い、長時間運転特性の解明ならびに試能の向上を考えた場合、このような多層構造から、部品

験終了後の分析を行った。その結果、運転初期に部材の点数をいかに少なくするかが課題となる。さらに、安定化によると思われる電圧上昇があり、その後は、発MCFC の性能劣化要因の一つとして 3-2 節にも示した様

電試験終了まで安定した電圧を維持した（図 3-3-6 と図に、セパレータ構成部材表面での腐食等による電解質の3-3-7 の「1995 年 10kW スタック」参照）。その間の電圧損失が挙げられることから、大型スタックにおいては、低下量は、約 0.4%/1,000 時間（約 4mV/1,000 時間）とセパレータ内での電解質の濡れ面積の低減が、長寿命化

極めて小さく、解体後の分析によれば、セル内部での電（7）への一方策と考えられる 。この点からも積層部品点数

解質損失量が 3-3-1 項で述べた従来型のスタックに比較の削減は有効となる。

して約 1/2 に低減していることがわかった。

アノード
電解質
カソード
集電板
マスク板

セル

流路板
セパレ
ータ

センター板
流路板

プレス
加工
センタ
ー板

マスク板
集電板
アノード
電解質
カソード

セル
M

M

M
（

M：内部マニホールド穴）（a）多層構造（従来型）セパレータ構造

図3-3-4M（b）センター板プレス加工セパレータ構造

セパレータ断面構造の比較

電中研レビュー No.51 ● 53

以上の検討から、構成部材数を低減したセンター板プ

10kW 級スタックにより、連続発電時間 10,000 時間を達

レス加工セパレータが、実用化スタックの開発に対して成した（MCFC 研究組合からの受託分担研究）。その結有効な手段であることが明らかとなった。

果、電圧低下率はこれまで試験したスタックの中で最も小さい約 0.3 ％/1,000 時間となった（図 3-3-6 と図 3-3-7 の（2） 新型電解質スタックへの挑戦「2001 年 10kW スタック」参照）。以上により、スタック

高い電圧を得るための加圧運転によってニッケル短絡の大面積化を信頼性も含め実証した。
以上のスタック技術開発の変遷を、その後の現在まで現象が顕在化するまで、MCFC の電解質には、Li/K 系
が一般的に使用されていた。しかし、3-2 節で述べたよの展開を含めて図 3-3-5 に示した。

うに、Li/Na 系が、高性能化・長寿化に有益であるとの単セル研究結果をもとに、スタックへの適用が検討され

3-3-3

実用スタック化技術の確立に向けてた。当研究所では、まず（株）日立製作所との共同研究において、スタックに Li/Na 系電解質を適用し、その優位

これまでの MCFC スタック技術の変遷を平均セル電性を確認した。さらに、（1）で述べたプレスセパレータ

圧の経時変化として図 3-3-6 にまとめて示した。大出力技術と組合せた Li/Na 系電解質による新型スタックを中化のためのスタック技術の基本となる大型積層セルの開部電力（株）ならびに石川島播磨重工業（株）との共同研究

発では、本節に示したセパレータの改良はもとより、電2において開発し、0.5m のセルを 14 セル積層したスタッ

極や電解質板の着実な改良、高度化も図られており、クにおいて、10,000 時間を超える連続運転を実証した

1m2 級の大きさで安定性も含め 10,000 時間程度の連続発（図 3-3-6 と図 3-3-7 の「1998 年 10kW スタック」参照）。

電に耐え得る技術が確立されつつある。これらのスタッ

2

また、最大出力密度として、2.5kW/m （従来の約 1.5 倍）

クの電圧低下率についても図 3-3-7 に示したように、実を達成し、低コスト化に向けての対応が可能であること

用化のための目標とされる４万時間で 10%の電圧低下にも明らかにした。

対応する 0.25%/1,000 時間をほぼ達成できるレベルに到

この技術をベースに、プレスセパレータ面積を実用規
2

達した。

2

模の 1m に拡大した 1m のセルを 10 セル積層による

現在、大出力スタック実現のための最後のハードルで1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
全面剛構造セパレータ

プレスセパレータによる腐食面積低減
端部剛構造
セパレータ
6kW
Li/Na電解質の採用
10kW
12.2kW（中面積スタック） 10kW
18セル
14セル
29セル
14セル
2
2
0.3m
長寿命特性検証
0.5m
0.36m20.5m22,000h（加圧ショートスタック）
10,000h10kW
600h4,300h
9セル
プ
1m2
10kW
・大面積化
レ
10セル
・柔構造セパレ 2,250hス
10kWータによる接
セ
1m2
パ
触抵抗低減
10セル
10,000hレ
1m2
ー・セパレータ端部改良
1,600h12kW
タによる腐食防止10kW
10セル（大面積スタック I ）10セル
1m2・高圧化（1.2MPa）
1m2
5,000h（高圧ショートスタック）
4,300h・セパレータ端部の簡素化と
100kW
300kW
腐食低減（大面積スタック II ）
102セル
250セル
1m2
1m2
・高積層化
5,100h5,000h

大気圧、Li/K
加圧、Li/K
加圧、Li/Na

・高積層化
多層構造
セパレータ ・大容量化（1,000kWプラント用）
プレス
セパレータ

図3-3-5

54

250kW
180セル
1m2
5,000h

MCFCスタック技術の変遷

・高積層化
・大容量化
（加圧小型発電システム用）

1000

1998年、10kW（0.5m2×14セル）
Li/Na電解質、プレスセパレータ

2001年、10kW（1.0m2×10セル）
Li/Na電解質、プレスセパレータ

平均セル電圧（mV）

900

800
1995年、10kW（0.5m2×14セル）
Li/K電解質、プレスセパレータ
700

1993年、100kW（0.5m2×10セル）
Li/K電解質1991年、10kW（0.5m2×10セル）
Li/K電解質 （大面積スタック II ）600

1990年、10kW（0.5m2×10セル）
Li/K電解質 （大面積スタック I ）比較条件（換算後）
圧力：0.5MPa
電流密度：150mA/cm2
燃料利用率：60％

500
0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,00012,000

運転時間（h）

図3-3-6

スタック寿命特性改善の履歴

10.0

10kW, 1m2
（大面積スタック I ）Li/K

電圧低下率（％/1,000時間）

7.5
10kW, 1m2 （大面積スタック II ）Li/K

10kW, 0.5m2, Li/K
プレスセパレータ

5.0

10kW, 0.5m2, Li/Na
プレスセパレータ
2.5100kW, 1m2
Li/K

0
1988

10kW, 1m2, Li/Na
プレスセパレータ

1993

図3-3-7

年

1998

2003

スタック電圧低下率の改善ある高積層化技術を確立するため、300kW 級スタック

り大出力のスタックを実現するため、当研究所においての開発が国、メーカー、ユーザーが一体となり進められも、新たなブレークスルーを求め、高積層スタック化技ている。このハードルを一日も早く乗り越え、さらによ術の開発に注力して行く予定である。

電中研レビュー No.51 ● 55

コラム４：炭素析出とその抑制
MCFC の運転において最も留意すべき点の一つる炭素析出試験を行った。数種類のガス組成によに炭素析出がある。炭素析出は、発電システム内

る析出結果と熱力学平衡計算による析出の境界線のガス精製触媒や改質触媒、熱変換器、電池のアを、ガス中の C、H、O の元素比に基づいて三元図

ノード表面などに、固体の炭素が析出する現象でに表した。図中では二平衡（（1）式と（3）式が平あり、数 100 ℃以上で加湿量の少ない燃料ガスを用衡に達している場合）または三平衡（（1）〜（3）式

いた際に特に発生し易いことが知られている。炭がすべて平衡に達している場合）を仮定した場合

素析出はガスの配管や熱交換器などの比較的流路の析出境界を示している。

断面積の小さい箇所を閉塞させ、システム運転停

これまでの各種試験によればシフト反応に対し止や有効燃料の浪費による発電効率の低下を引きてはほぼ平衡組成になっていたが、メタネーショ

起こすため、抑制・回避しなければならない。こン反応に対しては平衡に達しておらず、図からもの炭素析出発生条件は燃料ガス組成や圧力、温度

二平衡条件で炭素析出の有無が決まることが明ら条件によって変化する。特に高圧運転条件下ではかになった。
この三元図を基に炭素析出を防止するための条

熱力学的に析出し易い条件となることも知られて件を考慮すると、水蒸気の添加によって図中 H 2Oいる。
MCFC の燃料ガスとして、天然ガスを想定したに近づけるか、またはアノードガスのリサイクル

場合、H2、H2O、CO2、CO および CH4 が供給されによって CO32 −へと近づけ、燃料ガス組成を炭素非る。このためアノード流路内では以下のシフト反析出領域へと変更・移動させる方法が考えられる。

応が起こる。

天然ガスを燃料とする場合には、H 2 濃度が高いた

H2O ＋ CO ＝ H2 ＋ CO2

め、組成は概ね三元図中の（1）側に位置すること

量を制御する方が簡便となる。例えば、300kW 級

こる。
3H2 ＋ CO ＝ CH4 ＋ H2O

小型発電システムの運転条件では水蒸気濃度とし（2）て 28 ％以上（スチームカーボン比（S/C）= ３）、

炭素析出は Boudouard 反応
2CO ＝ C ＋ CO2

1.2MPa で動作する高性能モジュールシステムの運（3）

転条件では水蒸気添加量として 42 ％以上（S/C=4.4）

によって進行すると考えられている。

が必要であると計算できる。同様に改質器についこれらの反応と実際の炭素析出条件との関係をても必要水蒸気量の計算が可能となる。

明らかにするため、0.5MPa の条件下において電極の主要材料であるニッケルを用いてその粉末によC

600℃、0.5MPa
No.1:H2＝100
No.2:H2/CO2＝90/10
No.3:H2/CO2＝80/20＊
No.4:H2/CO2＝55/45
No.5:H2/CO2/H2O＝48/12/40

炭素析出あり炭素析出なし炭素析出領域CO＊天然ガス改質ガス
組成（S/C＝２）に
対応

CO2
三平衡

CH4

H2 1
H

2

3

4

二平衡

CO3

2−

炭素非析出領域

5

O

H2O

図

56

H

になる。したがって炭素析出防止には水蒸気添加

また、H2 と CO からメタネーション生成反応が起

炭素析出条件範囲

第章

4

天然ガスからバイ
オ・廃棄物・石炭ガスへ（適用拡大を目
指す応用技術）天然ガス改質燃料が水素主体であるのに対し、バイオ・廃棄物・石炭などのガス化
ガスは一酸化炭素が主体となる。MCFCの適用性を拡げるため、一酸化炭素の濃度が異なるこれらの模擬ガスにより、あらゆる一酸化炭素濃度範囲で電池が安定に発電できることを実証した。また、これらのガスに含まれる硫化水素やハロゲンなどの微量の不純物による電池性能への影響についても、詳細にそのメカニズムを解明し、目標
レベルを達成するガス精製技術を開発した。さらに実際の電池特性や運転限界を反映したシステム解析によって、より現実的なシステム構築を進めている。

第４章

天然ガスからバイオ・廃棄物・石炭ガスへ（適用拡大を目指す応用技術） ● 目

次

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

吉葉

史彦

横須賀研究所

エネルギー化学部

主任研究員

河瀬

誠

横須賀研究所

エネルギー化学部

上席研究員

白井

裕三

４−１

低カロリー燃料の適用 …………………………………………………………………………………………………… 59

４−２

供給ガス中不純物成分の影響 …………………………………………………………………………………………… 63

４−３

高性能ガス精製技術 ……………………………………………………………………………………………………… 68

４−４実電池特性に基づく発電システムの構築 ……………………………………………………………………………… 72―――――――――――――――――――――――

コラム５： MCFC による炭酸ガス濃縮 …………………………………………………………………………………………… 77

吉葉 史彦（８ページに掲載）（4-1、4-4 執筆）

白井 裕三（1983 年入所）
これまで、石炭ガス化乾式ガス精製における乾式脱硫に携わってきた。現在は、乾式ガス精製技術の実用化を目指すと共に、石炭の高度燃焼技術、高品位化技術に関する研究に力を入れて実施している。これからは石炭の効率的利用の観点から幅広く研究を進めたいと考えている。
（4-3 執筆）58

河瀬誠（1993 年入所）
これまで MCFC に関する研究に携わり、燃料として石炭ガス化燃料を用いた場合の電池性能に対する不純物の影響評価を中心に研究を行っている。さらに、燃料電池の高出力化のため、高性能な電極の開発に取り組んでいる。今後も、引き続きガス化複合 MCFC 発電の実用化に向けて不純物の影響評価、高性
能な電極開発の研究を進める。
（4-2 およびコラム５執筆）

４−１

低カロリー燃料の適用れる。すなわち燃料電池から改質器への一種の燃料エ
ネルギーの再循環が行われており、改質用熱源確保の4-1-1 MCFC の燃料多様性ため、MCFC における燃料利用率には上限がある。こ高温で作動する MCFC には、高効率発電が可能なこれに対して、石炭を燃料とした場合、石炭をガス化すとに加えて、燃料の多様性という大きな特徴がある。高る過程で必要とされる熱は、石炭自身を燃焼させるこ

温作動であるため、CO ガスによる被毒性を有する白金とにより供給されるため、MCFC からの燃料エネルギ

等の触媒を、発電反応における触媒として必要としない。

ーの再循環は行われない。したがって、MCFC での燃したがって、天然ガス改質ガスのような水素を主成分と料利用率に上限は無く、むしろ高い熱効率を得るためする燃料ガスだけでなく、バイオマスガス化ガス、廃棄には、ガス化されたガスのほとんどを MCFC における物ガス化ガス、石炭ガス化ガス等の CO を主成分とし、発電で消費することが望ましい。すなわち、燃料利用

天然ガス改質ガスに比較して一般的に低カロリーなガス率を高く設定する必要がある（1）〜（6）。

も、MCFC の燃料として適用可能となる。CO を主成分

このような観点をもとに、本節では CO 濃度の高い燃とする燃料ガスの一例として、石炭ガス化ガス、廃棄物

料ガスを用いた場合の単セル、スタックの性能について

ガス化ガスの組成の一例を天然ガス改質ガス組成と比較述べる。

して表 4-1-1 に示す。天然ガス改質ガス組成は H 2 をその主成分とするのに対し、廃棄物や石炭のガス化ガスでは CO が主成分となっていることが分かる。

4-1-2

小型単セルによる多様な燃料への適応性検証

また、石炭ガス化ガスや廃棄物ガス化ガスを MCFCに供給するシステムには、もう一つの大きな特徴があMCFC が多様な燃料に対応できることを確認するたる。それは MCFC における燃料利用率の高さである。

め、まず電極面積 100cm2 の小型単セルによる試験を燃

天然ガスを燃料とした MCFC 発電システムの場合、天料ガス条件を変えて行った。MCFC が CO 濃度の異なる

然ガスに水蒸気を添加し、水蒸気改質を行って H2 を主

各種燃料ガスでも発電できるためには、シフト反応が平成分とする燃料ガスを生成する。この改質反応は吸熱衡に達する速度が発電反応に対して十分速く、電極反応反応であり、改質された H2 を主成分とする燃料は、によって消費された H2 分は電池内で速やかにシフト反80%程度が MCFC での発電反応で消費され、残りの応によって CO から転化され、補われる必要がある （7）。

20 ％程度は、燃料の水蒸気改質反応の熱源として使わ

低 H 2 高 CO 濃度ガスでのシフト反応の転化速度を検証するため、各ガス条件での電池出口組成を検討した結果、

表4-1-1

各種燃料ガス組成の違い（例）

天然ガス
水蒸気
改質ガス

常圧下での H2 濃度実測値は、平衡組成に対し若干のず

石炭ガス化ガス

廃棄物ガス化ガス（都市ゴミ）＊

空気
吹き

酸素
吹き

空気
吹き

酸素
吹き

CO

9.2

28

65

16

49

H2

50.0

13

25.2

16

29

6.1

2.5

0.1

11

16

34.1

1.5

0.1

-

-

CO2
H2 O

％

CH4

0.5

0

0

2

＜0.1

N2

0.01

56

9.4

53

5.6

発熱量
kcal/m3N

1,849

1,213

2,729

1,193

2,222
＊乾基準

れが認められる（図 4-1-1（a））ものの、0.3MPa 運転
条件下での H2 濃度は、ほぼ平衡組成に達しており（図4-1-1（b））、加圧条件下では上記ガスにおいても十分なシフト反応に関する転化速度が得られることが明らかとなった。
各燃料ガスによるセル電圧の圧力依存性に関しては、
空気吹き石炭ガス条件では特に、常圧、アノードガス（燃料ガス）リサイクル率 50%条件下において電池性能の低下が認められたが、他の低 H 2 高 CO 濃度条件に関しては、天然ガス条件に比べて一律に絶対値は下がるも電中研レビュー No.51 ● 59

15
アノード出口H2のシフト反応平衡濃度（％）

アノード出口H2のシフト反応平衡濃度（％）

15
H2＋CO32−→ CO2＋H2O＋2e−
CO＋H2O＝H2＋CO210シフト反応の転化遅れによる
水素濃度低下領域
廃棄物ガス
空気吹き α＝ 0％
石炭ガス α＝25％
α＝50％
酸素吹き α＝ 0％
石炭ガス α＝25％
α＝50％

5

0

0

5

10

（a） アノード出口H2濃度の実測値（％）

常

圧

15

H2＋CO32−→ CO2＋H2O＋2e−
CO＋H2O＝H2＋CO210シフト反応の転化遅れによる
水素濃度低下領域
廃棄物ガス
空気吹き α＝ 0％
石炭ガス α＝25％
α＝50％
酸素吹き α＝ 0％
石炭ガス α＝25％
α＝50％

5

0

0

5

10

15

（b） アノード出口H2濃度の実測値（％）

0.3MPa（α：想定した発電システムにおけるアノードガスリサイクル率。アノード排ガス全流量に対する、アノード入口にリサイクルされるガス流量の比率）

図4-1-1

MCFC内部におけるシフト反応平衡状態（アノード出口水素ガス濃度の実測値と計算値との比較）のの、ほぼ同様の圧力依存性を示した。

反応と CO2 ガス分離膜を利用し、高濃度の CO ガスを連性能の安定性に関しては、燃料ガスを酸素吹き石炭ガ

続的に生成する CO 燃料供給装置を設置し、CO 燃料源ス条件とし、酸化剤ガス側を Air/CO2 として、これに加として用いた。本装置で連続的に生成された燃料のガス

湿した場合と加湿しない場合について試験した。500 時

組成は H2/CO/CO2/N2/CH4=0/93.3/9.67/0/0 であった。

間の連続運転では、いずれの酸化剤ガス条件下において本供給装置を用いて、10kW 級スタック（電極面積もアノード出口組成に経時的変化は認められないが、電1m 2 セル 10 枚）により燃料ガス組成を変えて発電試験

池電圧は酸化剤ドライガス条件下では経時的に安定しなした。本試験の特徴は、燃料ガスの組成が水素リッチなかった。これに対し Air/CO2 に 10%程度の水蒸気を加えガスから CO リッチなガスまで、燃料中の可燃成分の組た酸化剤ウェットガス条件下では 500 時間安定に電圧は成を変更して試験したことである。そのため、燃料中の推移した。

H 2 対 CO の比率を、CO/（ CO ＋ H 2）として表した。この組成比率は燃料利用率と共に本試験における重要なパ

4-1-3

高濃度 CO 燃料によるスタック発電
特性

ラメータである。試験を実施したガス条件を図 4-1-2 にプロット点として示す。燃料利用率の設定は最高で 95%に達しており、また、CO/（H2+CO）比は最大で 1、即石炭ガス化 MCFC 発電システムや廃棄物ガス化
MCFC 発電システムを実用化させるためには、単セル

ち、燃料としては CO のみ（加湿有り）を供給した場合でも安定して発電することができた。

による検証ばかりでなく、内部に温度分布や電流密度分

図 4-1-2 に示したそれぞれの運転試験条件では、設備布を持つスタックによる検証が必要である。上述したよ

運転の都合上、燃料ガス中における CO 2 及び H 2O の濃

1 CO を多く含む燃料ガスを用いて、○
2 高い燃料利
うに○度が異なっている。そのため、CO/（CO+H2）比をパラ

用率条件下における、実用規模のサイズを有するメータとしてスタック性能の比較を行う場合には、燃料

MCFC スタックの発電特性を明確化することがキーポ

種以外のガスとして供給された CO 2 及び H 2O が発電性

イントとなる。

能に与える影響について補正する必要がある。そこで、スタックに石炭ガス化ガス組成等を模擬した燃料を供

スタックの平均セル電圧について、スタック性能と温度給するためには、高濃度の CO を多量に連続的に生成す分布に関する数値解析により、CO2 無供給（CO2 フリー）

る必要がある。そのため H2 と CO2 ガスからの逆シフト

で 50%水蒸気加湿の条件への電圧補正を行った。また、

60

CO（CO＋H/2）＝0〜0.1
天然ガス改質ガス
組成に対応

CO/（CO＋H2）＝0.2〜0.6
廃棄物ガス化ガス
組成に対応

90（CO＋H2）＝0.6〜0.8CO/石炭ガス化ガス
組成に対応

CO/（CO＋H2）＝1
COのみの燃料組成

燃料利用率（％）

80

70

60

50

アノードガスリサイクル率＝0％
アノードガスリサイクル率＝20〜30％
アノードガスリサイクル率＝40〜50％
アノードガスリサイクル率＝50〜60％
アノードガスリサイクル率＝60〜70％

40

30
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CO/
（CO＋H2）比（無次元）

図4-1-2（CO＋H2）比と燃料利用率発電試験を実施したときのCO/

燃料利用率もしくは CO/（H2+CO）比に対するデータ取にはこれらの２つのケースについての電圧を示した（2）（8）。

得点はばらついているので、アノードガスリサイクル率

両ケースともその燃料利用率特性は、天然ガス組成の場毎に電圧を補間した。

合の燃料利用率特性と同様の傾向を示している。これら

図 4-1-3 に天然ガス改質ガス組成、及び、石炭ガス化の結果から、石炭ガス化 MCFC 発電システムにおいてガス組成を模擬した燃料を供給した場合について、スタも、天然ガスシステムの場合と同様に本スタックが適用

ック平均電圧の燃料利用率依存性を示す。石炭ガス化可能であることが分かった。

MCFC 発電システムでは、アノードガスリサイクルを行

次に、燃料ガス組成を大きく変化させた場合のスタッ

わないシステム、及び、アノードガスリサイクルを多量

ク発電性能について示す。図 4-1-4 は、燃料利用率がに行うシステムが想定されるため（4-4-1 項参照）、本図

75%（天然ガスシステムにおける燃料利用率に対応）のスタック平均セル電圧（mV）（CO2供給なし、50％加湿条件への換算値）

900
天然ガス組成（アノードガスリサイクルなし）

860

天然ガス組成（アノードガスリサイクルなし）
天然ガス組成（アノードガスリサイクル率＝60〜70％）
石炭ガス組成（アノードガスリサイクルなし）
石炭ガス組成（アノードガスリサイクル率＝60〜70％）

天然ガス
組成
（アノード
ガスリサイ
クル有り）

820

石炭ガス組成（アノード熱交換システムに対応）780
運転圧力：0.5MPa
電流密度：150mA/cm2
酸化剤ガス組成：Air/CO2＝70/30
O2 / CO2 利用率：44％/44％
カソードガスリサイクル率 ：78％
カソード/入口ガス温度：560-565℃/587-593℃

740

700
70

80

石炭ガス組成（アノードガスリサイクルシステムに対応）

90

アノードガスリサイクルの外側で定義される燃料利用率（％）

図4-1-3

天然ガス改質ガス及び石炭ガス化ガスを模擬した燃料によるスタック発電特性（平均セル電圧の燃料利用率依存性）

電中研レビュー No.51 ● 61

スタック平均セル電圧（mV）（CO2供給なし、50％加湿条件への換算値）

900
燃料利用率：75％

天然ガス組成の場合
燃料利用率＝約75％

燃料利用率：90％
アノードガスリサイクル率： 0％850

石炭ガス化ガス組成の場合
燃料利用率＝約90％800

運転圧力：0.5MPa
電流密度：150mA/cm2
酸化剤ガス組成：Air/CO2＝70/30
O2 / CO2 利用率：44％/44％
カソードガスリサイクル率 ：78％
カソード/入口ガス温度：560-565℃/587-593℃

750

COガスの場合

7000

図4-1-4

0.2

0.4

0.6
（CO＋H2）比
CO/

0.8

1

CO/（CO＋H2）比を変更した場合のスタック発電特性

場合、及び、90%（石炭ガス化システムにおける燃料利15（H2+CO）比の変更に伴うスタック発電特性である。ここでは、燃料ガス組成のスタック発電特性に与える影響に着目するため、アノードガスリサイクルを行っていないケースについて示した。CO/（ H2+CO）比が 0 〜 1 の範囲において、いずれの両燃料利用率でも、同様の電圧変化を示している。特に、CO/（H2+CO）比が１の場合

アノード出口H2平衡濃度（％）（625℃シフト反応）

用率に対応）の場合について、燃料ガス中の CO/

10

5

CO/
（CO＋H2）＝0（CO＋H2）＝0.413
CO/CO/（CO＋H2）＝0.589
CO/（CO＋H2）＝0.793
CO/（CO＋H2）＝1には燃料として H2 を供給していないが、この場合でもスタックは安定した挙動を示すことが分かった。

4-1-4

スタック内部シフト反応と温度分布に関する解析

0

図4-1-50

5
10
アノード出口H2濃度の実測値（％）

15

アノード出口水素濃度実測値の平衡計算
値との比較

スタックに石炭ガス化ガスのような CO 濃度の高い燃濃度の実測値はいずれもシフト反応に関して平衡に達し料ガスを供給した場合の電池内部におけるシフト反応にていることが分かる。特に CO/（ H 2+CO）=1 の場合は、ついて、単セルと同様に調べた。シフト反応は H2 を生燃料ガスとして CO のみ（加湿あり）を供給しており、成する時に発熱反応となるため、CO 濃度の高いガスを

この場合でも、シフト反応が平衡に達していることが分燃料として供給した場合、スタック内部で大きな発熱がかった。また、図 4-1-6 に燃料中の CO/（H2+CO）組成

生じ、内部温度分布に影響を与えることが予想される。

比を 0 〜 1 まで変更した場合のスタック中心温度を、ス

ここでは、スタックにおけるアノード出口ガス組成のシタック内部でのシフト平衡を仮定して計算した温度と比フト平衡とスタック内部の温度分布に関する解析を行っ較して示す。シフト反応によるスタック中心温度実測値

た。

の上昇幅は、スタック内部温度分布解析結果と概ね一致

図 4-1-5 にスタック出口ガスの水素濃度について、実しており、シフト反応がスタック内部で平衡に達してい測値と 625 ℃におけるシフト反応平衡濃度の関係を示す。

ることが、スタック内部温度分布の観点からも明らかとプロットは、CO/（H2+CO）組成比を０〜１まで変更しなった（9）（10）。

た燃料ガス組成に対応している。アノード出口 H2 ガス

62

セパレータ温度（℃）

650
Uf＝87.9％

実測値
計算値
計算値はシフト平衡を仮定

640

Uf＝80.7％
Uf＝80.2％

630

Uf：燃料利用率

Uf＝80.3％
Uf＝82.1％

運転圧力：0.49MPa
電流密度：150mA/m2
カソードCO2/O2利用率：44％/44％
カソードガスリサイクル率：78％
カソード/アノード入口ガス温度：562/590℃

620

610
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

CO/（CO＋H2）比

図4-1-6

４−２

スタック中心温度実測値とシフト平衡を仮定した場合の温度解析結果の比較

供給ガス中不純物成分の影響

MCFC は、高温（約 650 ℃）で作動することから CO

900
0ppm
1ppm
5ppm
10ppm
20ppm
50ppm

による電極反応触媒の被毒はなく、CO を多量に含む石いる廃棄物ガス化ガス、バイオマスガス等を燃料ガスとして用いることができると共に高効率発電が可能である。
しかし、これら燃料ガスは、天然ガス改質ガス燃料に比出力電圧（mV）

炭ガス化ガスや、再生可能エネルギーとして注目されてべ、多種類の不純物（硫黄化合物、ハロゲン化合物、窒

850

800

素化合物等）を多量に含んでおり、それらの影響は個々

電流密度：150mA/cm2 燃料ガス組成：H2/CO2/H2O＝64/16/20
酸化剤ガス組成：Air/CO2＝70/30
濃度：650℃
燃料利用率：60％、酸化剤利用率：40％
圧力：0.3MPaの不純物によって異なっている。また、これらの不純物

750

0は CO2 リサイクルに伴い酸化剤ガスに混入することにな

2000
3000
H2S添加時間（h）

6000

る。
図4-2-1

ここでは、それらの燃料中の代表的な不純物である

高H2濃度燃料におけるH2Sの影響

H2S、HCl、HF、NH3 および酸化剤ガス中の不純物であ900

る NOx、SO2 のセル性能への影響について、小型単セル

0ppm
1ppm

4-2-1

燃料ガス中不純物の影響（1） H2S の影響

出力電圧（mV）

試験結果をもとに報告する。
850

800
電流密度：150mA/cm2 燃料ガス組成：
濃度：650℃
H2/CO/N2/CO2/H2O＝10/26/13/21/30
圧力：0.5MPa
酸化剤ガス組成：Air/CO2＝70/30
燃料利用率：60％、酸化剤利用率：40％

図 4-2-1 に高 H2 濃度の燃料（H2/CO2/H2O=64/16/20）での電池電圧の経時変化、図 4-2-2 に高 CO 濃度の燃料

750（H2/CO/N2/CO2/H2O=10/26/13/21/30）での電池電圧

0

1000
2000
H2S添加時間（h）

3000の経時変化を示す。図 4-2-1 より、H2S 濃度が高いほど電圧への影響が大きいことがわかる。また、電池電圧低図4-2-2

高CO濃度燃料におけるH2Sの影響

電中研レビュー No.51 ● 63

下のパターンは、H2S 添加直後に急激な電圧低下があり、860

添加約 1,000 時間までは電圧低下率が大きいものの、時840間とともに電圧低下率は減少していることがわかる。

820
出力電圧（mV）

さらに、図 4-2-1 と図 4-2-2 を比較すると、図 4-2-2
では H 2S ：１ ppm の添加により約 20mV 電圧が低下しており、H2S の影響が大きいことがわかる。
これは、図 4-2-3 に示すように添加した H2S の一部が

800
780
760
740

アノード（Ni）表面に化学吸着し Ni 触媒機能の低下を

0ppm
1ppm

720

引き起こすことが原因であり（1）（2）、そのため、CO から
700
0.1

H 2 への転化反応（シフト反応）が阻害され、発電反応

0.3
圧力（MPa）

0.5

0.7

1.0

の主反応物質である H 2 が欠乏し電池性能が低下する。
図4-2-4

したがって、CO 濃度の高い燃料ほど H2S の影響は大き

H2Sの影響と運転圧力の関係

くなり、高 H2 燃料での H2S 許容濃度は５ ppm 程度であ（F −）として電解質中に蓄積されることが、試験後の解るが、高 CO 濃度燃料では１ ppm 以下となる。
また、運転圧力が高いほど燃料が電池内に滞留する時

体分析により明らかとなり、炭酸塩ロス（炭酸イオンの間が長くなるため、シフト反応の反応速度の低下を補う

減少）が電池寿命に影響を及ぼすことになる。加えて、ことができ、H 2 S の影響が小さくなる結果となった。

塩化物イオンは運転圧力が低い場合、NaCl または KCl（図 4-2-4）として蒸発するため電解質ロス（電解質量の減少）も寿命に影響を及ぼす。さらに、電解質中のフッ化物イオン（2） ハロゲン化合物（HCl、HF）の影響

濃度が高い場合、カソード集電板の腐食が激しくなるこ

高 CO 濃度燃料に HCl ： 10ppm 添加した場合、HF ：とから、長時間および高濃度 HF での運転では、腐食お10ppm 添加した場合の両者において、不純物による発よびそれに伴う電解質ロスが電池寿命に対して問題とな（3）電性能への影響は認められなかった。 しかし、図 4-2-

る。以上のような背景から運転時間 40,000 時間達成する

5 の電池内での HCl、HF の挙動および図 4-2-6 の Cl、Fためには燃料中の HCl および HF 濃度を１ ppm 以下にの物質収支に示すように、HCl および HF は溶融炭酸塩抑える必要がある。

と反応し塩化物イオン（Cl − ）およびフッ化物イオン

シフト反応速度の低下

Ni表面にSが吸着
H2 O
H2 S

H2＋CO32−→ H2O＋CO2＋2e−

CO＋H2O＝H2＋CO2

CO2

H2の不足

CO
H2

H2 O

H2

CO

H2

CO2

H2O CO
2

H2 S
アノ−ド

Ni

Ni
CO32−

Li＋
S

電解質

Li＋

2−

SO4

Na＋
CO32−
カソ−ド
O2
CO2

Ni
CO32−
2−

CO32−

Na＋
NiO

NiO

NiO
O2

O2

CO2
−

1/2O2＋CO2＋2e → CO3

CO2

2−

N2

図4-2-364e−

電池内でのH2Sの挙動e−

炭酸塩ロス

Cl、Fは電解質と反応する
2HCl＋Na2CO3＝2NaCl＋H2O＋CO2
2HF＋CO32−＝2F−＋H2O＋CO2

H2
HCl

CO

H2＋CO32−→ H2O＋CO2＋2e−
NaCl

HF CO2H2 O
アノ−ド＋
CO32− Li

Cl−
F−
電解質
Na＋ CO32−

N2O2

Cl、Fの物質収支（％）

Na＋
CO32−
NiO
O2

CO2

1/2O2＋CO2＋2e → CO3

KCl、NaCl、LiFとしてセル外に蒸発
電解質中に蓄積されるCl、F
HCl、HFとして排気e−

Li＋ CO32−−

図4-2-5

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

Ni

NiO

NiO

O2
CO2

H2O CO
2

Ni

Ni

カソ−ド

H2

HF

HCl

e−

CO2

2−

電池内でのHCl、HFの挙動いる場合、炭酸ガスリサイクルによって酸化剤ガスに送り込まれる窒素酸化物濃度は約 20 〜 50ppm 程度となる。
また、NOx、SO2 を多量に含むごみ焼却場・火力発電

14

所・製鉄所などの排ガスを酸化剤ガスに用いることも考

60
84

91

えられる。

82

（1）

35
5
HCl
Li/K
0.3MPa4
HCl
Li/Na
0.3MPa

16
HCl
Li/Na
0.5MPa9
HF
Li/Na
0.5MPaNOx の影響

図 4-2-7 に示す NOx ： 50ppm 添加した場合の電圧経時変化より、NOx 添加により内部抵抗が増加し、電池電圧は低下することがわかる。しかしながら、その内部抵抗の増加は数十時間で飽和するため、電池性能の低下

図4-2-6

Cl、Fの物質収支は抑えられる。

（3） NH3 の影響

2950

高 CO 濃度の燃料に NH3 ： 300ppm 添加した場合、電NOx 50ppm

NOx 50ppm

池性能への影響は確認できず、添加した NH 3 のほぼ全（4）池性能に影響がないことを確認した。

電圧（mV）を含んだ高 H2 濃度の燃料による発電試験においても電内部抵抗による低下を補正した電圧

850

出力電圧

内部抵抗

酸化剤ガス中不純物の影響

燃料排ガス中の H2S および NH3 は、炭酸ガスのリサイ

7500

クルに伴い触媒燃焼器で酸化され硫黄酸化物（SO2）または窒素酸化物（NOx）となりカソードに送り込まれる。例えば、燃料中にアンモニアが約 300ppm 含まれて

1

0.5

800

4-2-2

1.5
内部抵抗（Ωcm2）

900

量が燃料排ガス中に排出される。また、NH3 ： 500ppm

図4-2-7

1000

2000
3000
運転時間（h）

4000

0
5000

NOx：50ppm添加した場合の電圧経時変化（図4-2-1の運転条件と同様）

電中研レビュー No.51 ● 65

これは、図 4-2-8 に示すように、継続的に NOx はカ

路部材に用いられているステンレス鋼（SUS316L）より

ソード側から電解質に溶解するが、アノードにおいて燃も耐腐食性の高い材料（例：インコロイ 825）を用いる−−

料ガス中の H2 と NO2 または NO3 が反応し、N2 として必要がある。図 4-2-10 にインコロイ 825 のカソード流

アノード排ガス中に放出されるため、電解質中にはほと路部材を用いた場合の高 H2 濃度燃料における電圧経時

んど NO3 −または NO2 −は蓄積されないためと考えられ変化を示す。電圧の経時変化は H2S 添加の場合と類似しる。したがって内部抵抗増加原因となる物質の生成も鈍た傾向にあり、SO2 添加初期に電圧の低下は大きいが時化し、結果的に電池性能の低下はほとんど起こらない。

間の経過にしたがって小さくなる。

またこの結果は、供給された NOx が N2 に還元されるこ

また、SO2 の影響は高 H2 濃度燃料よりも高 CO 濃度燃とを示しており、MCFC のように燃料ガスと酸化剤ガス

料での影響がかなり大きくなるため、高 CO 濃度燃料でが電解質板によって仕切られている機器は脱硝機能を持の SO 2 許容濃度は１ ppm 以下となる。このように酸化ち合わせていることを示している。酸化剤中 NOx 濃度

剤ガス中に SO2 を加えた場合でも、燃料ガス組成によっが 100ppm 以上になると内部抵抗の増加に加え反応抵抗て、影響度に違いが現れるのは、図 4-2-11 の機構に示も増加も大きくなるため、NOx の許容濃度は 50ppm 程

すようにアノード側に H2S の状態で放出され、H2S の影度となる。

響も加わるためである。

（2） SO2 の影響

4-2-3

SO2 の添加により、図 4-2-9 に示すようにカソード流

複数不純物共存条件による電池性能への影響

路部の腐食が進行しやすくなるため、通常のカソード流
H2S、HCl、HF、NH3 が共存するような条件で電池性
H2
CO2
H2 O

N2 NH3アノード
電解質

H2 CO2 O2
NO
NO2
［100］

H2 CO2
H2 O
N2［67］
NH3［１］

NO3− NO2−

［0.2］

カソード
NO NO2N2 CO2 O2
NO
NO2［32］

能への影響を調べた。まず、高 CO 濃度の燃料に H2S ：１ ppm を添加し、320 時間後に NH 3 ： 300ppm, HF ：10ppm，HCl ：５ ppm を同時に追加した場合の電圧経時変化を図 4-2-12 に示す。H2S の添加によって図 4-2-2と同様に電池電圧は約 25mV 低下したが、NH 3 、HF、HCl の添加によっては多少電圧に変動が見られるものの大きな変化は見られていない。

図4-2-8

電池内でのNOxの挙動（［ ］は添加したNOx量を100とした場合の窒素化合物の収支）

図 4-2-13 では、H2S、HCl、HF、NH3 に加え NOx ：20ppm、SO 2 ：１ ppm を添加した場合の電圧の挙動を

900

出力電圧（mV）

890

880

870

860 電流密度：150mA/cm2 燃料ガス組成：H2/CO2/H2O＝64/16/20
濃度：650℃
圧力：0.5MPa850

0

酸化剤ガス組成：Air/CO2/H2O＝63/27/10
燃料利用率＝60％、酸化剤利用率：40％

1000

2000

3000

SO2添加時間（h）

図4-2-966

SO2によるカソード流路部（SUS316L）の腐食

図4-2-10

インコロイ825のカソード流路部材を用いた場合の電圧経時変化

H2＋CO32−→ H2O＋CO2＋2e−

H2 O
H2 S

CO2

H2 O

H2

CO2

H2
アノ−ド

Ni

Ni

Li＋

S2−
SO4

電解質

Ni
CO32−

2−

CO32−

Na＋
カソ−ド
集電板
O2
SO2
CO2
H2 O
N2

NiO

e−

Li＋
Na＋

NiO

NiO
CO2

O2

SO2

e−

1/2O2＋CO2＋2e−→ CO32−
集電板の腐食

材質の変更によりほぼ解決
SUS316L→インコロイ825

図4-2-11

電池内でのSO2の挙動

基準セル
出力電圧
開回路電圧
内部抵抗

不純物添加セル
出力電圧
開回路電圧
内部抵抗

1050

2.0

H2S: 1ppm

電圧（mV）950

1.5
HF: 10ppm、HCl: 5ppm

900

NH3: 300ppm

850

1.0

800
750

内部抵抗（Ωcm2）

1000

0.5

700
650
−1000

0.0
0

図4-2-121000
2000
不純物添加時間（h）

3000

H2S、HCl、HF、NH3の複合影響（図4-2-2の運転条件と同様）示す。個々の不純物の影響は現れているが、複数の不純物が含まれることによる発電性能への複合的な影響は見られなかった。

算として全体への影響を評価できる。
以上、当研究所を中心として実施した石炭ガス化燃料
中の各種の不純物による電池特性への影響評価について

これまでの結果から、各不純物の影響と許容濃度は表述べた。今後はバイオ・廃棄物・石炭ガスの実ガスを用

4-2-1 に示すようにまとめられ、これら不純物の複数種

い不純物の影響について明らかとしていく必要がある。

が供給ガスに含まれる場合は、個々の不純物の影響の加

電中研レビュー No.51 ● 67

基準セル
出力電圧
開回路電圧
内部抵抗

不純物添加セル
出力電圧
開回路電圧
内部抵抗
2.0

1050

電圧（mV）

950

HF: 10ppm

900

H2S: 1ppm

NH3: 300ppm

1.5

NOx: 20ppm

HCl: 5ppm

SO2: 1ppm

850

1.0

800
750

内部抵抗（Ωcm2）

1000

0.5

700
650
600

0

1000

図4-2-13

4000

0.0
5000

燃料中不純物H2S、HCl、HF、NH3および酸化剤中不純物SO2、NOxの複合影響（図4-2-2の運転条件と同様）

表4-2-1

各不純物の影響と許容濃度

影響

不純物

４−３

2000
3000
不純物添加時間（h）

H2 S

シフト反応の反応速度低下

HCl

炭酸塩ロス

許容濃度（ppm）
高H2濃度燃料
高CO濃度燃料
1

5
1

HF

炭酸塩ロス・腐食

1

NH3なし（500ppm以上のデータなし）

500

SO2

腐食・シフト反応の反応速度低下

NOx

内部抵抗の増加1以下

3
50

高性能ガス精製技術の当面の目標としてばいじん濃度１ mg/m3N 以下、硫黄

4-3-1

高性能ガス精製技術の概要

化合物およびハロゲン化物濃度１ ppm 以下を設定し、ガス精製技術の開発を進めてきた。これらの目標値は、バイオマス・廃棄物・石炭ガス化ガスには、様々な不開発が進められている石炭ガス化複合発電（IGCC）用

純物が含まれており、前節ではこれらの不純物による電のガス精製目標に比較して、さらに高いレベルのものと池性能への影響について述べた。これらのガスをなっている。

MCFC に適用するためには、性能を低下させる成分を

このガス精製技術としては、ガスを室温レベルまで冷必要なレベルまで除去するガス精製技術の開発が必要で却して除去する湿式ガス精製技術と高温のまま除去するある。

乾式ガス精製技術が挙げられる。湿式ガス精製技術では、

除 去 成 分 と し て は 、 ば い じ ん 、 硫 黄 化 合 物 （ H 2S 、ばいじん除去後、アンモニアおよびハロゲン化物（HCl、COS）、ハロゲン化物（HCl、HF）が挙げられ、当研究HF）などが水スクラバーで除去され、さらに COS 変換

所では、MCFC 性能への影響度を考慮しつつ、これら器により湿式脱硫装置では除去し難い COS が H2S へ転68

湿式プロセス
ガス化炉

精密
脱硫

500℃

精密
脱ハロゲン
350℃

セラミック
フィルター

湿式脱硫

40℃

水
スクラバー

450℃

乾式プロセス
450℃

450℃

450℃

セラミック
フィルター

乾式
脱ハロゲン

高性能
乾式脱硫
燃料電池
SOFC
MCFC

図 4-3-1

逆洗時
クリーンガス

250℃
COS 変換
触媒

燃料電池
SOFC
MCFC

ガス化炉

集じん時
クリーンガス

ガス精製プロセス

ば
い
じ
ん
含
有
ガ
ス

ば
い
じ
ん
含
有
ガ
ス

フィルター ばいじん層
ホッパーへ落下

図 4-3-2

セラミックフィルター集じん法が除去され、次第に層が厚くなり、圧力損失が設定の値に達した時点で、クリーンなガスを内面側に噴射し、ガ換される。最後に MDEA（メチルジエタノールアミン）

スを逆向きに流し、ばいじん層を払い落とすこと（逆洗）などの吸収液を用いた湿式脱硫装置で H 2S を除去する。

により、繰り返し使用する。

また、湿式脱硫装置では、硫黄化合物を１ ppm 以下まこのセラミックフィルターにおいては、腐食しないこで除去できないため、酸化亜鉛等の乾式脱硫剤によりさと、逆洗ガスとの温度差による熱衝撃に強いこと、圧力らに精密に硫黄分を除去する必要がある。一方、乾式ガ

損失が小さいことおよびフィルター内部へのばいじんのス精製技術においては、高温のまま、同一温度でばいじ侵入を防止できることが必要となる。

ん、硫黄化合物、ハロゲン化物を除去する。このため、当研究所は SiC を用い、外面の気孔を微細化すると共熱損失が極めて少なく、さらに熱交換器など機器がなく、に、ばいじんの除去に関与しない内部の気孔を大きくし

湿式ガス精製に比べ、プロセスも簡素化にできる利点をた二層構造のフィルターを開発した（図 4-3-3）。この有する。しかし、本プロセスは MCFC 用も含めて現状

フィルターは当研究所に設置した２トン/日空気吹き噴において実用化された例はない。

流床石炭ガス化装置に対応した乾式クリーンアップ装置

当研究所では、このように湿式ガス精製技術に比べて、により性能が評価され、さらに、勿来 200 トン/日空気

メリットの多い乾式ガス精製技術を MCFC に適用する
ため、400 〜 450 ℃において使用する高性能乾式ガス精製技術の開発を進めてきた。

4-3-2

セラミックフィルター集じん技術

高温でかつ硫黄化合物やハロゲン化物が含まれる腐食性の高い雰囲気でばいじんを１ mg/m3N 以下まで精密に除去する技術として、セラミックフィルター集じん技術の開発を進めた。この技術においては、図 4-3-2 に示すように石炭ガス化ガスが、フィルターの外面から内面へ
通過する間に、ばいじんがフィルター外面で除去され、ばいじん層が形成される。その後は、この層でばいじん

図4-3-3 セラミックフィルターエレメント
外径70mm、内径40mm、長さ1000mm

電中研レビュー No.51 ● 69

吹き噴流床石炭ガス化パイロットプラントにおいて検証

フェライト脱硫剤の開発を進めた。
1ppm 以下と極低濃度までの除去を前提とする場合にされ実証段階にある。

は、鉄成分では達成が困難であり、亜鉛成分の添加が不4-3-3可欠である。また、再生の容易さからは鉄成分を含んで乾式脱硫技術いた方が好ましい。そこで 1ppm 以下まで除去できる亜金属酸化物を用いた脱硫剤に石炭ガス中の硫黄化合物

鉛成分と再生が容易な鉄成分とを組み合わせた亜鉛フェ（H 2S、COS）を吸収させて除去する。さらに使用後のライトを用いたハニカム脱硫剤（図 4-3-5）を調製し、脱硫剤を再生して使用することを前提としている。この

性能評価を実施した。この結果、図 3-4-6 に示すように脱硫剤を開発するに当たっては、以下の事項を考慮して

450 ℃において酸化鉄では除去できなかった１ ppm 以下検討を進める必要がある。

までの除去が可能であることを明らかにした。さらに脱1 炭素析出による脱硫剤の崩壊が生じない。
○

硫/再生繰り返し試験を実施し、硫黄分吸収容量の急激

2 目標濃度まで除去できる。
○

な低下はなく、長期的に利用できる見通しを得ている。

3 再生でき、長期間使用できる。
○

図 4-3-4 に脱硫剤を用いる当研究所が開発した固定床

4-3-4

脱ハロゲン技術

脱硫システムを示す。このシステムでは、３塔を有し、還元、脱硫および再生の３工程を順次切り換えることに使用する吸収剤は石炭ガス中の HCl と HF を同時に除より連続的に脱硫を行う。また、硫黄分を吸収した脱硫去する必要がある。図 4-3-7 に各物質の化学平衡におけ剤は酸素と反応させ、硫黄分を二酸化硫黄（SO2）としる除去の可能性を示す。この結果からは HCl および HFて放出させて再生される。この再生反応は発熱反応であを同時に１ ppm 以下まで除去できる成分としてナトリるため、脱硫剤温度が耐熱温度（800 ℃）を超えないよ

ウム系の物質が挙げられる。

うに、硫黄回収後の再生ガスをリサイクルして、酸素濃

当所は、活性の高いナトリウム化合物としてアルミン

度が 1.5 ％程度となるように空気を希釈して再生に用い酸ナトリウム（NaAlO2）を見出した。これに活性アルる。

ミナを添加することにより多孔質な吸収剤を調製し、性当研究所では、石炭ガス化複合発電用に硫黄化合物を能評価を行った結果、図 4-3-8 に示すように、炭酸ナト

100ppm 以下まで除去できる酸化鉄系ハニカム脱硫剤をリウムのような工業原料をそのまま使用するのに比べ、開発し、その性能を勿来の 200 トン/日石炭ガス化複合

硫黄化合物共存下で高い性能を有していることを明らか

発電パイロットプラントおけるバイパス試験（全ガス量にした。また、反応後ナトリウム成分は再生し難い塩化の 1/10）で検証した。

物やフッ化物となるため、再生・再利用法が重要な課題

さらに高性能化し、MCFC にも石炭ガスを利用できとなる。そこで、アルミニウム成分のみを回収する方法

るように、硫黄化合物を 1ppm 程度まで低減できる亜鉛について検討し、アルミニウム成分をリサイクルできる調製法を考案した。

石炭ガス

熱交換器

減圧管

1.1mm
NO.2

NO.1

NO.3

空気
硫黄回収
装置

還元

脱硫

脱硫剤層

再生

4.9mm

石膏（CaSO4）
又は
単体硫黄

過剰ガス
ガスタービンへ

図4-3-5
図4-3-470

固定床脱硫システム

亜鉛フェライトハニカム脱硫剤
ZnFe2O4：20wt%

全硫黄濃度（ppm）

1000

温度：450℃
脱 硫 剤：60g
流量：0.18m3N/h
空間速度：5160（1/h）
入口濃度：950ppm
吸収容量時間：1185（min）

100

10

酸化鉄系ハニカム脱硫剤（IGCC）
1

亜鉛フェライトハニカム脱硫剤
酸化鉄系ハニカム脱硫剤（推算値）
亜鉛フェライトハニカム脱硫剤（推算値）

0.1
0

0.5

図4-3-6：Na2CO3：K2CO3：SrCO31
1.5
経過時間/吸収容量時間（−）

亜鉛フェライト脱硫剤の脱硫性能：NaAlO2：CaCO3：BaCO3

圧力 : 1 MPa
CO : 20% CO2 : 5% H2 : 8%
H2O : 5% N2 : Balance：Li2CO3

103

103

2

10

102

1

101

HCI平衡濃度（ppm）

10

100
-1

10

-2

10

10-3
10-4
-5

100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5

10

-6

HF

10-6

900

10-7
400

10

10-7
400

500

600

700 800
温度（K）

図 4-3-7

1000

HCI
500

600

700 800
温度（K）

900

1000

各種金属酸化物の HCl、 HF 平衡濃度108
出口 HCl濃度（ppm）

HF平衡濃度（ppm）

2

Na2CO3

温度：673K 圧力：0.1MPa
充填Na量：12mmol
空気速度 ：12000〜24000h−1
CO：20％ CO2：5％ H2：8％ H2O：5％
HCl：200ppmv N2：Balance
H2S：
0ppm
200ppm2000ppm

6
NaAlO2吸収剤
42Target
0

0

500

1000

1500
2000
経過時間（min）

2500

図4-3-8NaAlO2吸収剤のHCl除去性能

3000

電中研レビュー No.51 ● 71

現在、ナトリウム成分を再利用するための再生法および術を組み合わせた場合の MCFC の効率計算を実施した。

吸収剤の粒径や形状を調節可能な調製法について検討を

この結果、表 4-3-1 に示すように、すべての方式におい進めている。

て 50 ％（HHV 基準）以上の発電効率が得られることが判明した。さらに乾式法を採用した場合には、ガス化方

4-3-5

発電効率に及ぼすガス精製システムの影響

式による差異はなくなり、53 ％と最も高い発電効率が得られることが判明した（5）。

石炭ガス化炉３方式に湿式ガス精製技術、乾式脱硫技

表4-3-1石炭ガス化MCFC発電の発電効率推算結果
酸素吹き
酸素吹き
空気吹き
ドライフィードガス化炉 ドライフィードガス化炉 スラリーフィードガス化炉
発電端効率 送電端効率 発電端効率 送電端効率 発電端効率 送電端効率
（％）
（％）
（％）
（％）
（％）
（％）

４−４

湿式ガス精製
MDEA法

57.2

52.5

61.4

53.1

58.9

51.4

乾式ガス精製
ZnFe2O3＋NaAlO2

58.3

53.3

61.9

53.3

60.6

53.1

実電池特性に基づくシステムの構築

MCFC 発電システムの構成は様々な研究機関やMCFC メーカーにより多数提案されている（1）〜（5）。しかしながら、多くのシステムに関する熱効率解析結果をみると、実際の MCFC の性能や発電可能な条件について、

4-4-1

発電システム構成に対するガス中不純物（H2S）の影響度

必ずしも十分に考慮したとは言えないものが多い。このMCFC に、バイオマス、廃棄物、石炭などの多様なことは、システム特性を解析するにあたり、最も基本とガス化ガス燃料を適用するためには、これらのガスに対なる実電池の発電可能な条件が明確化されていないことする MCFC の耐久性検証のみならず、電池部分におけに起因しているものと考えられる。これらを考慮しない

るガス組成条件等が発電に適切となるようなプラントシシステム設計では、実際の発電は不可能であり、MCFC

ステムを構成することが重要である。これらのガス中にの適用を拡大・展開して行くことは困難である。

は 4-2 節で述べたように多くの不純物が含まれる。H2S

当研究所は従来から、単セルやスタックにおける実電は、アノード流路内部においてシフト反応を阻害し、反池発電特性や運転限界を実験的に把握してきており、そ応は未平衡状態となる。多くのガス化燃料の主成分であれらをシステム設計やシステム性能解析に結びつけるこ

る CO が H 2 へ十分転換されずアノード出口 H 2 濃度がとが可能である。本章では、まず多様な燃料を供給した

１%を下回るような条件では、電池電圧が低下すること

場合のシステムの一例として石炭ガスを対象に実電池のが報告されており、このような実電池における発電特性

発電可能な条件を反映したシステム性能解析を行い、よをシステム熱物質収支に反映させることも、現実的なシ

り現実的な石炭ガス化 MCFC 複合電システムの特性をステム構成を得るためには重要となる （6）。そこで石炭示す。また、もう一例として、天然ガス燃料に焦点を当

ガス化 MCFC 発電システムを対象に熱効率解析を行い、て、幅広い負荷領域にて運転が可能な MCFC 発電シス

電池出口 H2 濃度とシフト反応進行度の関係を明らかとテムの特性解析を実施し、将来的な新しい適用形態につした。さらに、シフト反応未平衡状態がシステム全体のいて示す。

特性に与える影響度を調べた。検討の対象としたシステ

72

ムは、アノード出口ガスをアノード入口に再循環させる期待できる。本システムの場合、炭素析出防止のために

アノードガスリサイクルシステム、及び、アノードガス

は、アノードガスに蒸気を添加する必要があり、排熱回リサイクル系を省略しアノード出入口間に熱交換器を設

収系からの蒸気供給を伴う構成になっている。燃料ガス

けたアノード熱交換システムである。

への蒸気添加量は約 60 ％程度が必要となる。

表 4-4-1 に、電池の安定した発電のために必要なガス

これらのシステムに対して、アノード流路内部におけ条件のうち、システム解析に反映させた運転限界を示す。

るシフト反応が未平衡状態となる場合について、アノー

表中カソード入口での炭酸ガス分圧はニッケル短絡を抑

ド出口水素濃度に関する解析を行った。シフト反応の平制することを目的としたものである（3-2-6 項参照）。こ

衡状態に関しては、K={（H2 ・ CO2）/（CO ・ H2O）｝未平衡

れらのガス組成や運転条件を考慮することにより、実電/{（H2 ・ CO2）/（CO ・ H2O）｝平衡 の値を解析に導入し、K池の発電特性を反映したシステム性能の解析が可能となの値を１以下の範囲で変更することによりシステムのる。

熱物質収支解析に反映させた。図 4-4-2 に、K の値が

図 4-4-1（a）にアノードガスリサイクルシステムの0.4 に低下した場合の、アノード出口における H2 濃度と構成図を示す。アノードガスリサイクルの目的は、アノ

設定燃料利用率の関係を示す。アノード出口におけるード入口部分における炭素析出を防止することである。
炭素析出防止のために必要なアノードガスリサイクル率3は 80 ％程度となることが分かった。図 4-4-1（b）にはアノードガスリサイクルシステム

アノード出口水素濃度（％）

アノード熱交換システムの構成図を示す。本システムでは、アノード入口におけるガス温度を所定の温度に上昇させるため、アノード出口ガスとの熱交換を行うシステ
ム構成となっている。また、アノード入口における CO2
濃度が低くなるため、ガス組成から見る限り高い電圧がアノード熱交換システム

2.5
2
1.5

アノード出口水素濃度1％以上1
0.5

表4-4-1

解析に考慮した電池の運転制約要因
と制約条件
場

所

0
75

炭素非析出条件

アノード出口水素濃度１％以上

カソード入口低炭酸ガス（０.1MPa以下）分圧

酸素

図4-4-2

アノードブロワ
ガ
ス
冷
却
器

フポ
ィー
ルラ
タス
ー

装湿
置式
脱
硫

AC

カソード

燃焼器

ボイラ

G

高圧S/T 低圧S/T

ガ
ス
化
炉

ガ
ス
冷
却
器

フポ
ィー
ルラ
タス
ー

G

カソードブロワ

高圧S/T 低圧S/T

空気圧縮機

アノード
MCFC

図4-4-1燃焼器

カソードブロワ
空気G

膨張タービン

空気圧縮機
空気

空気

（a） アノードガスリサイクルシステム

AC

カソード
M

廃熱回収
ボイラ

G

膨張タービン

装湿
置式
脱
硫
ボイラ

M

空気
廃熱回収
ボイラ

熱交換器

石炭

アノード
MCFC

100

アノード出口H2濃度のプラント燃料利用率依
（CO・H
/
｝
/ 2・
存性［K＝
｛
（H2・CO2）
2O）
未平衡（H
｝
CO2）/（CO・H2O）
平衡］

酸素

M

石炭
ガ
ス
化
炉

80
85
90
95
リサイクルの外側の燃料利用率（％）

運転制約要因アノード入口アノード出口水素濃度1％以上

K＝0.4の時の解析結果（b） アノード熱交換システム

不純物（H2S）影響度検討の対象とした石炭ガス化複合MCFC発電システムの構成

電中研レビュー No.51 ● 73

H 2 濃度が１％程度以上となる燃料利用率の領域は、アることが判明した。

ノード熱交換システムの方が広くなっており、アノード
熱交換システムは、アノードガスリサイクルシステムに

4-4-2

広負荷域対応システム

比べて、燃料利用率を高く設定した運転が可能であることが分かった。

MCFC 発電プラントは、電池本体側からみれば、発一方、ニッケル短絡抑制のためには酸化剤ガス（カソ

電効率の高い定格点にてベース電源として運用されるこードガス）中の CO 2 分圧を低くした運転が必要である。

とが望ましいが、電力系統側から見れば、電源構成上、カソード側のシステム構成に注目すると、検討を行った

ミドル負荷運転も含めた幅広い負荷領域に対応することシステムではカソードガスリサイクル系にボイラーを設が要求される。従って、MCFC 発電プラントを高効率、置し、電池からの熱量を蒸気タービンに回収することにかつ幅広い負荷範囲に亘って運転することは、MCFC

よりシステム全体の熱効率を向上させるような構成となの早期導入に向けた重要課題である。これまでに提案さっている。スタックの温度はカソードガスリサイクル系

れている MCFC 発電システムでは、定格点において最での熱回収量と空気圧縮機からの供給空気量により制御大効率が得られるように空気流量と MCFC 容量を決定される。従って回収熱量を変えればシステムへの供給空し、ガスタービン圧縮機の回転数は一定として設計して気量が変化し、カソード CO2 ガス分圧を調整できる。シいる。従って圧縮空気量も一定となり、部分負荷運転時

ステム熱効率とカソード炭酸ガス分圧についての検討結には、スタック冷却用空気が過剰となり圧縮空気の一部

果を図 4-4-3 に示す。ニッケル短絡抑制のための運転可

を燃料電池からバイパスさせ、燃料を追い焚きして直接能領域において、カソード CO2 ガス分圧を低下させると、ガスタービンに供給している。このため、部分負荷効率

アノードガスリサイクルシステムでは熱効率の低下を伴が大幅に低下するという課題があった（7）〜（10）。本来、うのに対し、アノード熱交換システムでは、逆に熱効率

MCFC 本体には部分負荷時においても発電効率が高いの上昇を伴うことが分かった。

という特徴があるが、このような設計では燃料電池の特以上の結果から、実電池における不純物の影響を考慮

徴を十分に引き出せていない状況にあった（11）。

することにより、アノード熱交換システムは、石炭ガス

そこで、天然ガスを燃料とする MCFC 発電システム

化燃料のような高 CO 濃度、低 H 2 濃度燃料に対して、を対象とした熱物質収支解析を実施し、広い負荷範囲に幅広い燃料利用率で運転可能であり、カソード炭酸ガス

おいて高効率発電が可能なシステムを提案した。解析に分圧を低減させた条件にも十分対応可能なシステムにな

1 ニッケル短絡及び腐食管理の指標と当たっては特に、○

54

送電端効率（HHV基準）（％）

カソードCO2分圧に対してピークが存在する
52

50

48

46

44
0.05

Ni短絡抑制のためのMCFC運転領域

カソードCO2分圧の低下に伴い熱効率が上昇する
0.1

アノードガスリサイクルシステム：K＝1
アノードガスリサイクルシステム：K＝0.7
アノードガスリサイクルシステム：K＝0.4
アノード熱交換システム：K＝1
アノード熱交換システム：K＝0.7
アノード熱交換システム：K＝0.4

0.15
0.2
カソードCO2分圧（MPa）

0.25

K＝
｛（H2・CO2）/（CO・H2O）｝未平衡 /（H2・CO2）/（CO・H2O）｝平衡

図4-4-374

カソード炭酸ガス分圧と熱効率の関係

0.3

2 スタックへの安定した燃なるスタック運転温度範囲、○

MCFC の温度を調整する役割を果たす。カソード排ガ

3 極間差圧を適正範囲
料供給のための最大燃料利用率、○スの一部は改質器燃焼部の燃焼用空気として利用され、内に保つためのカソード流路圧力損失の上限値を管理項

残りは膨張タービン入口へと導かれる。膨張タービン排目とした（表 4-4-2）。運転負荷範囲を拡大するには、

ガスは燃料改質用の蒸気を生成した後、系外に放出され負荷変動時にスタック内部における発熱量が変化するたる。
本ベースシステム （ケース１）では、前述したよう

め、発熱に合わせたスタックの冷却方式が重要な技術課に、部分負荷運転時にシステム効率が低下する。そこで、題となる。
図 4-4-4（a）にベースとした外部改質型 MCFC 発電

MCFC の冷却空気が過剰とならないよう、空気圧縮機

システムの構成を示す（ケース１）。燃料予熱器と蒸気をガスタービンから分離し、回転数制御により流量を変発生器からの天然ガスと蒸気を混合し、改質器により H2

更可能となるシステム（ケース２）を考案した。本シスを主成分とする燃料ガスを生成する。この燃料はテムでは、空気圧縮機の流量と圧力比の関係をもとに、MCFC のアノード流路内に供給され、発電反応の後、高負荷運転時で MCFC の冷却空気が多量に必要なとき改質器の燃焼部に供給され、燃料改質プロセスでの吸熱

は、空気圧縮機の回転数を増加させて高圧運転する一方、をまかなうために燃焼される。一方、空気は圧縮機で加部分負荷運転時で MCFC の冷却用空気量を多く必要と圧され、改質器の燃焼排ガスと混合してから燃料電池のしない場合には、空気圧縮機の回転数を低下させ、低圧カソード側に供給される。カソード排ガスの一部はガス運転している（12）〜（18）。即ち、MCFC システムが変圧運

リサイクルブロワにより、カソード入口側に再循環され、転されることとなる。変圧運転は、空気流量の多い時に高圧となるため、MCFC での圧力損失が小さくなるこ

表4-4-2発電特性解析に当たり考慮した実電池の運転可能条件範囲とから、ウエットシールの保護に有利であり、空気流量

置の少ないときは、低圧運転となるため、カソード炭酸ガ

設定条件

条件設定の目的ス分圧が低下し、Ni 短絡による MCFC の寿命面で有利

An/Ca入口温度＞600℃

Ni短絡抑制となる。なお、本ケースではカソードリサイクル系に冷An/Ca出口温度

＜660℃

腐食抑制

燃料利用率

＜85％

燃料ガス不均一分配抑制

カソード圧力損失＜3kPa

ガスリーク抑制

セル電圧＞700mV

安定した発電位却器も設置し高負荷時のスタック冷却を補助している。
ケース 2 では、高圧運転時には、燃料改質率の低下に伴い燃料利用率が低下し、システム効率が低下する。そ変圧空気圧縮器（タービンと分離）＋カソードガス冷却器
カソードブロワ（ケース2）

カソードブロワ

カソードガス冷却器
M

M

M

カソード
MCFC
アノード

カソード

イ
ン
バ
ー
タ

空気

アノード
M

改質器

天然ガス

燃 料
予熱器

天然ガス

改質器
改質器
燃焼側

空気

タービン
上 水
排ガス
蒸気発生器

天然ガス

（a） ベースケース（ケース1）

図4-4-4

空 気
圧縮機

燃 料
予熱器

アノード
ブロワ
改質器
改質器
燃焼側

アノードガスリサイクル＋
補助改質器（ケース3）

タービン G 発電機

G 発電機

補助燃焼器

イ
ン
バ
ー
タ

MCFC

空気
圧縮
器

上 水
排ガス
蒸気発生器

（b） ケース2、3

天然ガスを燃料とする広負荷対応発電システムの構成

電中研レビュー No.51 ● 75

質器を設置し、高圧運転時でも燃料の改質率を高く設定でき、熱効率を高く取れるシステム（ケース３）についても検討した（7）（19）。
図 4-4-4（b）に、空気圧縮機を変圧運転とし、カソードガスリサイクル系にガス冷却器を設置したケース２、
及び、ケース２にアノードガスリサイクルと断熱改質器を設置したケース３のシステム構成を示す。また、対象

送電端熱効率（HHV基準）（％）

こで、アノードガスリサイクル系並びに補助（断熱）改定格負荷領域55

45
ケース1：部分負荷時にスタック冷却空気をバイパス
ケース2：ケース1に変圧空気圧縮機とカソードガス冷却器を適用
ケース3：ケース2にアノードガスリサ
イクルと補助改質器を適用

35

25
20

40

60

80

100

プラント負荷率（％）とした３ケースにおける負荷率に対する熱効率の解析結果を図 4-4-5 に示す。

図4-4-5

性能比較を行ったシステムの部分負荷特性

ケース 2 では、100%負荷運転時にシステム圧力が上昇し、燃料改質率が低下するため熱効率が低下するもの

効率はベースケースと比較して低下するものの、幅広いの、60%程度の部分負荷時に熱効率は 55%程度と最大値

負荷範囲で熱効率がベースケースより高くなっているこを示した。ケース３では、高圧運転時にアノードリサイとが分かる。これらの解析より、負荷変動に幅広く対応

クル系の追設によって改質率を高く保つことができるた

する MCFC システムを構成するためには、回転数制御

め、ケース２と比較して、100%負荷時の熱効率が高くによる変圧運転型空気圧縮機の組み合わせが有効であるなった。いずれのケースでも、100%負荷時における熱ことが明らかとなった（20）。

76コラム５： MCFC による炭酸ガス濃縮
MCFC は、発電に伴って炭酸ガス（CO2）がカソ。
によって供給している（図（a））

ードからアノードに移動し、その結果、CO2 濃度が一方、高濃の CO 2 を含むアノード排ガスに着目

カソード側に比べてアノード側で高くなるというして、アノード排ガスを CO 2 回収プラントに導入

原理的な特徴をもっている。このため、アノード

することが考えられ、この場合、カソードで必要

排ガス中の H2O を取り除くと CO2 濃度は 90 ％近くな CO 2 を系外から導入する方式が検討されている。

なり（N 2 を含まない天然ガスなどの燃料を使用しこの方式の CO2 分離回収 MCFC プラントに、既設た場合）、CO2 を効率よく分離回収することが可能

火力発電所、製鉄所、ごみ焼却場などから排出される燃焼排ガス（CO2 を含む）をカソードへの酸化となる。
しかしながら、MCFC のカソード反応は剤ガスとして導入すれば、それら排ガス中に含まCO2+1/2O2 ＋ 2e−→ CO32 −れる CO 2 を効率よく濃縮するシステムとなる（図。
（b））

であるから、カソード側に反応ガスとして CO 2 を供給しなければならない。通常のプラントでは、

例えば、7MW 級 MCFC 発電プラントにおいて燃料を天然ガスとし、電流密度 150mA/cm2、燃料利カソードに必要な CO2 はアノード反応
H2+CO

2−
3

−

用率 85%とした場合、最大約 6.3 トン/時間の CO 2

→ H2O+CO2 ＋ 2eで発生する CO 2 のほぼ全量をリサイクルすることを濃縮回収できる。

燃料ガスリサイクル
H2

H2O CO2

H2

H2 O
CO2

CO2
リサイクル

燃料ガス

H2

アノード
CO32−
カソード

触媒
燃焼器

空気

CO2

O2
CO2

N2

酸化剤ガスリサイクル（a） 通常システム

H2

燃料ガスリサイクル
燃料ガス

H2

H2

H2O CO2

CO2回収へ

CO2

H2

アノード
CO32−
カソード
N2

CO2

O2

CO2

酸化剤ガスリサイクル

O2 N2発電所などの排ガス（CO2を含む）
空気（b） CO2濃縮システム

図

通常システムと外部からの CO2 を濃縮するシステムの比較

電中研レビュー No.51 ● 77

第

章

5

初期導入機と将来展開（実用化のための製造技術と導入シナリオ）

これまでの開発成果を受けて、300kW級のMCFC発電システムの導入が始まろうとしている。また、その製造設備の整備も進んでいる。将来のより大きなプラントについても最新の知見を入れての概念設計が行われ、経済性や環境特性が明らかとなっている。さらに、量産化によるコスト低減に合わせた導入展開などの検討も進んでいる。
実用化のための重要課題はプラントコストの低減と電池の長寿命化である。今後は、それらに加え、MCFCの新しい機能創出、技術成熟のための研究が必要である。

第５章

初期導入機と将来展開（実用化のための製造技術と導入シナリオ） ● 目
中部電力株式会社

電力技術研究所

石川島播磨重工業株式会社

燃料電池チーム

副主査

久野

次
慶博

エネルギーソリューション事業推進部
技術一グループ

横須賀研究所課長

遠井正明

エネルギー化学部長

渡辺

夫

上之薗

博

名誉特別顧問５−１

初期導入機の実際 ………………………………………………………………………………………………………… 81

５−２

導入を支える製造技術 …………………………………………………………………………………………………… 82

５−３

実用プラントの概念設計と将来像 ……………………………………………………………………………………… 84

５−４

実用化へのシナリオ ……………………………………………………………………………………………………… 92

５−５

これからの研究展開 ……………………………………………………………………………………………………… 94―――――――――――――――――――――――

コラム６： MCFC 研究の草創期と実用化への期待 ……………………………………………………………………………… 96

久野 慶博（1977 年中部電力（株）入社）
入社後は火力部門の管理業務を行ってきた。
研究部門在籍中、以前は主に LNG 冷熱利用技術や蓄熱技術の研究開発に携わってきた。
現在は、高温型燃料電池の研究や木質バイオマスを利用したガス化技術の研究など環境を重視した開発を推進している。また、国の開発計画にも携わっている。MCFC とバイオマスガス化の組み合わせによる発電を是非実現したいと考えている。
（5-1 執筆）渡辺80

夫（22 ページに掲載）（5-3、5-4、5-5 執筆）

遠井 正明（1982 年石川島播磨重工業（株）
入社）
高温ガス炉（HTTR）の中間熱交換器の設計等を担当、その後日本原子力研究所へ出向
し、HTTR の開発に従事した。MCFC の開発には 1984 年頃から参加し、システム設計
やスタックの伝熱流動の挙動解析等を担当した。現在は、MCFC 開発のプロジェクトマ
ネージメントを担当し、早期実用化を目指している。
（5-2 執筆）
上之薗 博（1953 年入所）
電力系統の動特性制御を中心に研究開発を行い、その後、自然エネルギー、新エネルギ
ー、超電導などの先端技術の責任者として開発にあたった。中でも溶融炭酸塩形燃料電池については電気事業の将来を考え先端をきって推進してきた。
電力研究所長、情報研究所長、専務理事を経て、現在名誉特別顧問（コラム６執筆）

５−１

初期導入機の実際

循環型社会創造に大きく貢献できる新しい技術として、
コージェネレーションシステムだけではなく、社会的に大きな問題となっている廃棄物の有効な利用方法についても検討を進める必要がある。
廃棄物には、市民生活から出る一般廃棄物（生ごみ、
可燃ごみ、不燃ごみ）と企業から出る産業廃棄物（生ごみ、可燃ごみ、不燃ごみ）があり、自治体は主に一般廃棄物の収集・運搬・処理を行っている。また、産業廃棄物
は、廃棄物処理業者が、収集・運搬・処理を行っている。
1999 年３月時点で国内における一般廃棄物の排出量

図5-1-1300kW級MCFC発電設備

は年間 5,000 万トンを越え、更に産業廃棄物では、年間25,600 万トン（全 39,700 万トンから建設残土などの不燃

フローを図 5-1-2 に示す。システムの設計仕様は下記の物を除いた可燃物）を加えると年間約３億トンになる。

とおりである。

一般可燃廃棄物は大部分が焼却炉で焼却処理されているが、一部の廃棄物処理施設では、廃棄物燃焼炉の熱を

・標準燃料

；

天然ガス

熱源として蒸気を発生させてタービン発電機を駆動する・燃料使用量；60m3/h

汽力発電方式により廃棄物の持つエネルギーを電気とし・ MCFC 出力 ；300kW 級（AC）て回収している。しかし、発電効率が低いなどの問題か

・圧力；

0.34MPaら、一部の大規模な廃棄物処理設備にしか導入されてい・発電端出力；358kW（MCFC および排気ないのが現状である。
このような問題を解決できるシステムとして、高効率タービン式発電機の合計）
・発電端効率；

54%（LHV 基準）

でかつ多種燃料に適用可能な MCFC が最も有効なシステムと考え、中部電力ではこのシステムを新名古屋火力（2） 発電試験の状況と今後の予定

発電所の構内に設置すると共に、廃棄物をガス化し燃料

MCFC の据付は 2002 年 12 月に完了し、PAC 試験（シとして供給できるガス化装置も設置し、組合せシステム

ステムの試運転と制御の確認試験）を２月上旬まで行い、の実証研究を計画している。

2003 年 2 月中旬に発電を開始した。その後、110kW ま
で出力を上げ、補機の状態、ガス性状およびガスリーク（1） 300kW 級システムの導入状況

について確認した。

中部電力（株）は新名古屋火力発電所構内に 300kW 級

今回の試験を通じて、熱伸び差による機器の損傷や変MCFC を設置した（図 5-1-1）。300kW 級 MCFC は、新形、排ガス循環サイクルにおける機器の腐食など発電試

エネルギー・産業技術開発機構（NEDO）から MCFC

験を開始するまでには、非常に険しいものがあった。

技術研究組合が受託し進めている国のプロジェクトで開2004 年度に計画している MCFC の発電試験では、発されている加圧小型発電システムの技術を国内初の商用

LNG による基本性能データを取得すると共に、廃棄物機として採用したものである。

ガスのカロリーを模擬したガスにより MCFC の性能・

燃料電池発電システムは MCFC と改質器を納めてい

運用性・制御性を把握する予定である。さらに、木質バる電池モジュールと電池に燃料、空気等を供給する機器

イオマスによるガス化技術と組合せたトータルシステムを納めた BOP（Balance of Plant、電池本体以外のプラとして発電試験を 2005 年度に実施し、運用性・制御性

ント構成機器）スキッドから構成される。そのシステムなどのシステム評価を行う計画である。

電中研レビュー No.51 ● 81

起動用
空気予熱器

直流出力

T/C用
燃焼器

カソードブロワ
カソード
アノード

脱硫器

T

C

P/T

C

混合器
改質器
G

M

触媒燃焼器

排気
容器用ガス圧縮機

汽水分離器
水回収熱交換器
P

水回収
タンク
燃料
ガス

補給水

図5-1-2

５−２

HRSG

P
水処理装置

300kW級MCFC発電システムフロー導入を支える製造技術

MCFC の開発は、市場導入に向けてスタックの高積層化とプラントの実証段階を迎えている。市場導入に際しては、電池部品の大量生産技術を確立する必要がある

ス技術や製紙プロセスでの塗工技術がベースとなっている。
電池の性能は電極内の炭酸塩分布状態に大きく依存し、他、歩留まりの向上と品質管理が重要となる。また、競かつ電極、電解質板の空孔分布がこの炭酸塩の分布を制合する他機種とのコスト競争に対しても対抗し得るコス御する。このため、板厚および空孔が均一な実機サイズトの実現が不可欠であるが、量産化や品質管理にも密接（1m2 級）の電極、電解質板の製作技術および品質管理に関連するため、これらも含めて早期の実現が求められが重要である。成形テープはバッチ毎にサンプルを取りている。ここでは、電池部材の大量生産技術と電池の高出して品質検査を行っている。

積層化にかかわる技術について示す。

電解質板は、LiAlO 2 粉からなる多孔質体であり、成形に際しては、LiAlO 2 粉に溶剤を混合させスラリー状

5-2-1

電池部品の大量生産技術（固体と液体を混合した粘性のある状態の物質）にして、電極と同様にテープ成形法により連続成形している。連MCFC のセルを構成する主コンポーネントは、電極

続テープ成形設備を図 5-2-1 に示す。

（アノード、カソード）、電解質板、セパレータである。
2
○
焼成技術

（1） 電極・電解質板の製造
1○
テープ成形技術

当初 1m2 級電極を焼成する際、同時に数十枚程度の焼成が可能な大型の電気炉を用いていたが、昇温と降温に電極、電解質板とも大量製造技術として、連続式のテ

時間がかかるため量産化には対応できなかった。このたープ成形方法（ドクターブレード法）によりテープ状にめ、連続焼成炉を開発し、連続焼成が可能となったこと成形したのち、電極のみ焼成炉で所定の温度まで加熱し、で量産化の目処を付けた。連続焼成設備を図 5-2-2 に示

多孔質の焼結体とする。これらの技術では、セラミックす。

82

ている。これにより、コルゲート式セパレータの部品点
数の大幅な削減（113 点→ 5 点）を実現した。溶接については、熱歪が少ないレーザー溶接を採用している。また、耐食性が必要なマニホールドのシール面に使用する部材については、研究開発の成果として製品化された、耐食性鋼板（アルミメッキ鋼板）を採用することで更なるコストの低減が可能になった。
これらの対策により、セパレータのコストは当初と比較して１/10 程度まで低減することに成功するとともに、製作時間の大幅な短縮を実現した。
図5-2-1

連続テープ成形設備

5-2-2

スタック高積層化技術（1） スタック内の流量配分特性評価
スタックの高積層化設計に際して重要な項目は、スタックの積層方向およびセル面内での流量配分特性である。
MCFC の電池本体の発電効率を上げるためには、燃料利用率を上げる必要がある（（1-2-1）式参照）。一方、燃料利用率を上げた場合、燃料の流量配分のばらつきにより、燃料不足が生じるとアノード電極が酸化され、著しい電池性能の低下を招く危険性がある。したがって、ス
図5-2-2電極焼成用の連続焼成炉

タックにおける流量配分の均一化が重要となるため、ス
タックの３次元解析モデルを開発し、流量配分特性を評価している。

（2） セパレータの製造
燃料電池のセル部材の中でコストに占める比率の高い（2） スタック内の伝熱流動解析

部材がセパレータであり、量産化とともにコストダウン

スタックの製造工程では、製造した個々の部材を組立が重要な課題である。また、セパレータは薄板の積層構て、その後工場内の前処理設備で、脱脂、含浸、酸化と造であり、構成部材の精度が要求される。したがって、いった前処理が必要となる。特に含浸工程では、セルの部品点数の削減、軽量化、製作工程の簡素化等を図って面内の温度分布と積層方向の温度分布を均一に保持しな

量産化とコスト低減の両方の実現を目指している。センがら昇温する必要があるため、スタック内の温度解析を

タープレートは両面にそれぞれ水素、および酸素が流れ行い、加熱方法の妥当性の評価も行っている。また、結るため、SUS と Ni のクラッド鋼を使用している。当初、果に関しては、設備設計や実際のオペレーション方法にセパレータのガス流路はセンタープレートの両面にコル反映している。一方、スタックは電極部とマニホールド

ゲート板を配置した構造としていたが、部品点数が百点

部をそれぞれ適切な締付け力で締付ける必要がある。こ以上となること、また、炭酸塩の濡れ面積が広く、腐食のため、スタックの締め付け構造（上下ボルスター、締による炭酸塩の消失が多くなり、寿命の点で問題があっ

付ロッド他）の解析を実施し、評価している。また、運た。これらの問題点を解決するため、センタープレート

転温度が 680 ℃程度と高温であることから、長期運転にをプレス加工して流路を構成する設計に変更した（3-3よる材料の高温解析（クリープ強度評価）等を実施して節参照）。センタープレートのプレスでは、大面積の薄いる。（250 セルを積層した高積層スタックの外観は図板に細かな流路を実現するため、２万トンプレスを用い

2-4-2 参照）

電中研レビュー No.51 ● 83

が挙げられる。炭素析出が生じると、電池内ガス通路の5-2-3

プラント化技術

閉塞や多孔質電極の閉塞などによって、電池性能が低下する。対策としては、蒸気注入方式、アノードガスリサ（1） プラントの制御設計
MCFC プラントの設計にあたっては、負荷変化、緊急停止などにおける制御性の評価が重要となる。このた

イクル方式、アノードガス再処理方式等が考えられ、システム設計に際して最適な方法を選択する必要がある（コラム４参照）。

め、システムの評価においては、動特性解析シミュレー

また、アノード、カソード間の許容差圧や差圧制御方

ションコードを用いて、実プラントにおける様々な運転式についての検討も重要な課題である。電解質は、通常条件、再現性の必要な試験条件等を事前に評価している。

溶融状態となっているため、通常運転時において電解質

動特性シミュレーションコードは、100kW 級のシステにかかる極間差圧（カソード/アノード間差圧）を、電ム制御試験結果や、1,000kW 級発電プラントの運転結果

解質の吹き抜け防止のため数 kPa 以下に保持する設計と等をもとに検証を行い、機器モデルや制御モデルの精度している。

の向上を図り、MCFC 発電プラントの制御技術の確立に役立てている。動特性シミュレーションコードの開発
では、電力事業用火力発電プラントの制御解析技術をベースにしている。

（3） 高効率システムの実現
現在開発を行っている MCFC は外部改質方式を採用
し、将来の大規模火力代替システムとして、更なる効率の向上を目的に、MCFC とガスタービンを組み合わせ（2） 炭素析出と差圧制御MCFC プラントシステムの設計上特に検討すべき項
目としては、炭素析出の防止方法の検討、差圧制御方法

５−３

たハイブリットシステムの実現を目指している。このため、特性の異なる MCFC とガスタービンを組み合わせたシステムの検証が重要である。

実用プラントの概念設計と将来像に対して今回の設計では基本的に以下の方針に従った。

5-3-1

各種プラントの構成と効率

1 特殊機器の排除○

開発の難度が高い特殊機器をプラントに適用することMCFC 発電プラントの実用化に向けて、当研究所でにより、むやみに効率向上を追求することは避け、よりは、これまでに数多くのプラント概念設計を実施してき現実的な機器構成によるプラント設計に留意した。その（1）〜（4）。以下に示す検討では、これまでの設計結果を端的な例が空気圧縮機および膨張タービン（すなわちガベースに、最新の研究成果を反映させつつ、より現実性

スタービン）である。従来の設計は、必要な容量のターが高く、MCFC 発電の特徴を最大限に発揮できるよう

ビン発電機が容易に入手できるものと想定し、電池以外に従来の概念設計結果の改良を試みた（5）〜（8）。

の機器に対しては実際の型式などにとらわれず設計を実た施してきた。これに対して今回は、既存機器あるいはそ（1） 概念設計の基本方針の改造で対応することとし、より現実的な設計を目指し

設計は、天然ガスを燃料とする分散電源、LNG を燃料た。本方針は建設費低減にもつながることも期待できる。

とする火力代替集中電源、石炭を燃料とする複合発電と特に火力代替用発電では、使用できるガスタービンが限しての集中電源の計３方式について実施した。これまで定されるので、電池出力規模はむしろガスタービンサイ

実施されてきた一般的なプラントの概念設計では、可能ドから決定することとした。

な限り高い発電効率を得る事を目標にしてきたが、これ

2 最新電池特性の適用○

84

電池特性の設定には最新の電池性能の実測値（小型単（3） 設計したプラントの性能と特徴

セル特性の平均値）を適用した。従来の電池性能には国概念設計を実施した 3 プラントの定格性能（効率）を図の開発目標を設定していたが、現状では、その目標を上

5-3-1 に示す。初期性能は最近の電池性能の向上に起因し回る性能が得られており、より現実的な設計結果が期待て、1.8kW/m2 の高い出力密度を想定したにもかかわらず、できる。

十分な送電端効率が得られることが分かった。これは近3 電中研性能表示式の適用○

年の電池性能向上によるものである。当然のことながら運転条件によって、様々に変化する電池性能の推算は、運転条件としての温度、圧力、ガス組成などをパラメータとする IGT の簡易式（9）に替えて、当研究所が提案して（11）きた精度の高い表示式（10）（3-1 節参照）を適用した。

電流密度を低下させればこの効率はさらに向上する。
プラントそれぞれの特徴は以下の通りである。
1 天燃ガス利用分散型外部改質プラント○

電池部分をモジュール化し、内陸設置のための陸上輸送が可能な規模を想定し 7MW 級とした。基本的な構成

4 基準出力密度の増大○
2

プラント初期運転時の出力密度設定を 1.8kW/m レベル

は、天然ガス利用の MCFC プラント一般と同様である（電流密度 200mA/cm2 に対応）とし、従来（1.2kW/m2、が、改質器には外部改質のプレートタイプを適用し、電流密度 150mA/cm2 に対応）の設定値の５割増とした。

MCFC 本体とあわせて、一つの圧力容器内に収納し、これにより建設費の大幅な低減を目指した。

熱放散の低減による高効率化を図っている。ガスタービ
ンには燃焼器が切り離し可能な構造を持つ既存の型式を（2） 設 計 項 目選定した。電池運転圧力は圧縮機の吐出圧力に対応して従来の概念設計（1）〜（4）ではプラント定格性能、部分負約 1.2MPa としている。本システムは国の計画において

荷性能、機器構成レイアウトなどを明らかにしているが、開発中の高性能モジュールを組込む構成となっている。

本再設計では、新たに以下の検討を加えた。

MCFC の実現にはこのようなプラントの実証が重要で1 電池性能経時変化の考慮○あり、特にその外観ならびに基本仕様を図 5-3-2、表 5-

経時的に変化する電池性能を考慮しつつ、プラントの運用方式について検討を加えた。本経時変化に関しては、

3-1 に示した（8）。
2 LNG 利用火力代替型プラント○

後述する電池特性の表示式を経時変化の効果を反映させ

燃料には LNG を適用し、外部改質を想定した。構成

た形として考慮した（3-1-3 項参照）。プラント運用方式

上の特徴としては、既存のガスタービンを改造して用いによっては、電池性能の経時変化にともなう補機類の運転条件変化を想定する必要が生じるが、その場合には補機の仕様に余裕を持たせて対応することとした。

70

2 ニッケル短絡寿命の考慮○

現状の MCFC では、電池寿命がニッケル短絡に大き

当面の目標とされる 4 万時間の寿命に対して、基準となる 1.2MPa の運転圧力のもと、ニッケル短絡が発生しない見通しが得られている（3-2-6 項参照）が、いずれにせよその制約は存在する。

発電効率（HHV基準）（％）

く制約されるという課題がある。最新の研究成果では、

54.2
50

58.9

59.2

60

56.6

52.4

（5.1）

52.0

（13.7）（10.0）（54.1）

40
30

（6.2）

送電端効率
（44.2）

20

蒸気タービン（39.0）

ガスタービン

ニッケル短絡寿命は、プラント効率に直結する電池電

MCFC

10

圧を決定する電解質厚みや運転圧力と密接な関係があり、電池電圧とはトレードオフの関係にある。今回の設計では電池寿命とプラント効率の関係についても検討した。

0
天然ガス
分散
7MW

図5-3-1

LNG
集中
130MW

石炭
集中
650MW

設計したプラントの性能

電中研レビュー No.51 ● 85

（4） プラント運転方法
MCFC の出力電圧は、運転時間の経過に伴って徐々に低下していく事が避けられない。これは電池内部抵抗が徐々に増大する事によるものである。これに対応した
1 プラント出力
MCFC プラントの運用方式としては、○
2 電池負荷電流一定運転、○3 電池発熱量一定
一定運転、○

運転の３方式が想定できる（5）。
出力一定運転は、電池電圧の低下に伴って負荷電流を
図5-3-2増大させて対応するもので、これにより電池電圧、発電

天然ガス利用分散型
外部改質プラント（7MW級）

効率の経時的低下は最も大きくなる。負荷電流一定運転
では、低下率はこれより小さくなるが、出力も徐々に減

表5-3-1
項

天然ガス利用分散型プラント主要諸元
内

目

燃
料
発電端出力
送電端出力
モジュール数
スタック数
出力（dc）
セ ル 数
電流密度
電圧
運転圧力（電池入口）
改質率（総合）（ワンパス）
燃料利用率（総合）（ワンパス）
O2利用率（ワンパス）
CO2利用率（ワンパス）
カソード入口CO2分圧
アノードガスリサイクル率
カソードガスリサイクル率
ガスタービン入口温度
排気温度
敷地面積

少することになる。これら２方式では、電池温度を一定に保つためのカソードガスリサイクル流量も増大させて

容

天然ガス
7.08MW
6.84MW
8基
2台/モジュール
372kW/スタック
227枚/スタック
200mA/cm2（2000A/cm2)
755mV/セル
1.16MPa
95％
77.2％
87.3％
75％
17.4％
61.7％
0.082MPa
59.4％
61.3％
787℃
105℃
31m×22m（0.096m2/kW）

対応する必要がある。発熱量一定運転は、電池冷却用のカソードガスリサイクル流量の増大を避けることを目的にしたもので、電池内部抵抗増大に伴い負荷電流を減少させて対応する方式である。プラント出力の減少は最も大きくなる。３方式の特徴を表 5-3-2 にまとめた。
設計対象とした３プラントにおけるこれらの運転方式（8）の違いについて検討した（5）。一例として、表 5-3-3 に、天然ガス利用分散型プラントに対する、出力一定運転方
式と発熱量一定運転方式による性能変化を示す（8）。電流
密度一定運転については４万時間後の空気量を確保しようとすると、運転開始時の空気バイパス量が、出力一定運転の場合に比べて非常に大きくなり、運転開始時のている点が挙げられる。本構成では既存の３種類のガス

MCFC 出力比が小さくなって発電効率が大きく低下しタービンを候補として比較検討し、圧力比が比較的小さてしまうため検討しなかった。

く、改造に要する費用が少ないと考えられる機種を選定した。これによって、プラント出力規模は約 110MW と

表5-3-2各種運転方式の特徴なった。電池運転圧力は 1.0MPa、電池排出ガス温度
680 ℃、プラント排ガス温度 160 ℃（HRSG 出口）である。

運転
方式

（5）
（6）

これに合わせて LNG は燃料圧縮機で昇圧されている。

3 石炭利用複合発電プラント○

出力は 650MW 級とし、ガス化設備には酸素吹き加圧

メリット

デメリット

・プラント送電端出力一定（累積発電電力
量最大）・ガス供給・循環用回転機
負荷増加最大・特性低下時点での負荷を想定した機器容量設定が必要（運転開始時に改質器や循環用回転機の大幅な部分負荷運転要求）・効率低下最大・改質器負荷変化小・プラント出力低下
・ガス供給・循環用回転機
負荷増加
・効率低下

・ガス供給・循環用回
転機負荷変化小・上記回転機を常に定格で使用可・効率低下最小・プラント出力低下最大出力一定

噴流床方式、ガス精製設備には湿式を想定した。燃料電
池部では、アノード入口での炭素析出を避けるため、スタック入口の燃料ガスに低圧蒸気を供給して加湿するとともに、アノードガスリサイクルを行ってアノード入口
温度を高温に保持している。電池運転圧力は 1.2MPa、（8）
プラント排出ガス温度は HRSG 出口で 112 ℃である（7）
。

86

電流
密度
一定
電池
発熱
量一
定

項

目

運転開始時 4万時間運転後
45.0
6.00
4.32
1,963
689
165

送電端効率（HHV基準）（％） 50.7
送電端出力（MW）
6.00
電池出力（MWac）
5.17
ガスタービン出力（kW）
1,058
出力
771
一定運転 電池電圧（mV）
電流密度（mA/cm2）
175
総発電電力量（kWh）

2.40×108

送電端効率（HHV基準）（％） 52.4
送電端出力（MW）
6.84
電池出力（MWac）
5.78
1,304
発熱量 ガスタービン出力（kW）
755
一定運転 電池電圧（mV） 2電流密度（mA/cm ）200
総発電電力量（kWh）

2.49×10

49.0
5.62
4.77
1,102
687
181

53

電解質厚さ
1.0mm
1.5mm

52

51

50

4

2

0.05

0.06

8

0.07
0.08
0.09
0.1
カソード入口CO2分圧（MPa）

Ni短絡発生時間（×104h）

運転方式

天然ガス利用分散型プラントの運転方式による性能の変化

送電端効率（HHV基準）（％）

表5-3-300.11注）電池性能は４万時間で10％低下すると仮定（150mA/cm2時）

図5-3-3

出力一定運転では、運転開始時点での性能が、表 5-3-

プラント送電端効率とニッケル短絡寿命のトレードオフ

1 に示した主要諸元からずれている。これは４万時間運に、送電端効率は向上するが、ニッケル短絡寿命は短く

転後にも一定出力を確保するための方策である。本設計なることが示された。また、電解質厚さが薄いほど効率で選定したガスタービンは回転数一定で運転しており、は向上し、寿命は短くなることも示された。本プラント

空気量は大きく変わらないため、電池性能が劣化するとでは、電解質厚み 1.5mm、CO2 分圧 0.08MPa（7MW プ

MCFC 側の出力を一定にする運転はできず、MCFC 出

ラントにおけるカソード入口 CO2 分圧の設計値）におい

力の減少分をガスタービン出力で補って、プラント発電て、効率と寿命はおよそ 51%前後、寿命３万時間程度で出力を一定にする運用となる。この場合、運転開始時のトレードオフの関係が得られた。

空気流量は最適な流量配分に比べて、かなり多くの量を石炭利用の場合には効率と寿命は、それぞれおよそ

ガスタービン側に流す設定となる。そのため MCFC の49%、２万時間（電解質厚み２ mm を仮定）となり、天出力割合が減り発電効率は最適値に比べ減少し、運転開

然ガス利用プラントと同様なトレードオフの関係が得ら始時点からプラント効率が低下することになる。効率やれた（7）。石炭利用プラントにおいては、カソード側に水

出力が直線的に減少すると仮定すると、プラント平均効

蒸気を注入してカソードガスリサイクルの熱交換量を下率（２万時間時点での効率）は出力一定運転で 47.9%、

げると共にカソードでの CO2 分圧を抑制すると、送電端発熱量一定運転で 50.7%となった。

効率は低下するものの、ニッケル短絡寿命の延伸が期待

また、４万時間運転による総発電電力量を比較した場

でき、効率約 50%で寿命２万時間となった（8）。

合、出力一定運転では 2.40 × 108kWh が得られるのに対し、発熱量一定運転では 2.49 × 108kWh と大きくなった。

5-3-2

プラント経済性の評価

平均効率と総発電電力量に関するこれらの結果は、建設費が等しければ、発熱量一定運転の方が発電原価が小さ

経済性については、プラント機器側に着目した建設費

くなり、経済的に優れる可能性があることを示している。

や生産量による検討の他、市場側を意識した電力系統全体への導入影響など、様々な検討を進めてきた。

（4） ニッケル短絡寿命とプラント効率
今回設計した３プラントはいずれも MCFC カソード
入口の CO2 分圧が調整できるようアノード排気をバイパ（1） プラント建設費
1 限界建設費○スできる構成となっている。天然ガス利用分散型プラン

まず、既存競合発電設備と同等の発電単価を実現する

トにおいて寿命と効率の関係を検討した結果を図 5-3-3ため、MCFC 発電設備が達成すべき限界建設単価を、に示す（7）。図から明らかなように、CO2 分圧の上昇と共競合発電設備の発電単価をもとに試算した（12）。MCFC

電中研レビュー No.51 ● 87

発電プラントは、送電端効率 55%（HHV 基準）、設備利検討結果を図 5-3-4 に示す。、MCFC 発電の建設費の用率 70%、電池価格比率 30%、MCFC 寿命５年、目標値は、21 〜 24 万円/kW 程度となり、そのうち、MCFC 残存価値０%、その他機器耐用 15 年、その他機MCFC 固有の機器（燃料電池本体と燃料改質器および器残存価値 10%とした。燃料費は石炭 1.5 円/Mcal、

インバーター）の総額としての目標値は 10 〜 11 万円

LNG は 2 円/Mcal とし、競合する火力の発電コストは、/kW となった。

天然ガス火力 11 円/kWh、既存石炭火力 10 円/kWh、ガ

電池価格は図 5-3-5 に示すように、年間 200MW 程度

スタービン 20 円/kWh（1 万 kW 級）とした。限界建設の生産量となれば約７万円/kW が見込める（6）。したが単価の算出には次の（5-3-1）式を用いた。

って、MCFC 本体の寿命を５年として５年毎に交換するとすれば、プラントの全導入量が 1,000MW に達すれ
ば、図 5-3-4 に示したプラントとしての目標価格は、達成可能になると考えられる。

（2） 導入展開から見た経済性（5-3-1）

MCFC 発電プラントは量産化によってその建設費が低減されることが期待できる。MCFC プラントでは、

また、均等化年経率の算出には次の（5-3-2）式を用いた。

通常 MCFC 本体のみをその寿命期限（数年程度）毎に交換することが想定されているが、MCFC 本体の生産均等化年経費率（5-3-2）計算の結果、天然ガス火力で 25.1 万円/kW、石炭火力で 24.3 万円/kW、ガスタービンで 38.8 万円/kW（1 万kW 級）が得られた。これらの限界建設費は、電池本体
価格が 7 〜 8 万円/kW 程度になれば十分達成可能になる

25
建設費（万円/kW）

ここで、αは残存価値、ｒは金利、n は耐用年数である。

30

燃料費削減メリット
その他メリット20
その他建設費MCFC（7.2）

15

固有機器

インバーター
・改質器
（3.3）

5

ものと考えられる。

据付・試験
電気・計測・制御
交流発電機
排熱ボイラ
ガスタービン

共通設備

2 積算建設費
○

0
GTCC

MCFC

（5）

一方、一部を積み上げ方式とした経済性検討も行った 。
MCFC 発電の競合技術である。ガスタービン複合発電

図5-3-4

MCFCプラントの目標建設費（GTCC 発電）の建設コストを念頭に置き、MCFC 発電が目標とすべき建設コストを試算した。検討に当たって100

は GTCC 発電と MCFC 発電における構成機器を、両者は GTCC の従来の建設費をもとに、機器容量や機能の比較によって、MCFC 発電における価格を推定した。
これらの積み上げ結果をもとに、MCFC 発電固有の機器である燃料電池本体、燃料改質器、インバーター（直交変換器）の総額には、MCFC プラント全体の建設費
が GTCC に競合できるレベルとなるべきことを勘案し電池価格y（万円/kW）に共通な機器と固有の機器に分けた。共通機器に対して

価格範囲
80
想定価格
60

y ＝ 600/x ＋ 4.2
40
年産200MWで7.2万円/kWを
達成可能

20
0
0

50

100

150

200

250

年間電池生産量x（MW/年）て、GTCC 建設費総額レベルから上記の共通機器分を差し引いた残りの部分が対応するものとした。

88

図5-3-5MCFCプラントの目標建設費

300

100

寿命は密接に関係しており、導入初期には変換頻度の高90い場合の方がコスト的に有利になる可能性がある。この点は燃料電池プラントの経済性に関わる大きな特徴と言うことができる。
まず小規模の生産設備による初期導入から大規模な生産設備による商用期への段階的な生産設備の拡大を想定
し、図 5-3-5 に示した生産量と電池価格の関係も用いながら市場への導入展開に伴う発電コストの推移を検討し発電コスト（通期）（円/kWh）

量は、その交換頻度にも関連する。すなわち、生産量と70
コストミニマム
となる寿命

60
50

50MW

40
30

100MW

20

200MW
500MW

10
0
1

（6）
（ 12）

た

20MW

80

。プラント性能実証を兼ねた少量（５ MW/年）

23
電池寿命（年）

4の初期導入から、年産 20MW、200MW 規模への３段階の設備増設を想定すると、図 5-3-6 に示すように初期導図5-3-7

MCFCの全導入量と電池寿命による発電
コスト

入から 10 年程度で 10 円/kWh 台の発電コスト達成が期待できる。
実際の市場導入においては、初期導入時の展開が重要（3） 電源構成から見た MCFC 導入の経済性となる。全導入量と電池寿命による発電コストの違いのMCFC 発電設備が電力系統に導入され、需給運用に検討結果を図 5-3-7 に示す（12）。導入量は市場規模とも考組み込まれた場合の全国ベースでの経済性について、えることができ、コストミニマムの観点から市場規模に2009 年の長期需給見通しに基づき、年負荷持続曲線上

応じて適切な電池交換期間が存在することが明らかになで分析した（13）。検討は、5-3-1 項での設計プラントを参った。すなわち初期導入段階における過度の性能目標設

考に、MCFC が分散電源、集中（大型）電源（LNG 燃

定は、開発費と開発期間の増大をもたらすことから、市料、石炭燃料）としての設置形態で全体容量の約２%程場導入の進展に応じて MCFC 発電のメリットを享受し度（5,000MW）導入される場合を想定して実施し、定格ながら、電池寿命を始めとする性能目標値を導入の各段負荷運用がそれぞれ全運転時間の 3/3、2/3、1/3 を占め階で合理的に設定していくことが重要である。燃料電池

る３つのケースを対象にした。なお全ケースとも定格負

市場は、その規模が達成されれば、電池本体の周期的交荷時以外は最低負荷（30%）運用を行うことを想定した。

換により電池寿命にかかわらず価格は安定することが期

その結果、系統全体の総発電単価の変化は MCFC の待できる。

導入量を少なく設定したため小さくなったものの、集中

160

1600

大きなメリットが得られ、LNG 燃料の場合には、定格

140

1400

負荷運用の時間帯が 2/3 を超える場合（稼働率約 80%以

120
100

1000

80

800

累積導入量

60

600

40

400

20

200

0

0

0

2

4

6

8

10

12

14

経過年（年）

図5-3-6上の場合に対応）において、また、石炭燃料の場合には

1200

発電コスト

プラント累積導入量と発電コストの推移

累積導入量（MW）

発電コスト（円/kWh）（大型）電源として既設電源に代替して導入する場合に全ての負荷運用ケースにおいて、MCFC 導入に対応する分だけ、系統全体の総発電単価を低減できる結果となった。図 5-3-8 に LNG 燃料の集中配置形態で導入した場合を例に総発電単価への影響を示す。ケース 1 において既存設備に代替すれば約 0.03 円/kWh の改善が見られた。一方、分散電源として導入した場合には、経済性を得るためには 100%近い稼働率が必要で、特に非電気事業者が設置する場合には、LNG 並の価格での燃料調達が求められる結果となった。

（５、20、200MW/年の段階的な生産設備増強、２、３、４、５年の段階的な電池寿命改善を仮定）

電中研レビュー No.51 ● 89

を図 5-3-9 に示す（13）〜（15）。集中電源としての MCFC の原
既存電力設備に追加して導入
既存電力設備と代替して導入
MCFC発電単価

散電源としての MCFC と共に、その環境特性は非常に

16
MCFC発電単価（円/kWh）

総発電単価の改善（円/kWh）0.05

単位は従来の文献によるものであるが、今回検討した分

14
0.00
12
10

−0.05

8
−0.10

6
4

−0.15

優れたものであることが分かる。

（2） 電力系統から見た化石燃料消費量の削減
5-3-2 項（3）における電力系統への天然ガス利用分散
電源、集中電源（LNG 燃料、石炭燃料）としての導入を想定した場合の化石燃料の消費量を重油換算値で検討

2
ケース１

図5-3-8（13）した（図 5-3-10）。基本的には、各ケースとも

0

−0.20
ケース２

ケース３

MCFC の稼働率が高い方が燃料消費量が抑えられ省エ
ネ効果も高くなる。5,000MW の MCFC 導入による石油MCFC発電単価と系統総発電単価の改善

換算量のエネルギー消費の変化はおおよそ 300 万 kL の

（LNG燃料の集中配置形態の場合）（ケース１：定格で全期間ベース運用、ケース２：全期間の２/３を定格で運用、残り１/３の期間は最低負荷（30％）で運転、ケース３：全期間の１/３を定格で運用、残り２/３の期間は最低負荷（30％）で運転）

オーダーとなった。燃料種別で見てみると、MCFC の
稼働率変化で影響を受ける燃料種別は、おもに石油であることが分かる。LNG や石炭への影響はほとんどなく、
MCFC の導入は石油代替の役割を果たすことになる。

5-3-3

プラント環境性能の評価（3） 小型分散電源における環境性能と経済性

MCFC 発電設備の大きな特長である優れた環境保全

MCFC の初期導入形態と予想される小型分散電源の性に関しても、プラント単体としての環境特性、系統に

環境特性は、導入展開のための重要な指標になる。そこ

導入した場合の影響を検討した。また、小型分散電源とで現状では規制が緩やかな民生用を対象に経済性も含めして導入した場合の経済性も含めた環境特性についてもて検討した（16）。民生用コージェネレーションシステム

検討した。

からの環境への排出物に関しては、大都市圏の一般環境
大気濃度の５〜 7%程度を占めるとの報告があり、今後（1） 各種発電設備による CO2 排出原単位

設置台数が増加すればその影響度は大きくなってくるものと考えられる（17）。

これまで多方面で検討されてきた電気事業用としての集中電源のライフサイクルアセスメント（LCA）解析

民生のコージェネレーションの 75%は事務所、ホテル、

結果と比較した MCFC 発電プラントの CO2 排出原単位

店舗、病院の 4 業種が占めているが、これらの内、熱需MCFC分散（発電専用）
LNG火力（複合）
LNG火力（汽力）
石油火力（平均）
MCFC複合発電（石炭）石炭ガス化複合発電
超々臨界圧発電
石炭火力（在来）
原子力（BWR）
地熱
太陽光
風力

設備

0

200

400

600

800

CO2排出原単位（g−CO2/kWh）

図5-3-990

各種電源のCO2排出原単位比較

燃料

1000

1200

180

化石燃料消費量（百万kL）

160
140
120
100
80
60
40
20
0
分散ケース1 分散ケース2 分散ケース3

石油
LNG
石炭
MCFC

16.31
65.72
67.36
7.68

18.18
65.71
67.36
7.14

図5-3-10

20.84
65.71
67.36
6.14

LNG集中
ケース1
16.31
65.72
67.36
6.62

LNG中
ケース2
18.18
65.71
67.36
6.14

LNG集中
ケース3
20.84
65.72
67.36
5.32

石炭集中
ケース1
16.31
65.72
67.36
7.54

石炭集中
ケース2
18.18
65.71
67.36
6.17

石炭集中
ケース3
20.84
65.72
67.36
4.54

燃料別消費量の比較（ケース分けは図5-3-8と同様）

要の少ない用途ならびに多い用途の代表としてそれぞれ、

より投資回収年数は数%短縮できた。さらに、MCFC

事務所とホテルについて検討した。一例としてホテルに

設備コストが 20 万円/kW 程度まで安くなった時に、初MCFC を導入した場合と競合機種であるディーゼルエ

めて対抗機種（約 11 万円と仮定）と同等の投資回収年

ンジン（DE）を導入した場合の導入前後の環境影響物数を達成できることが分かった。ホテルにおける例を

質削減率を図 5-3-11 に比較して示す。ディーゼルエン

図 5-3-12 に示す。

ジン導入により、省エネルギー性は高まり CO2 排出量は

この他、近年 IT 関連産業の急速な伸びに伴って設置削減されるが、NOx、SOx は増大する結果となった。

が盛んになっているデータセンターについても、一定のこれに対して MCFC の導入では、全ての項目でディー

熱需要を有する点で最も MCFC に適した適用形態の一

ゼルエンジンに比較しても優位となることが明らかとなつとしてその環境性と経済性を検討しており、UPS 代った。

替として想定した場合、MCFC の費用が 80 万円/kW

また、導入後の投資回収年数に関して、環境排出物（電池交換費用１回分込み）と比較的高額であっても、の排出削減コストを反映させて経済性への影響を検討

充分なコスト削減効果が期待できることが明らかになっ。その結果排出物削減コストを加味することにている（16）。

6050
ディーゼルエンジン導入
MCFC導入

40
30
20

0

−10
−20
−30

省
エ
ギ ネ
ー
性
CO
2、
対
全
電
源
CO
2、
対
LN
G火
CO
力
2、
対
石
油
CO
火
2、
力
対
石
炭
火
力
NO
x、
対
全
電
源
NO
x、
対
火
力
SO
x、
対
全
電
源
SO
x、
対
火
力

10

ル

導入後の削減率（％）

した

（16）

−40

図5-3-11

発電設備導入に伴う環境性能の変化（ホテルにおける導入前後比較）

電中研レビュー No.51 ● 91

8ディーゼルエンジン（環境性考慮せず）
MCFC（環境性考慮せず）
MCFC（対全電源環境考慮）
MCFC（対火力電源環境考慮）

投資回収年数（年）

7
6
5
4
3
2
1
0
DEコスト
MCFCコスト

1440

図5-3-12

５−４

12.6
30

11.2
20

（万円/kW）

発電設備の投資回収年数（ホテルの場合）

実用化へのシナリオ
ンス体制によって、トラブルは軽微なものに限られてい5-4-1

初期導入市場の実態

る（2）。
10,000kW 以上の分野（3）では、工場内に設置する自家一般市場への普及に必要な価格レベルに導くまでの初用発電設備としてコージェネレーション設備の利用が多期導入期は非常に重要である。初期導入が予想される市

く、発生する蒸気を工場の生産プロセスに利用する例も

場は分散電源市場であるが、それらも、容量範囲によっ多い。エネルギー多消費産業では、コスト削減のために、て様々な特徴を有する。そこで、MCFC 実用化へのシ

電力の自給率を上げる事が基本的認識となっている。運

ナリオを検討するにあたり、まず市場実態についての調用はほとんどが 24 時間稼働であり、年間稼働率も高く、査を行った（1）〜（5）。

設備トラブルはほとんど無い。

1,000kW 規模以下の民生業務用発電市場（1）では、コー以上を踏まえ、MCFC の初期導入に当たっては、比ジェネレーション設備として導入が進んでおり、その目較的小規模のコージェネレーション設備の特徴を良く踏的は、主にエネルギーコストの削減にある。しかしそのまえた設備構成、性能目標の設定が重要となる。

中でも 500kW 級以下では、夜間停止の運転パターンが多く、運転管理のための担当者も少ない。このため、経5-4-2

導入の基本ステップ

済性の事後評価が十分になされていない場合が多い。熱利用についても熱が余っているからと言う消極的な理由

新規電源が新たに市場に導入されていくためには、が多い。これに対して 500 〜 1,000kW クラスの設備では、「既存電源を大きく上回る機能・性能と同等以下のコス

しっかりした運転体制とフラットな負荷パターンにより、

ト」、あるいは「同等の機能・性能と大幅な低コスト」

概ね計画に近い経済性が確保されている。しかし、設備のいずれかが要求される。MCFC では当面前者、発電のトラブルに対する改善要望は非常に強い。

効率の高さと優れた環境特性の実現を目指して開発を進

1,000 〜 10,000kW クラス（2）では、環境を意識した導めていくべきである。

入と、熱利用による積極的な経済性追求が特徴的である。

MCFC 導入シナリオとしてその基本的考え方を整理

また、ガスタービンも多用されている。業務用あるいはした。多くの新規発電設備と同様に、MCFC は導入初

産業用としてのコージェネレーションへの適用が多く、期の設備費が高い。一方で量産による設備費低減効果は、

稼働状況は全般的に良好であり、しっかりしたメンテナ

特に電池素子における大量生産による低減が非常に大き92いことが期待される。また、補機類（BOP）に関して器のコスト低減も重要である。比較的小容量の MW 級

も温度レベルが金属材料を適用できる領域にあることか

以下のシステムでは全体価格に占める BOP 費用の比率

ら既存の熱交換器などが適用でき、比較的低価格でシスが高くなるといわれている。さらにシステムの固定費だテムを構成できる。このようなことから、MCFC の導けでなく、運転費用の低減も重要であり、効率はもとよ

入は、その初期には設備費の高さをある程度補償できる

り、今後システム運用経験を積み重ねる事によって、保小容量電源としてニッチ市場からの導入が想定される。

守管理費は大きく改善されていくことが期待される。

その後、信頼性の向上や量産による設備費の低減と一般的市場への普及拡大によって、より規模の大きな事業用（2） 寿命目標の段階的設定も含めた電源としての普及が始まるものと期待される。

信頼性すなわち電池寿命の確保も導入初期には重要な

表 5-4-1 に想定される基本的な MCFC の導入ステッ

課題となる。燃料電池発電設備は一般には数年で電池部（2）プをまとめた 。初期導入は、所要費用の絶対額が少な分を交換しながら数十年間運用することが想定されていい自家用小型分散電源から進み、その性能の確認を経て、る。この場合、5-3-2 項（2）で示したように初期導入期

より大型の事業用電源へと展開することが想定される。

の MCFC 寿命は必ずしも当面の目標とされる数年であこのような過程にあって、MCFC は初期には既存分散る必要はなく、むしろ電池交換頻度を高めることによる電源を凌駕する機能・性能の実証、本格導入段階におい低価格化効果が期待できることも明らかになっている。

ては既存分散電源と同等あるいはそれ以下の価格、発展導入の進展に応じた段階的な性能目標の設定がむしろ重的導入段階にあっては大型事業用電源を上回る機能と価要であり、市場規模の拡大に伴って寿命を延伸していく格を実現させていく必要がある。

ことが望ましい。

5-4-3（3） 導入施策の充実

導入拡大への道筋

初期導入期における金融上の助成、税制上の助成、補（1） プラント建設費低減

助金、規制緩和などの優遇制度は、その後の燃料電池の一般市場に受け入れられるためには、効率の高さはも普及・展開に非常に重要な役割を果たす。米国では、気とより、将来的な建設費低減も見通しておく必要がある。

候変動プログラムの中で、燃料電池の設備容量に対して、

近年電気事業における規制緩和に伴って発電設備の価格

kW 当たり 1,000 ドルの補助金が出されている他、州毎低下が著しく、新型発電設備の目標価格は、より厳しいにも優遇措置が整備されている。欧州でもコージェネレ

ものとなっている。目標とする建設単価を実現するためーション（combined heat and power, CHP）システムには、スタック本体の部品点数の削減、材料使用量の削に対して発電電力量に応じて補助金が拠出されている。

減、軽量化、高出力化、量産化など、電池本体に関する我が国でも、既に同様の各種優遇措置が取られてはいる

一層のコスト低減が重要である。電池以外では BOP 機

ものの、さらに充実されることが望まれる。

表5-4-1
導入段階
主目標
想定導入分野想定される基本的なMCFCの導入ステップ

拡大段階
初期導入段階
基本信頼性検証
コスト低減・信頼性向上
ニッチ市場
小規模分散電源 中規模分散電源 自家発電用電源

普及段階
実用化
事業用電源

想定発電容量〜300kW級

数百kW級

数千kW級

想定燃料

特殊燃料を含む
あらゆる燃料

都市ガス
バイオガス
廃棄物ガス
特殊燃料

都市ガス
バイオガス
廃棄物ガス
特殊燃料

都市ガス
LNG

LNG
石炭

○
○

○
○
○
○
○
○
○

○
◎
○
○
○
○
○

◎

◎

◎
◎
○
○
◎

◎
◎
◎
◎
◎

重
要
視
さ
れ
る
項
目

発電効率
熱利用
環境影響度
運用性
信頼性
寿命
経済性

◎（基本信頼性）○

数千〜数万kW級 数万kW級以上

電中研レビュー No.51 ● 93

５−５

これからの研究展開

MCFC の電池本体技術に関しては、発電面積 1m 2 セない。

ルによって構成された 10kW 級スタックの初期性能とそ

MCFC 本体の製造に必要な材料は比較的安価な炭酸の長期安定性が、１万時間を越える発電試験によって実塩、ステンレス鋼、およびニッケル等であり、また製造証されている。MCFC の基本構造や主な材料仕様はほ技術も極めて大量生産に適する方法であるので、MCFC

ぼ決定され、電池の製造技術についても、電解質や電極の製造コストを予想以上に低減できる潜在的可能性は高に対するテープ成形法、電極の還元雰囲気連続焼成法、い。現状の製造工程を分析し、コスト増となる工程の見およびセパレータ板製造に対する大型精密プレス法や連直しと改善、および製造歩留まりの向上が必要である。

続自動溶接等、今後の大量生産に適する製造方法が開発

またコストを低減できる電池構造の追及が今後一層重要され、既に電池の製造に採用されている。すなわち、になる。特に、電池製造メーカの考え方の切り替えが必MCFC に関しては基本的技術課題をほぼ解決したと判要であり、最も生産性向上が進んでいる家電メーカや自断できる。しかし、基本的な技術開発の成功と、その技

動車メーカの経験を学び、今後は徹底した生産性向上に術を広く社会に普及する商用化とは一般に大きな隔たり対する研究と実践が必要になる。

がある。MCFC は基本的な技術開発に成功したが、商品質管理・保証等による MCFC 品質向上は生産性向用化して広く社会に技術を普及させるためには、これま

上と共に、MCFC の商用化では重要である。最近の研で以上の努力が必要である。目前の商用化に対する比較

究開発の結果、MCFC の品質は以前よりかなり安定し的短期の課題、および広く普及するための比較的長期のたものを製造できるようになったが、まだ商用化段階と課題を纏めると、以下のようになる。

言えるレベルではない。まして、品質向上と生産性向上

・電池生産工場における品質・生産性向上による徹底しの両立は今後の課題であり、将来の MCFC の普及を左た電池本体製造コスト低減

右する最も重要な問題である。

・他の競合技術に対抗できる MCFC 発電の新たな機能創出
・超長期の電池性能安定性等、技術成熟による一層の性
能向上

2 MCFC 発電の新たな機能創出○

MCFC 発電は従来、高効率発電、環境保全性、および使用燃料の多様性等を主な特徴・優位性として掲げ、電池本体の開発を中心にして、システム設計とシステム

1 MCFC 本体の品質・生産性向上○

構成に必要な改質器やターボチャージャー等の補機類のMCFC 本体の製造コストは、製造機械の償却費等に開発、石炭ガスや廃棄物ガスに対する適用性の研究が進対応する固定費、および材料購入費等に対応する変動費

められてきた。当面の計画では、MCFC の燃料多様性に区別できるが、MCFC の生産量が少ない場合には変の特徴を生かし、中部電力（株）やトヨタ自動車（株）が動費に比較して固定費が著しく高いことが大きな特徴で2005 年に開催予定の愛知万国博覧会で生ごみ発電や廃ある。したがって、MCFC 本体の製造コストについて

棄物発電を実証しようとしており、その後、中部臨空都

は大量生産による低減効果は極めて大きく、現状の製造

市国際交流特区の常滑市で空港の生ゴミなどを使いなが技術の踏襲によって、MCFC の経済性は充分に成立す

ら発電を継続することも予定されている。高効率発電、ると考えられてきた。しかし、最近の発電機器の価格低

環境保全性、および燃料多様性は MCFC 発電の大きな下は予測を上回っており、例えば、発電用大型ガスター

特徴・優位性であるが、MCFC の利点はこれらに留ま

ビンの本体価格は約３万円/kW であり、さらに低下す

らない。MCFC 本体の開発に見通しが見えた現段階でる傾向が窺える。すなわち、MCFC 本体の製造コスは、初期導入を促進するため、MCFC の利点を最大限

ト・価格を従来の重電機器価格の常識の範囲内と想定しに発揮させ、MCFC の市場を拡大する必要がある。

ていては、将来広く社会に普及できるとは到底考えられ94

これまでの研究の結果、MCFC 発電には炭酸ガスの濃縮機能、カソードにおける NO X の分解機能、アノー

MCFC 発電における負荷変化時の動特性等に関して

ド排ガスによる淡水の製造機能、良好な部分負荷効率、は基礎研究が開始されたばかりであるが、今後、理想的および迅速な負荷追従機能等を有することが指摘されてな MCFC の分散電源を実現するために、新たな視点にいる。

基づく本格的な研究開発が必要である。

これらの利点のうち、炭酸ガスの濃縮機能（コラム５参照）に着目した試験が計画されている。また、NOxの分析機能については 4-2-2 項（1）に示した。

3 技術成熟による一層の性能向上○

当面の目標である寿命 5 年の技術的見通しは達成でき

水素や炭化水素系燃料が燃焼すると、必ず水が発生すたので、MCFC の大量普及に備え、今後は寿命を 10るが、従来の発電システムでは、燃料に大量の空気を混

年に倍増することを目指すべきである。そのためには、合するため、排ガスから水を抽出することは現実的でな

また基礎研究に立ち戻る必要がある。

かった。しかし、MCFC 発電ではアノード排ガスの水

電池電圧を向上させ安定に維持するためには、電極構分濃度が極めて高いため、アノード排ガスから容易に淡造が最も重要な役割を果たしており、電解質の占有状態

水を抽出することができる。淡水の製造機能は離島や乾との関連性について、運転条件と電極/電解質の濡れ性

燥・砂漠地帯に発電所を立地する場合、極めて好都合でを考慮した電極設計技術を高度化しなければならない。

あり、役立つ。

この設計においては電池寿命の観点からも、占有電解質

MCFC 発電のシステム設計は、従来、主に定格運転

量の経時変化に対応して高電圧を維持できる電極製造技

時の性能に注目して研究が行われてきた。最近になり、術が必要である。さらに、今後多様な燃料に適用させつようやく部分負荷時の効率に着目した変圧運転システム

つ MCFC プラントを普及させて行くに当たっては、燃の研究が開始されている。また、これまでの多くの単セ料ガス組成や酸化剤ガス組成の違いによらず十分な寿命

ルやスタック試験の経験から、MCFC の負荷追従速度が確保できるように、電解質との濡れ性と電極ミクロ構が極めて速いことが認識され、MCFC の非定常挙動に造の適切なマッチングを図る必要がある。

着目した基礎研究が実施され始めている。さらに、国の電池寿命を倍増させるには、寿命に影響を与える要因

プロジェクトで 300kW の発電システムが開発されていである電解質損失の低減とニッケル短絡抑制（発生時間

るが、この 300kW 発電システムの運転経験では、電池の遅延）がさらに重要である。電解質損失は、電極内部

本体を溶融塩の凝固温度約 500 ℃以下に降温しなければでの電解質分布の経時的変化を意味し、反応抵抗の増大

ならない場合は極めて少なく、MCFC が発電しない場をもたらすほか、電極と電解質板と接するマクロポアが合であっても、MCFC 本体や改質器は運用期間中ほと電解質で満たされなくなり接触抵抗（内部抵抗）の増大

んどが 500 ℃以上のいわゆる暖機待機状態に維持されるにつながる。また、腐食生成物による内部抵抗の増大もことが理解され始めている。MCFC 本体を常温から炭懸念される。電解質損失は、主に金属部材の腐食に伴っ

酸塩溶融温度約 500 ℃に上昇させるためには、かなりのて電解質が反応・消耗することに起因しており、高温腐

長時間を必要とするが、炭酸塩が既に溶融状態であれば、食をさらに抑制する技術や電気抵抗の小さい腐食生成物

MCFC の起動はかなり短時間で可能である。

に着目した技術開発が必要である。

すなわち、MCFC 発電では、起動時間が短く、負荷

ニッケル短絡は電解質への電極材料の溶解と電解質マ追従速度が極めて速く、さらに部分負荷効率が高いシス

トリックス内での析出の両面から、さらに幅広く検討さテム構成が可能と考えられる。このような特徴を有するれるべき課題であり、電解質への溶出を現状よりさらに電源は需要地サイドの分散電源として理想的であり、例低減できる新規カソード材料の開発、溶解度を低減する

えば、風力や太陽光発電との結合による極めて省エネル

新規電解質組成や添加物、析出を抑制する電解質マトリギー効果の高い分散電源の出現、あるいは、送配電系統

ックス構造の開発をさらに進めていくべきである。

の安定性に役立つ分散電源等、従来型の分散電源の欠点

これらの基礎研究は、MCFC の普及拡大を支える重を回避・補完することができるので、分散電源の導入量要な技術であり、プラント製造法や運転法の開発に並行を大幅に拡大することが可能になる。

して引き続き着実に継続して行かなければならない。

電中研レビュー No.51 ● 95

コラム６： MCFC 研究の草創期と実用化への期待
MCFC に着想したのは、石油代替エネルギーと証と運転研究が行われた。世界初となる 1,000kW

して石炭ガス化発電の基礎研究が米国・欧州で開級出力の達成と約 5,000 時間に及ぶ運転実績を挙げ始されたことによる。石炭ガス化発電は環境面でた際には、MCFC 開発に係わってきた一人として優れているが、石炭直焚発電に比べて発電効率が格段の感激を覚えたものである。

大幅に低下するためガスタービンと組合せる複合

これらの結果を受けて、引き続き早期実用化を発電とする必要があり、これがためには石炭ガス図るための国の研究開発が進められており、民間のクリーンアップが不可欠となる。このクリーンにおいても中部電力（株）、トヨタ自動車（株）などで実アップ方式としては水洗方式が一般的であったが、証研究が行われている。これらの有効な成果が一

これによる石炭ガス化複合発電の発電効率は、そ

日も早く世間に認められ、市場が広がることを期の当時のガスタービンの効率が 30 ％程度であった待している。

ため石炭直焚発電と同等あるいは同等以下しか望一方、国外でも MCFC の早期実用化の研究が展めなかった。この問題解決のためには、高温の乾開されており、既に内部改質型 MCFC のフィール式クリーンアップ方式を開発するか、ガスタービ

ドテストが開始されつつある。我が国でもかつてンを遙かに上回る発電効率を持つ新しい発電方式

関西電力／三菱電機が開発を進め、長期実証試験を開発する必要があった。そこで、発電効率 50 ％にも成功した実績がある。特に、分散型電源用と以上の期待が持て、各種ガスが燃料として使用可

しての利用に魅力を有しており、その実用化の可能な MCFC の調査・研究に着手することとした。

能性も十分に感じられたものである。

MCFC は、1920 年頃ドイツにおいて研究が行わ

さて、MCFC を早期に市場に導入するには、どれたが、電解質の漏れ、電極の腐食などの問題がのような方策が考えられるであろうか。最も重要解決されず研究は中止されていた。当研究所が基な経済性については、高コストに繋がる特殊な材

礎研究段階から研究を開始したのは 1980 年代初め

料・製造技術は見当たらないので今後のコスト低のことである。当時、基礎研究は、工業技術院大

減努力に大いに期待するとして、その他の課題に阪工業技術試験所（現（独）産業技術総合研究所関西

ついて考えてみたい。

センター）ほか各重電メーカーの研究所で開始さ

先ず市場導入を急ぐとすれば、燃料は天然ガスれていた。そこで各機関と個別に共同研究契約を利用に限定して開発を進めるべきと考える。次に結び、当研究所の研究員が各研究所に出向き、電他の燃料電池と MCFC の違いをもっと強調すべき

極面積５㎝角程度の単電池段階から試作・試験し、1 発電専用機としてである。すなわち MCFC は、○開発研究をスタートさせた。その後、電極面積を50 ％以上の発電効率が期待でき、排熱利用面での徐々に拡大し、電極面積 30 ㎝角の単電池を 10 枚積

2 中小容量分散電源として任意の容制約がない。○

層した１ kW の MCFC を製作できる段階となり、

3 負荷変動特量選択が可能で立地的制約がない。○

当研究所横須賀研究所構内に１ kW 級電池試験装置

性など利便性や環境性に優れている。

を設置し、各種試験を実施し発電用としての利用

そして、性能向上などの研究開発の重要性を十に自信を持てたのである。この結果が、60 ㎝角単分に認識しつつも、それ以上にフィールドテスト

電池による 10kW 級スタックの要素技術開発などをを積極的に進め、電源としての優位性と既に実用経て、1,000 級発電プラントの実現に向けたムーン

段階にきていることについて、社会で確固たる認

ライト計画での実用化試験に繋がることとなった。

知を得る努力をすべきと考える。

また、PAFC の経験から、プラント構成要素の我が国で、MCFC 研究を発想し中核を担って先基礎研究が重要であるとの認識のもと、電池本体

導的に研究を推進してきたのは当研究所である。

以外の周辺機器の研究開発を基礎的段階から行う

この優れた研究を支える研究者の健闘に期待する

ため、MCFC 発電システム技術研究組合の設立がところ大である。

促されたことも忘れてはならない。1999 年から（電力中央研究所

2000 年にかけては、中部電力川越火力発電所構内の MCFC 研究組合川越発電試験所でプラントの実

96

名誉特別顧問、前専務理事

上之薗

博）

付 録
もうひとつの高温型
燃料電池―SOFC―

固体酸化物形燃料電池（SOFC）はMCFCより高温の700〜1,000℃で動作する燃料電池で、国のプロジェクトでも開発が進められている。電池構造、材料、運転温度などについて様々なバリエーションが提案されており、MCFCより高効率となる可能性がある。当研究所では、1,000℃動作、オールセラミックス製で、低コスト化が期待できる、独自の電極支持型SOFCを開発中である。これはこれまで蓄積してきた材料技術に基づくものであり、先頃のセラミックスインターコネクタの開発によって大きく進展し、小型のスタック試験にまで至っている。今後、大型化を進めていく予定で
ある。

付録

もうひとつの高温型燃料電池− SOFC ● 目

横須賀研究所次

エネルギー材料部

主任研究員

山本

融

エネルギー機械部

主任研究員

森

則之

エネルギー材料部

主任研究員

伊藤

響

付−１

SOFC の特徴と位置づけ ………………………………………………………………………………………………… 99

付−２

基盤技術への取り組み ……………………………………………………………………………………………………104

山本融（1993 年入所）
これまで、SOFC に関する研究に携わり、電池を構成する材料の開発と材料の劣化メカ
ニズムの解明に取り組んできた。今後は、SOFC 発電技術の実用化に向け、電池の運転評価技術ならびに性能評価手法の開発に取り組んで行きたい。
（付-1-1、付-1-2 執筆）伊藤響（1990 年入所）
これまで SOFC 関連研究では、製造コスト
試算、燃料極材料の長期安定性向上を中心とする構成材料の研究、ならびに材料面からのスタック化技術開発に取り組んできた。今後
は、当研究所が提案する燃料極支持形 SOFCの実現を目指し、引き続きスタック化技術の開発に取り組んで行きたい。
（付-2 執筆）

98

森 則之（1987 年入所）
高温ガスタービン用セラミック燃焼器、セラミック静翼、SOFC セル・スタックなどの開発、SOFC 発電システムの性能解析に関する研究を行ってきた。現在、ガスタービンのモニタリング技術に関する研究を行っており、その成果の実用化を目指す。
（付-1-3 執筆）

付録−１

SOFC の特徴と位置づけことから、高温動作が可能な多様な電池形状をとるこ付-1-1とができる。

SOFC の特徴

2 高温動作が可能なことから、高出力密度と高い発電○効率が期待できる。

SOFC は、セラミックスの電解質を使用し、燃料電池の中では最も高い温度領域（700 〜 1000 ℃）で作動する

3 電池反応が容易に進行することから、貴金属を使っ○ことから、高効率な発電システムの構築が期待されていた触媒電極が不要になるとともに、内部改質が可能なる。SOFC は、セルスタック構造の違いから、平板構造ことから、水素以外にも、天然ガス、石炭ガスなどもと円筒構造に大別されるが、基本的にはアノード（以降、直接燃料にできる。

燃料極）、カソード（以降、空気極）、および電解質から4 電解質をはじめとする材料が固体であるため、腐食○なるセラミックス製の単電池（単セル）が、インタコネや電解質の散逸が無く、長期間安定した運転が可能とクタ（MCFC のセパレータに対応する。SOFC では、こなる。

のように呼ばれることが多い）を介した連結構造を有す

5 高温排熱を改質反応やガスタービンの駆動にも有効○る。
（付図 1-1）に使えるため、高い発電効率のコージェネレーション

SOFC の作動温度は、一般に電解質の種類と形状によシステムやコンバインドシステムの構築が可能となる。

って決まる。現在、技術的な成熟度が高く一般的に用い

1 、○
4 の特
これらのうち、固体であることに起因する○られているイットリア安定化ジルコニア（YSZ）の場合、徴は MCFC には無いものであり、MCFC では構成材料

作動温度は 1000 ℃である。その特徴を以下にまとめる。

やスタック構造などのコンセプトが確立されているのに

1 セラミックスを用いた全固体での電池構成が可能な○

対し、SOFC では、その構成材料、電池構造などについ

燃料ガス
燃料

空気
単位セル
接続部材

空気極
電解質

燃料極

終端部材

空気
電解質
（ジルコニア）シール・マニホールド部材

インターコネクタ
燃料極支持基板

空気極基体管1○
縦縞円筒型SOFC（東陶機器）
多孔質の円筒管上に単電池が一個形成されている

発
電
部

3
○
電極支持型SOFC（当研究所）
多孔質電極基板上に単電池とインターコネクタが形成されている

空気
発電膜
燃料
空気極
電解質
燃料極
基体管

インターコネクタ

インターコネクタ
O2
H2

燃料
シール剤

空気

2
○
横縞円筒型SOFC（三菱重工／電源開発）
多孔質の円筒管上に単電池が複数個形成されている

4
一体焼結型SOFC（三菱重工／中部電力）○
立体形状の単電池とインターコネクタにより形成されている（a） 円筒型（b） 平板型

付図1-1

SOFCの種類と特徴（産業技術総合研究所のホームページなどより）

電中研レビュー No.51 ● 99

て様々な方式が試みられている。SOFC はこれまでの国

kW 〜数 10kW クラスの小型定置用 SOFC の研究開発を

内外の研究開発により、電池本体の技術完成度は着実に中心とした流れがある。カナダの Global Thermoelectric

高まっており、高発電効率システムとしての早期の実用社や、ドイツの Sulzer Hexis 社などは、急速に家庭用や化が期待されている。

小型定置用の平板型 SOFC の研究開発を進めている。これらの電池は、電解質の基板上に空気極と燃料極を形成した自立膜（電解質支持）平板型電池と、ガス流路を加付-1-2 外部機関の動向

工した金属製のインターコネクタから構成されている。
SOFC の開発では、米国の Westinghouse Electric 社

米国では、SECA（Solid State Energy Conversion（現 Siemens Westinghouse Power 社, SWP 社）が 20 年

Alliance）プログラムと称して、様々な用途に適用可能

以上にわたり、定置用としての開発を中心に世界をリーな小型スタックを開発し、大量生産による低コスト化をドしてきた。SWP 社は、円筒軸方向にインタコネクタ

図ることを目的に、国家的規模で研究開発を進めている。

を配置した縦縞型と称される円筒型 SOFC の開発を進め

SWP 社は、商用化を目的に小型定置用では Fuel Cellている。SWP 社は、1997 年に日本で東京ガスと大阪ガTechnology 社と、運輸分野では Ford 社とともに SOFCスと共同で実施した 25kW 級常圧型モジュールの発電試の高出力・低コスト化を目指している。

験の後、1997 〜 2000 年には、オランダにおいて、我が国においては、1981 年度からムーンライト計画

100kW 級常圧型のコージェネレーションシステムの実にとりあげられて、研究開発が進められている。1989

証試験を実施している。その後、このシステムは、ドイ

年度からは、NEDO の研究開発計画として数 100W 級のツに移設され、２万時間以上の累積運転時間を達成した。

電池本体の研究開発が行われ（ I 期）、その後 1992 年度

また、2000 年には、米国内において、世界で初めてとから 2000 年度まで、燃料電池本体のコスト低減と信頼なる 200kW 級加圧型 SOFC とマイクロガスタービンの性確立に重点を置いた開発が行われてきた（第 II 期）。

ハイブリットシステムの実証運転に成功している。現在

この中で、東陶機器（株）、新日本製鐵（株）、九州電力（株）

は、加圧型 SOFC マイクロガスタービンハイブリットシ

は、共同で、SWP 社と同様の円筒型 SOFC の開発を実

ステムの商用化に向けた開発研究を進めている。

施してきた。また、三菱重工業（株）と中部電力（株）は、当初、SOFC の開発は、定置用の電力会社向けを想定

共同で開発を進めている平板型（MOLB Mono Block

して始まったが、現在では様々な用途への適用拡大も指Layer Built 型）SOFC スタックによる熱サイクル試験

向されている（付表 1-1）。ここ数年、世界的には、数や負荷追従性の検討を進めた。当研究所も低コスト化の機 関 名
中部電力＋三菱重工業

各開発機関のSOFC開発状況

目標時期
2005

2004年まで50kW級システムの評価

開

発

状

関西電力＋三菱マテリアル

2007

2006年まで数kW低温作動型システムの開発

電源開発＋三菱重工業

2006

円筒横縞型100kW天然ガス利用システム

JFEエンジニアリング

況Fuel Cell Technology社製Flat-plateセルまたはSWP社製縦縞円筒形利用、
2004〜2005
数kW〜MW級までをラインアップ、（試験用販売）５kW級で300kg、170×70×60cm程度

東陶機器

2004

NEDOプロでの10kW級システム、
NEDO以外でマイクロチューブ型を開発

京セラ

2003

電極支持型による家庭用システム

東邦ガス

2005

スカンジア安定化ジルコニア電解質の単セルを用いた商品化を大手電機と共同開発

2001以降電極支持型単セル＋金属セパレータ使用950℃作動、電気１kW＋温水３kW
家庭用システム

Siemens Westinghouse
Power社（独、米）2004

縦縞円筒型構造、250kW〜１MW級SOFC＋MGT加圧ハイブリッドシステム
実用化、2010年までに低コスト化

Delphi社（米）（＋BMW）

2006〜2010

Global Thermoelectric社

2007

低温作動電極支持型、Delphi社にスタック供給

Acumentrics社（＋住友商事）

2004

円筒マイクロチューブ形、家庭・飲食店、通信事業用１〜250kW級システム

Rolls & Royce2007

電極支持型で１MWSOFC＋MGT

Sulzer Hexis社

100

付表1-1

商用・軍用車載用補助電源、固定用電源
５kW級で70kg/44L

観点から、安価な粗製ランタンを用いた電池構成の可能

925℃

925℃

性の検討を実施した。
インバータ

SOFC

この成果を基に 2001 年度から４年間の計画で、東陶

1080℃

1080℃

839℃

735℃

電池運転圧力：大気圧
蒸気/炭素
モル比

機器が円筒型を、三菱重工業（株）と中部電力（株）が平板型スタックを用いて、実用システムに適用できる高信頼

600℃

性、拡張性および経済性を有する熱自立モジュール（10数 kW 級）の開発が進められている（第 III 期）。また本

986℃

計画では、SOFC の使用範囲の拡張を目指した適用性拡

179℃

電池入口温度：925℃

燃焼器
1057℃

600℃
空気ブロワー（dP=0.03MPa）

電流密度：0.3A/cm2

燃料利用率

：75％

空気利用率

：34.7％

セル電圧

：0.7V

空気15℃

578℃

飽和蒸気（0.9MPa）
温水85℃（0.9MPa）

大に関する要素研究も、三菱重工業（株）ならびに東京ガス（株）によって行われている。さらに NEDO は 2004 年

275℃

度から、新たに市場導入を念頭においた各種 SOFC シス

269℃

燃料
15℃
水
15℃

テム開発と、フィールド試験を含めた SOFC 性能評価技

100℃術の開発を実施する予定である。

排気SOFC の実用化に向けた課題としては、材料開発も含（効率は高位発熱量HHV 基準）

めての電池性能の向上、分散電源用途に適用可能なセル

システム総合効率（電力＋熱回収）

スタックの大出力化、それらを低コスト・高信頼性をもっ電力て実現可能な基本システム構成の検討などが挙げられる。

SOFC 発電システム

付図1-2

68.7％
41.5％

SOFC出力分（AC）

43.7％

ブロワー動力

−2.2％

熱回収

付-1-3

：2.5

27.2％

熱併給を行う内部改質型常圧作動SOFC発電
システムの例（天然ガス燃料）

SOFC 発電システムは、MCFC と同様に多様な燃料を利用でき、また電池からの高温排ガスを用いての複合発

効率は 40%程度となった。また回収できる熱量は約 30%電や熱併給が行えるので、様々なシステム構成が提案さであり、総合効率は約 70%との結果が得られた。

れている。ここでは、天然ガスを利用して、高温排ガス

付図 1-2 のシステムでは、SOFC の運転条件である電で複合発電を行う場合と、熱併給を行う場合の各システ

池入口温度、燃料利用率、電流密度を変化させることで、

ム、ならびに石炭ガスを利用する場合のシステムを例示

電気出力および熱回収にかかわる効率が変化する。そのしながら、SOFC 発電システムの特徴を紹介する。

検討結果を、付図 1-3 に示す（2）。熱併給を行う SOFC シ
ステムの発電効率は最大 50 ％程度まで見込めることが（1） 常圧熱併給システム

わかる。このように SOFC では、既存の発電装置よりも、高い発電効率を維持しつつ、さまざまな熱回収率でシスまず、当面の導入形態と考えられる常圧システムとして、熱を併給するシステムを、付図 1-2 に例示する（1）。

テムを構築できる可能性がある。

付図 1-2 は、天然ガスを電池内部で改質する常圧作動のSOFC を用いて、0.9MPa の飽和蒸気を発生するシステ（2） 内部改質型加圧発電システム

ムである。熱回収量は回収を行う媒体温度により変化し、次に、より高効率発電を目指した将来型のシステムと媒体を蒸気とするよりも温水とした方が熱回収量を多くして、天然ガスを燃料とし、SOFC と膨張タービンで発できる。しかしながら、高温の媒体ほど熱としての利用電を行うシステムの構成例、ならびにシステム性能の解価値は高くなるので、ここでは二重効用吸収式冷凍機が析結果を付図 1-4 に示す（1）。このシステムでは、電池内駆動できる条件、すなわち冷房需要にも対応できる熱回部で天然ガスを改質し、加圧で運転できる SOFC を想定

収条件で性能解析を行っている。

している。性能解析では構成、運転条件などの最適化がこのシステムでは、電池の電気出力が加圧時よりも低下し、空気供給にブロワ−動力が必要であるため、発電図られていないが、約 60 ％のシステム効率を期待できるとの結果が得られている。

電中研レビュー No.51 ● 101

：付図1-2のシステム性能

40
ガスエンジン

熱回収率（％）

SOFC
30

燃料利用率

：75％〜90％

電池入口ガス温度：900℃〜950℃：0.15〜0.45A/cm2

電流密度

20

10
ディゼルエンジン
0
30

35

40

45

50

55

60

発電効率（％）

付図1-3（3）
熱併給を行うSOFC発電システムの性能（2）とで電池冷却の効果が期待できること、が理由である。

925℃
925℃
（0.98MPa） （0.98MPa）

SOFC

インバータ

1081℃

1081℃

771℃

612℃

（3） 外部改質型加圧発電システム
電池運転圧力：0.98MPa

500℃

蒸気/炭素
モル比

燃焼器
1065℃

500℃

1000℃
324℃（1.02MPa）

883℃
200℃ （0.96MPa）：2.5

電池入口温度：925℃
電流密度：0.3A/cm2

燃料利用率

：75％

空気利用率

：51％

セル電圧

：0.759V

外部改質を行った場合のシステムを付図 1-5 に示す （3）。
付図 1-5 には、燃料供給、SOFC の出入口ガス温度などの条件を付図 1-4 と同一とし、解析を行った結果も示す。
外部改質を行うシステムでは、内部改質の場合よりも電

発電機

膨脹
タービン
486℃

圧縮機

池冷却に大量の空気が必要となるため、空気供給にかか

空気15℃（0.10MPa）

わる圧縮機での消費動力が増え、かつ膨張タ−ビン入口

燃料15℃（1.03MPa）

474℃

でのガス温度が著しく低下する。このため圧縮機動力を差し引いた膨張タ−ビンからの電気出力は著しく低下し、

256℃
排気

ひいてはシステム全体の効率を引き下げることになる。

水
15℃（1.03MPa）

もし、付図 1-5 でカソ−ドガスのリサイクルを行えば、（効率は高位発熱量HHV 基準）

付図1-4

システムにおよぼす内部改質の効果を例示するため、システム効率（SOFC＋膨脹タービン）

60.9％

SOFC出力（AC）

48.3％

膨脹タービン出力（圧縮機動力は差し引く）

12.6％

内部改質型加圧作動SOFC発電システムの例（天然ガス燃料）

また、図から分かるように、MCFC 発電システムと外部から供給する空気流量を大幅に減らすことができ、内部改質の場合とほぼ同じシステム効率が得られる。しかし、システム構成機器は増えることとなる。以上から、SOFC では、膨張タ−ビンと組合せ、かつ電池内部で燃料改質を行うことにより、高効率のシステムを比較的単純な構成で構築できることがわかる。

（4） 石炭ガス化複合発電システム

異なり、SOFC では電池からの排気ガスをリサイクルす

最後に、石炭ガスを燃料とする SOFC 発電システムのる必要がない。それは、電解質中の電荷移動体となる酸

性能解析結果を紹介する。石炭ガスを燃料とする場合に素を大気から供給でき電池排ガスを再利用する必要がな

は天然ガスと異なり、燃料改質が不要となるので、内部

いこと、SOFC の作動温度（900 〜 1,000 ℃）は、燃料改改質による電池冷却ができない。したがって、外部から質に適した温度であり電池内部で直接燃料を改質するこの流入空気量を減らしてシステム効率を高めるために、

102

付表1-2925℃（0.98MPa）925℃（0.98MPa）

石炭供給方法

微粉炭
空気搬送

微粉炭
窒素搬送

ガス化剤

空気

酸素

ガス精製方式

乾式

湿式

発電端効率（HHV基準）
（％）

58.6

60.3

送電端効率（HHV基準）
（％）

53.4

53.2

インバータ

SOFC
1077℃

1077℃

978℃

687℃

電池運転圧力：0.98MPa
800℃

蒸気/炭素
モル比

燃焼器

改質器
684℃
530℃
（0.94MPa）
200℃
膨脹
タービン
232℃

：2.5

電池入口温度：925℃

500℃

324℃（1.02MPa）

電流密度：0.3A/cm2

燃料利用率

：75％

空気利用率

：15％

セル電圧

：0.765V

出
力
︵
％
︶

発電機

圧縮機
空気
15℃
（0.10MPa）

227℃

石炭ガスを燃料とするSOFC発電システムの
性能

SOFC

28.1

27.8

ガスタービン

13.9

17.2

蒸気タービン

16.6

15.3

所内動力

−5.2

−7.1

SOFC、ガスタービン、蒸気タービンから得られる。表146℃
排気 水 燃料
15℃ 15℃（1.16MPa）（1.16MPa）

では微粉炭を酸素でガス化し、湿式でガス生成した場合の性能もあげているが、いずれのシステムでも 50%を越（効率は高位発熱量HHV 基準）

える送電端効率が期待できる。

システム効率（SOFC＋膨脹タービン）

53.4％

SOFC出力（AC）

48.7％

膨脹タービン出力（圧縮機動力は差し引く）

4.7％

以上、SOFC 発電システムの可能性について紹介した。
SOFC 発電システムを実現するためには、電池以外に燃

付図1-5

料、空気を電池入口温度まで予熱する高温熱交換器が不外部改質型加圧作動SOFC発電システムの例（天然ガス燃料）可欠となる。数百 kW 級の SOFC 発電システムを実証した SWP 社では、セルが円筒形状であることを活かし、カソードガスのリサイクルによる電池冷却が必要となる。

高温熱交換器を電池と一体構造とすることで、この問題

石炭ガス利用のシステム構成例を付図 1-6 に、性能解析に対処している。一方、セルが平板形状の SOFC では、（4）の結果を付表 1-2 に示す。図は微粉炭を空気でガス化し、生成したガスを、高温ガス精製（乾式）システムで別途高温熱交換器を設備する必要があるため、SOFC 本体とともに高温熱交換器の開発が必須と考えられる。

脱じん、脱硫するシステムである。また、発電出力は、0.1MPa
729℃

大気圧
110℃
HRSG

排気

1.0MPa
1225℃

大気圧
15℃
空気
ガスタービン

1.0MPa1077℃

蒸気タービン
蒸気

微粉炭

ガス化炉

1.0MPa480℃

燃焼器

1.0MPa1077℃

1.1MPa500℃
乾式脱硫装置石
炭ガス

電池運転圧力：1.0MPa
電池動作温度：1000℃
燃 料 利 用 率：75％
空 気 利 用 率：50％
セ ル 電 圧：0.725V

SOFC

脱じん装置

1.5MPa
132℃
空気昇圧機

付図1-6

冷却器

1.0MPa925℃

1.0MPa925℃

石炭ガスを燃料とするSOFC発電システムの例

電中研レビュー No.51 ● 103付録−２

基盤技術への取り組み
や出力密度の向上が低コスト化に必要であるとの指針を

本節では、当研究所が開発を進めている燃料極支持型得ている（1）。

SOFC に関連するこれまでの研究成果ならびに試作スタッ

以上より、当研究所では、SOFC 用セル材料の研究にクの発電試験結果について紹介する。

重点を置きながら、セラミックス湿式法等の低コスト製造法の適用が容易で、比較的高い出力密度が得られると付-２-１ SOFC 研究開発の目標考えられた電解質支持型平板 SOFC のスタック化技術の開発に着手した。

当研究所では、1988 年に SOFC 発電に関する調査を実施し、高効率発電システムへの SOFC の適用とその実1 高温（1,000 ℃）作動、○
2 全セラミックス製、現には、○

付-２-２ セルの高性能化技術

3 低コスト製造技術の確立、を満足する必要があると結○論づけ、当研究所における SOFC の開発目標とした。

SOFC 単セルの高性能化は、セル材料、セル構造、作第一の目標である高温作動は、電解質が良好な導電性

製方法に関する最適化を進め、これらのベストミックス

を示す温度であることと、より高効率な発電システムのによってはじめて達成できる。

構築には有効利用できる排熱が高温の方が有利であると（3）（1） 燃料極ミクロ構造の改良（2）の考えに基づいている。そして、この作動条件を満足す
るには、金属よりも耐熱性に優れたセラミックス系材料研究開発の初期段階における解決すべき最大の課題は、を適用していくという使用材料上の制約が加わって、第十数時間で発電が不可能な状態にまでなる性能低下現象

二の目標となった。また、当研究所が SOFC の研究開発であった。特に、単セルに流れる電流を大きくすると、に着手した当時、SOFC 発電の実現性を示した米国

この性能低下は顕著に現れた。そこで、各電極について、Westinghouse Electric 社（当時）製３ kW 級スタック

カレント・インターラプション法を用いた発電時におけや旧電子技術総合研究所製 0.5 kW 級スタック等は、製る電極特性の解析と発電前後における各電極のミクロ構造コストが極めて高く、SOFC の実用化には少なくとも造変化の顕微鏡観察を実施した。その結果、空気極には製造コストを大幅に低減することが課題になっていた。

問題がなく、燃料極の劣化が原因であることが分かった。

そこで、SOFC 発電の実用化に必要と考えられた低コス

この劣化は、燃料極材料に用いるニッケル（Ni）粒子

ト化を第三の開発目標に加えることとした。当研究所での熱凝集による材料全体の緻密化と電流パス切断の進行は、SOFC の製造コストに関しては、２種類の構造のが原因である。そこで、これらの現象を抑制するために、

SOFC を三つの製造方法で量産した場合の各種費用

燃料極に用いる YSZ 粒子を従来の微細な粉末粒子から（原・材料費、設備費、光熱費、労務費等）を試算して、粗・微二種類の YSZ 粉末粒子に変更し、付図 2-1 に示

低コスト製法を明らかにするとともに、原材料費の削減

すような概念のミクロ構造を提案した。このミクロ構造

粗YSZ粒子；YSZ電解質との熱的挙動の整合性
収縮とNi粒子の凝集防止
気孔の形成と維持

微YSZ粒子；YSZ粗粒子間の密着性向上
収縮率の制御Ni粒子の分散と凝集防止
Ni粒子；電極反応場と電流パスの形成

付図2-1

104

当研究所が開発した燃料極のミクロ構造概念

では、粗・微 YSZ 粒子によって燃料極の骨格を形成し、インターコネクタ

特に粗 YSZ 粒子間に出来る粒間細隙に Ni 粒子と気孔を燃料極基板分散させて、連続的なつながりを維持している。また、

電解質

微 YSZ 粒子は、粗 YSZ 粒子同士の接着性や燃料極と電解質との密着性の向上を果たす粉末である。

空気極

付図2-3

試作した燃料極材料を電解質板に塗布し、焼き付けて当研究所が提案する燃料極支持型SOFC（単位セル基本構造）

電解質支持型 SOFC 単セルの燃料極とし、燃料極における電圧損失の変化を測定した。付図 2-2 には、同一条件

を電解質とインターコネクタ（I.C.）で包み込むように下で測定した新材料と従来材料の電圧損失の経時変化を直接成膜し、さらに電解質膜上に空気極を成膜している。

併せて記した。新材料は従来材料と同等の性能を有してこの構造により、各部材での抵抗損失や燃料極/I.C.間

おり、また長期安定性については大幅な改善がみられての接触抵抗を最小限とし、電解質の密着効果によって電いる。ただし、流れる電流を大きくする（電流密度でお極反応場を増大させて出力の向上を目指した。また、当おむね 1.2A/cm2 以上）と、劣化が進行することもわか（8）所開発の燃料極材料（3）で作製した基板は、良好な熱伝った。

導性が期待でき、強度と安定性にも優れるため、単セルでの温度分布を小さく抑えられ、セル破損も起こりにく

電圧損失（0.2 A/cm2時）（V）

0.8

0.6

いといった特長がある。

粗YSZ粒子従来材料

微YSZ粒子0.4（3） 燃料極支持型単セルの試作と初期特性
燃料極基板への電解質の成膜では、低コストな成膜技

Ni粒子

Ni粒子の凝集が進行術として陶磁器等で用いられる釉薬（うわぐすり）技術

0.2を応用したスラリーコート法を用い、緻密な膜を成膜す
新燃料極材料0101

102
試験時間（h）

103

ることに成功した（7）。付図 2-4 では、同一材料で作製し104た電解質支持型、および燃料極支持型単セルの発電性能を比較して示している。新たに提案した SOFC は従来の付図2-2

当研究所が開発した燃料極の電圧損失の経時変化

SOFC に対して３倍以上の出力取り出しが可能であり、長時間安定性についても、従来のセルでは性能低下が生（2） 燃料極支持型 SOFC の提案
当研究所では、直径 40 mm φの YSZ 電解質板を用いじた高い電流密度（1.2A/cm2 程度）で通電しても、安定した発電状態を維持した。

た電解質支持型構造の単セルにより、開発した電極材料の性能評価を行うとともに、単セルの大面積化を進め（4）、

1.2

最終的にはスタックの基本構造となる単位セルを開発し呼んで区別する）。本単位セルでは、利用率・熱サイクル特性等を評価するとともに、材料やスタック構造に関（6）する課題の抽出を行った（5）。その結果、取り出せる出力に限界があり、高い加工精度が必要な部品点数が多い
等の課題が見出された。

セル電圧（V）

び、これにインターコネクタを付けたセルを単位セルと

0.8
0.6
0.4
0.2

0

そこで、新たに燃料極支持型構造を提案（7）し、その開発に着手した。本構造では、付図 2-3 に示すように空気極よりも電気抵抗が低い燃料極で基板を作製し、これ燃料極支持型（インターコネクタ無し）

1.0

た（ここでは電解質と両電極から成るセルを単セルと呼付図2-4

電解質支持型
0.5

1.0
1.5
2.0
電流密度（A/cm2）2.5

電解質支持型セルと燃料極支持型セル（インターコネクタなし）の発電特性

電中研レビュー No.51 ● 105

付-２-３

燃料極支持型 SOFC のスタック化
技術

インターコネクタ膜（中間層含む）

多孔質燃料極基板の（1） インターコネクタ成膜方法の確立

表面付近

当研究所が提案する燃料極支持形 SOFC において、多孔質燃料極基板表面上への緻密な I.C.の成膜は、単セル

付図2-5

スラリーコート法で成膜した緻密インターコネクタ膜構造の成立性を左右するキーテクノロジーである。しかし、高温作動型 SOFC において I.C.材料あるいはセパレー
タ材料として用いられるランタンクロマイトは、緻密に（付図 2-6）、開回路電圧（以下、OCV）が理論値（約

焼結させることが難しく、またスラリ−コート法で成膜

1.07 V）と一致したことから、電解質や I.C.膜でのガスする際の熱処理工程で燃料極材料との間で進行する化学

漏れは生じていないことが確認された。また、電流密度反応により、緻密膜を得ることが不可能であった。そこが 2.0 A/cm2 のときに最高出力密度 0.93 W/cm2 が得らで、このような化学反応の進行を抑制し、かつ電気的にれた。各部材での電圧降下を解析した結果、I.C.膜/燃料

低抵抗で熱膨張挙動が整合する材料を中間層として見出

極間および燃料極/電解質間での電圧降下はほぼ同じ値

し、付図 2-5 に示すような緻密な I.C.膜を成膜すること

で全体に対する割合も小さいが、空気極/電解質間での（9）電圧降下は、電圧降下全体のほぼ 2/3 を占めていた。まに成功した 。

た、電流密度 1.2 A/cm2 時での長時間安定性を確認した（2） 試作単位セルの発電性能評価（9）

結果、測定開始初期に空気極の酸素不定比量の緩和現象
および 700 時間経過以降に空気極の劣化によるセル電圧

I.C.膜を成膜した単位セルの発電特性を測定した結果
1.2

電圧（V）

1.0

インターコネクタ/燃料極間
燃料極/電解質間0.80.6

空気極/電解質間

0.4
0.2

0

1.0

2.0

3.0

4.0

電流密度（A/cm2）（a） 発電初期における電流密度と各種電圧（電圧ロス分）との関係
H2/H2O＝97.7/2.3

H2/H2O＝69.2/30.8

0.7

電圧（V）

0.6
0.5
0.4

；セル電圧
；インターコネクタによる電圧損失

0.1

0

500

1000
経過時間（h）

1500

2000

（b） 連続試験（1.23 A/cm2）におけるセル電圧、インターコネクタでの電圧損失の変化

付図2-6

106

インターコネクタを成膜した燃料極支持型SOFCの発電特性

の低下が観察されたが、インターコネクタの経時劣化は確認されなかった。さらに、インターコネクタに用いら

気下での分解が懸念されているが、開発したインターコ

１号スタック

△、▲、▽

3.05V

18.4W

２号スタック

○、●、□

3.33V

17.5W

燃料利用
率（％）

ネクタには性能低下がみられなかった。

出力（0.7V時）（3） スタックの試作と発電試験

12.0
9.0
6.0
3.0
0.8

1.2

現在、試作しているスタックは、セパレータ板を介し単セル電圧（V）

1.0て単セルを接続する平板形や金属フェルトを挿入して単セルを接続する円筒形と異なり、付図 2-7 のように空気
極材料で作製した接続部材で I.C.付き単セルを連結して（10）構成した。これは、空気流路の確保、同一部材

0.6
0.8
0.4

0.6
0.4

0.2

の接

0.2

合による接触抵抗の低減、多孔性部品の挿入による柔構

00.3

造化と熱応力等の緩和を目的としており、シールやマニ（11）

ホールド部材には雲母系ガラスセラミックス

0.6

0.9

1.2

単セル出力密度（W/cm2）

れるランタンクロマイトは、一般に、高温で高加湿雰囲

OCV

0
1.5

単セル電流密度（A/cm2）

を適用
付図2-8

して、スタックの全セラミックス化を図った。

試作した３セルスタックの発電特性（単セル換算値、本研究では２式のスタックを試作して、それぞれの発電性能を評価した。）

これまでに、３セルスタックを試作して、発電試験を実施した（12）。使用部材を付表 2-1 に、発電特性を付図
2-8 にそれぞれ示す。1000 ℃において、燃料ガスとして加湿水素を、酸化剤ガスとして空気を、それぞれ供給した場合、OCV が理論値と一致したことから、電解質・I.C.膜ならびにガスシール部分でのガス漏れはなく、構造の健全性が確保されていることが明らかになった。ま接続部材

た、性能評価試験用小型スタックではあるが、約 0.5

単セル（インターコネクタ付）

W/cm2（単セル電圧 0.7V 時）以上の出力密度が得られ、1,000 ℃作動のスタックでの発電性能としては、近年公表されている他機関のものよりも高い出力密度が得られた。
以上、当所独自の SOFC 技術によって、高性能な小型スタックを再現性良く作製でき、1000 ℃作動・全セラ

空気
燃料ガス

付図2-7

ミックス製 SOFC の実現に対する目途が得られた。今後

３セルスタックの概念構造と試験前スタック（付図2-1に試験前スタックの写真を図示した）

付表2-1

を進めて、実用レベルでのスタック技術を確立して行く。

３セルスタックに使用した部材

部材名
単
セ
ル

は、スタック構造の改良、ならびに単位セルの大面積化構成する材料備考

燃料極（多孔質基板）

Ni-YSZサーメット

電解質（緻密膜）

8YSZ

市販品

空気極（多孔質膜）

ランタンマンガナイト

当所開発

インターコネクタ（緻密膜）

当所開発

ランタンクロマイト＋中間層

当所開発

接続部材（多孔質基板）

ランタンマンガナイト

当所開発

終端部材（多孔質基板）

Ni-YSZサーメット＋インターコネクタ膜

当所開発

シール・マニホールド部材

雲母系ガラス・セラミック

市販品

電中研レビュー No.51 ● 107

お

わ

り

参事 横須賀研究所副所長

に
阿部 俊夫

ジェームズ ワットが蒸気機関を発明したのが 1782 年であり、1901 年には我国最初の蒸気自動車の販売広告が新聞に掲載されました。しかし、1876 年にオットーにより発明されたガソリン機関は急速の進歩を遂げ、1913 年、ヘンリー フォードがガソリン車の大量生産に成功してから、蒸気自動車や当時の電気自動車はまたた
く間に姿を消しています。
蒸気機関は自動車分野ではガソリン機関に駆逐されましたが、汽車、船舶、および発電用蒸気タービン等の大型熱機関として発展し、また、自動車におけるガソリン
機関は 20 世紀に社会趨勢や人々の要求に支えられ、性能・耐久性・量産技術・低コスト化の観点から飛躍的に発展しました。
一方、燃料電池の発電原理が最初に提唱されたのは、1839 年、イギリスのグローブ卿によってであり、オットーのガソリン機関の発明以前でありますが、燃料電池の実現性を議論できるようになったのは、20 世紀後半であります。燃料電池を実現するためには、電極反応の基礎理論や多孔質材料技術等の発展を待つ必要があり、20 世紀初頭に既に民生用として実用化が図られた蒸気機
関やガソリン機関等の内燃機関に比較し、燃料電池の開発は大きく遅れました。このため、燃料電池が既に技術的完成域に達している内燃機関に、性能面および経済面で対抗し、民生用として発展・普及することは容易な事ではありません。
燃料電池は最初極めて特殊な用途として開発され、宇宙船電源としてのアルカリ形燃料電池が使用されました。一方、民生用としては、最初にりん酸形燃料電池が実用化され、普及しましたが、その発電効率が電力系統の需要端効率より低いため、用途が限定され、期待ほど大きく普及していません。最近では、将来の水素社会をイメージした自動車用の固体高分子形燃料電池（PEFC）がブームとなり、燃料電池技術に対する社会的認知を得る観点から大きな前進であると言えます。
高効率な発電システムとして最も期待されていますのが、高温型燃料電池である溶融炭酸塩形燃

108

料電池（MCFC）と固体酸化物形燃料電池（SOFC）であり、本書では主に MCFC 技術を紹介しました。SOFC は作動温度が最も高く、その実用化が難しい技術と考えられていますが、性能および耐久性の観点から優れた潜在性を有しますので、将来極めて魅力ある発電技術に発展する可能性があります。
MCFC 発電は分散配置型中小電源あるいは集中型火力発電技術として、当研究所が力を入れている研究課題です。研究開始後、約 20 年が経過しましたが、この間、国家プロジェクトと連携を取りつつ、電力各社や電池製造メーカの協力を得て、多くの単セル試験やスタック発電試験に基づ
く電池性能の評価・予測技術、および電池材料・構造最適化技術等の研究を推進してまいりました。
最近、MCFC 発電は、多くの関係各位のご努力により、ようやく実用化の見通しが明らかになり始めていますが、MCFC 技術が拠点となり、高温型燃料電池が性能・経済面で従前の内燃機関に対抗し、社会に広く普及できるかは、むしろこれからが重要な時期であり、信頼性の向上や徹底したコスト低減に対して、一層格段の努力が必要です。
「省エネ・省資源社会の構築」は我国の必須の課題であり、その構築に向けて、燃料電池技術が重要な一翼を担うためには、これまで以上に関係各位が努力し協力しあうことが大切です。当研究所は高温型燃料電池技術を是非とも実現させるため、今後とも一層努力する所存です。関係各位のご指導、ご協力を心から御願い致したいと思います。
最後に、本書を纏めるにあたり、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）および溶融炭
酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合（MCFC 研究組合）の受託研究成果、中部電力（株）、石川播磨重工業（株）（IHI）、（株）日立製作所、三菱電機（株）との共同研究成果を使用させて頂きました。
また、MCFC 研究組合殿、中部電力殿、および IHI 殿には、本書の分担執筆をお願いしました。本書が高温型燃料電池技術の啓発・普及に少しでも役立つことを期待しつつ、付記して謝意を表する次第です。

電中研レビュー No.51 ● 109

池の性能評価 IV．カソード反応論に基づく性能表示式

引用文献・資料等の高精度化」電気化学および工業物理化学、63 巻、11号、pp1053-1060（1995）

第1章（7） 森田、麦倉、伊崎、渡辺、阿部「溶融炭酸塩型燃料電（1） W. R. Grove

On a Gaseous Voltaic Battery

池の性能評価 V．アノード反応抵抗表示式の導出」電

Philosophical Mag., Vol. 121, pp417-420（1842）

気化学および工業物理化学、65 巻、9 号、pp740-746、（2） 麦倉、浅野「各種燃料電池の性能と要因分析」電気学会論文誌 B、Vol. 120-B、pp885-892（2000）（1997）（8） 森田、麦倉、伊崎、渡辺「小型単セルを用いた溶融炭
酸塩型燃料電池の寿命特性式」電気学会論文誌 B、第2章

Vol.120-B、pp1112-1118（2000）

2-1（9） 吉葉、阿部、曹、渡辺「MCFC スタック内部解析手法（1） Mamantov, Braunstein editor
Salts Chemistry Vol.4

Advances in Moltonの研究−並行流型スタックの解析−」日本機械学会論

Plenum press（1981）（2） Fuel Cell Seminar Abstracts など

文誌 B、63 巻、606 号、pp675-682（1997）（10）F.Yoshiba, N.Ono, Y.Izaki, T.Watanabe, T.Abe（3）「燃料電池発電システムの分散配置技術」電気学会技

Analytic Investigation of the Internal Condition of an

術報告 第 711 号、燃料電池発電分散配置技術調査専門

MCFC stack委員会（1999）

1998-3（4）「前期開発成果とその 1000kW パイロットプラントへ

Journal of Power Sources 71, pp328-336,（11）F. Yoshiba, T. Abe, T. Watanabe

Numerical analysisの適用」第 25 回 MCFC セミナー、MCFC 研究組合

of molten carbonate fuel cell stack performance :（1995）

diagnosis of internal conditions using cell voltage

2-2

profiles（1）「溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術開発成果」
MCFC 研究組合（2000）

Journal of Power Sources, Vol.87 pp21-27（2000）（12）F.Yoshiba, H.Morita, M.Yoshikawa, Y.Mugikura,

2-3

Y.Izaki, T.Watanabe, M.Komoda, Y.Masuda, N.Zaima,（1） 平成 12 年度「高温形燃料電池発電技術」研究開発成果

Improvement of electricity generating performance

報告会 講演要旨集、NEDO（2001）

and life expectancy of MCFC stack by applying Li/Na

2-4

carbonate electrolyte Test results and analysis（1）（2-3（1）と同じ）

0.44m2/10kW- and 1.03m2/10kW-class stack（2） 平成 13 年度「高温形燃料電池発電技術」研究開発成果
報告会 講演要旨集、NEDO（2002）（3） 同 平成 14 年度（2003）
2-5

Journalof Power Sources, Vol 128, 2, pp152-164（2004）
3-2（1） 吉葉、吉川、森田、阿部、山口、岩本「Li/Na 系電解質 MCFC カソードガス分圧依存性」第 62 回電気化学協（1） 渡辺、麦倉、阿部「電気事業における MCFC 導入の可能性」W98514、電中研依頼研究報告（1999）

会大会、307、p85（1995）（2） 吉川、吉葉、森田、阿部、山口、岩本「加圧雰囲気における Li/Na 系電解質を用いた MCFC の特性評価」第第3章

2 回燃料電池シンポジウム、FCDIC、B4-5、pp289-293

3-1（1995）（1） T.G.Benjamin, E.H.Camara, and L.G.Marianowski,
Handbook of Fuel Cell Performance Institute of Gas
Technology, U.S. DOE Report, EC-77-C-03-1545（1980）（3） 吉川、森田、麦倉「Li/Na 系電解質を用いた MCFC の温度特性について」第 37 回電池討論会、2B06、
pp277-278（1996）（2） C.Y.Yuh and J.R.Selman "The Polarization of Molten（4） 山賀、黒江、岩本、山口、加茂、吉川、吉葉、渡辺

Carbonate Fuel Cell Electrodes I. Analysis of Steady-「Li/Na 系電解質板を用いた小型単セルの特性評価（2）」State Polarization Data" J.Electrochem. Soc., Vol.138,

第 37 回電池討論会、2B18、pp301-302（1996）

pp3642-3648（1991）（3） 麦倉、阿部、渡辺、伊崎「溶融炭酸塩型燃料電池の性能評価 II．性能相関式の開発」電気化学および工業物
理化学、60 巻、2 号、pp124-130（1992）（4） 内田、仁科「溶融アルカリ炭酸塩中の水素および酸素
ガス電極反応」日本化学会誌、Vol.8、pp1297-1307（1988）（5） 仁科、内田「溶融炭酸塩形燃料電池のガス電極反応」
表面、Vol.27、pp843-856（1989）（6） 森田、麦倉、伊崎、渡辺、阿部 「溶融炭酸塩型燃料電

110（5） M. Yoshikawa, Y. Mugikura, T. Watanabe, T. Ohta
and A. Suzuki

The Behavior of MCFCs Using Li/K

and Li/Na Carbonates as the Electrolyte at High
Pressure

J. Electrochem. Soc., 146, No.8, pp2834-2840（1999）（6） H. Morita, M. Komoda, Y. Mugikura, Y. Izaki, T.
Watanabe, Y. Masuda and T. Matsuyama

Perform-

ance analysis of molten carbonate fuel cell using a
Li/Na electrolyte
pp509-518（2002）

Journal of Power Sources, Vol.112

（7） M. Yoshikawa, Y. Mugikura, T. Watanabe, T. Kahara
and T. Mizukami,（5） 長崎、鈴木、幸田、上田「石炭ガス化ＭＣＦＣ発電シNiO Cathode Dissolution and Ni

ステムの概念設計研究」日本機械学会第５回動力エネ

Precipitation in Li/Na Molten Carbonate Fuel Cells Distribution of Ni Particles in the Matrix

ルギー技術シンポジウム A27, pp168-173（1996）

J.

（6） 長崎、木田、辻口「燃料電池用石炭ガス化製造技術

Electrochem. Soc., Vol.148, No.11, pp1230-1238 （2001）（EAGLE）パイロットプラントの計画」日本機械学会（8） 浅野、河瀬、吉葉、麦倉、伊崎、渡辺「MCFC の寿命

第６回動力エネルギー技術シンポジウム A107、pp39-に及ぼすニッケル短絡抑制効果」第 44 回電池討論会、
3E03、pp682-683（2003）

44（1998）（7） 河瀬、麦倉、伊崎、渡辺、福田「MCFC 特性に対する

3-3

H 2S の影響 I．出力電圧とセル内ガス組成の変化｣（1） Y. Izaki, T. Watanabe, Y. Mugikura, T. Hamamatsu

気化学および工業物理化学、66 巻、4 号、pp449-455

Experimental Results of a 10kW Class Molten

電（1998）

Carbonate Fuel Cell IECEC, No.899306, p1523（1989）（8） 吉葉、伊崎、渡辺「石炭ガス化 MCFC 発電システムの（2） 渡辺、伊崎、麦倉、堀内、阿部、浜松、石川「溶融炭検討（実電池発電限界を反映したシステム検討とその酸塩型燃料電池 10kW 級発電システムの開発」火力原性能解析）」日本機械学会論文集（B 編）、69 巻、677 号、

子力発電、41 巻、8 号、p1027-1034（1989）

pp148-154（2003）（3） 渡辺、伊崎、麦倉、阿部、浜松、石川「溶融炭酸塩型（9） 吉葉、麦倉、伊崎、渡辺、奥田、荒井、渡辺、久野、

燃料電池発電技術の開発− 10kW 級電池システムの開松山「多様な燃料を用いた 10kW 級 MCFC スタックの発−」日本機械学会論文集（B 編）57 巻、535 号、発電特性」第 10 回燃料電池シンポジウム、FCDIC、

No.90-0882B、pp831-836（1991）

pp186-191（2003）（4） 伊崎、渡辺、阿部、遠井、松山、保坂 「100kW 級溶融（10）F. Yoshiba, Y. Mugikura, Y. Izaki, T. Watanabe, T.

炭酸塩型燃料電池スタックの発電特性」日本機械学会

Okuda, Y. Arai, M. Watanabe, Y. Kuno, and T.

論文集 B、61 巻、592 号、pp4477-4482（1995）

Matsuyama（5） 伊崎、麦倉、渡辺、阿部、幸田、佐藤、保坂、松山、Electricity Generating 10kW-ClassMCFC Stack Performance Fueled By Various Gas

清水、近藤「平行流内部マニホールド MCFC スタック

Compositions,の開発と運転試験・評価技術」電中研総合報告 W11

Conference on Power Engineering-03（ICOPE-03）,

Proceedings of the International

F204, pp2/445-2/450（2003）（1998）（6） 伊崎、渡辺「溶融炭酸塩型燃料電池発電システム運転

4-2

制御法の基礎検討−加圧試験装置の開発−」電中研報（1）（4-1（7）と同じ）

告 T87067（1988）（2） 河瀬、麦倉、伊崎、渡辺「MCFC 特性に対する H2S の（7） C.Yuh,

R.Johnsen,

M.Farooqueand影響 II．電池内での硫黄成分の挙動−」Electrochem-

H.Maruistry、67 巻、4 号、pp364-371（1999）

Carbonate Fuel Cell Endureance: Hardware
Corrosion and Electrolyte Management Status（3） 河瀬、麦倉、伊崎「バイオマス燃料電池等におけるMCFC の不純物耐久性」第 10 回燃料電池シンポジウム、Proceeding of the second international symposium on

FCDIC、pp182-185（2003）

Carbonate Fuel Cell Technology, Electrochem. Soc.,（4） M. Kawase, Y. Mugikura, T. Watanabe, Y. Hiraga, T.

vol.93-3, pp158-170（1993）

UjiharaEffects of NH3 and NOx on the Performance

第4章of MCFCs

4-1

271 （2002）（1） T.Kivisaari, D.Jansen, A.deGroot, C.Sylwan Feasibility study of a coal- fired high- temperature fuel cellsystemFuel Cell Seminar Abstracts, pp570-573,

4-3（1）「石炭ガス化複合発電の実現に向けて−実証機開発の支援と将来への研究展開−」電中研レビュー、No.44、（2001）（2000）（2） R.M.Reinstrom

Journal of Power Sources Vol.104、pp265-

CARBONATE FUEL CELL POWER

PLANT SYSTEMS

IEEE, Vol.PAS-100, No.12,（2） 布川、白井、野田、秋保、小林「高性能乾式脱硫技術の開発−亜鉛フェライト系脱硫剤の長期性能評価−」
電中研報告 W01030（2002）

pp4752-4759（1981）
MOLTEN（3） 布川、白井「高性能乾式脱硫技術の開発−ハニカム状

CARBONATE FUEL CELL BASED COAL FIRED

亜鉛フェライト系脱硫剤の脱硫・再生特性の把握−」（3） T.L.Bonds, M.H.Dawes, A.W.Shenacke

POWER PLANTS FOR ELECTRIC POWER
GENERATION

American Chemical Society, 8412-

0513-2 /79 /0779 -116（1979）（4） 幸田、森塚、渡辺、阿部「石炭ガス化 MCFC 複合発電

電中研報告 W02010（2003）（4） 白井「石炭ガス化ガスにおける固定床乾式脱硫技術の開発」粉体工学会誌 Vol.40、No.8、pp582-590（2003）（5） H.Shirai, M.Kobayashi, M. Nunokawa

Thermalシステムの性能解析−最適システム構成の検討−」電Efficiencies of IG-MCFC Systems with Different

中研報告 W92045（1993）

Types of Coal Gasifier and Coal Gas Clean Up

電中研レビュー No.51 ● 111

System

The 4th International World Energy System（19）H. Yasue, K. Takatani

Conference, B372, pp427-432（2002）

DEVELOPMENT OF 1000kW

MCFC POWER PLANT

4-4

the 3rd IFCC proceedings,

C2-1, pp251-255（1999）（1）（4-1（1）と同じ）（20）吉葉、伊崎、渡辺「広負荷域対応型 MCFC 発電システ（2）（4-1（2）と同じ）

ムの提案」電中研報告 W01031（2002）（3）（4-1（3）と同じ）

第5章（4）（4-1（4）と同じ）

5-3（5）（4-1（5）と同じ）（1）「燃料電池発電技術開発−溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの研究開発（トータルシステムの研究）−」（6）（4-1（6）と同じ）（7） K.Itou, T. Shimizu and M. Iio,
scale MCFC power plant

平成３年度 NEDO 受託成果報告書（1992）

Development of largerd

3 IFCC proceedings, C4-4

pp313-316（1999）（2） 同 平成４年度（1993）（3） 同 平成５年度（1994）（8）（2-3（1）と同じ）（4） 幸田、阿部「外部改質型溶融炭酸塩型燃料電池発電の（9）（2-4（2）と同じ）

概念設計と経済性」火力原子力発電 Vol.45, No.7 pp61-（10）「燃料電池発電技術開発−溶融炭酸塩型燃料電池発電技術開発（実用システムの経済性評価と概念設計）−」

72（1994）（5）「燃料電池発電技術開発−溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの研究開発（トータルシステムの研究）−」平成 11 年度 NEDO 受託成果報告書（2000）（11）Y. Mugikura, K. Asano

平成８年度 NEDO 受託成果報告書（1996）

Performance of Several

Types of Fuel Cells and Factor Analysis of Perform-（6） 同 平成 9 年度（1997）

ance（7） 同 平成 10 年度（1998）

Electrical Engineering in Japan, Vol.138, No.1,（8） 同 平成 11 年度（1999）

pp24-33（2002）（12）A.F. Massardo and B. Bosio

Assessment of Molten

Carbonate Fuel Cell Models and Integration With Gas
and Steam Cycles（9）（3-1（1）と同じ）（10）森田、麦倉、伊崎、渡辺、阿部「MCFC 性能表示式のJournal of Engineering for Gas

高精度化−その 1 カソード反応論に基づく性能表示式

Turbines and Power, ASME, Vol.124 pp103-109（2002）（13）A.F. Massardo and F. Lubelliの導出−」電中研究報告 W94015（1995）

Internal Reforming（11）森田、麦倉、伊崎、渡辺、阿部「溶融炭酸塩型燃料電池

Solid Oxide Fuel Cell - Gas Turbine Combined Cyclesの性能評価 V．アノード反応抵抗表示式の導出」電気化（IRSOFC-GT）: Part A- Cell Model and Cycle

学および工業物理化学、65 巻、9 号、pp740-746（1997）

Thermodynamic Analysis

Journal of Engineering for

Gas Turbines and Power, ASME, Vol.122, pp27-35,（12）（2-5（1）と同じ）（13）「燃料電池発電技術開発−溶融炭酸塩型燃料電池発電（2002）

技術開発（実用システムの経済性評価と概念設計）−」（14）H. Uechi, S. Kimijima, N. Kasagi

Micro Gas Turbine - Solid Oxide Fuel Cell Hybrid
System,

平成 13 年度 NEDO 受託成果報告書（2002）

Cycle Analysis of（14）本藤ほか「ライフサイクル CO2 排出量による発電技術の評価−最新データによる再推計と前提条件の違いにJSME,B, Vol.68, No.666, February, pp336-345

よる影響−」電中研報告 Y99009（2000）（2002）（15）J. Palsson, A. Selimovic and L. Sjunnesson（15）内山洋司「私たちのエネルギー

TURBINE SYSTEMS FOR EFFICIENT POWER（16）「燃料電池発電技術開発−溶融炭酸塩型燃料電池発電

the 3rd IFCC proceed-

技術開発（実用システムの経済性評価と概念設計）−」

Full Load and Part-Load Performance（17）佐藤、市川「都市部のコージェネレーションシステム

Prediction for Integrated SOFC and Microturbine

から排出される窒素酸化物の大気環境濃度予測」電中

Systems

研報告 T02007（2003）

AND HEAT GENERATION
ings, D3-4, pp391-394（1999）（16）S. Campanari

平成 14 年度 NEDO 受託成果報告書（2003）

Journal of Engineering for Gas Turbines
5-4

and Power, ASME, Vol.122, pp239-246（2000）（17）P. Costamagna, L. Magistri, A.F. Massardo

Designand part-load performance of a hybrid system basedon a solid oxide fuel cell reactor and a micro gas
turbineJournal of Power Sources, Vol.96 pp352-368

TION OF GAS TURBINE - FUEL CELL HYBRIDMICRO GENERATION SYSTEM（1）「燃料電池発電技術開発−溶融炭酸塩型燃料電池発電技術開発（実用システムの経済性評価と概念設計）−」
平成 12 年度 NEDO 受託成果報告書（2001）（2） 同 13 年度（5-3（13）と同じ）（3） 同 14 年度（5-3（16）と同じ）（2001）（18）S. Kimijima, N. Kasagi PERFORMANCE EVALUAproceedings of

ASME TURBO EXPO 2002 GT-2002-30111（2002）

112

現在と未来」培風館（1996）COMBINED SOLID OXIDE FUEL CELL AND GAS（4） 例えば日本コージェネレーションセンター「コージェネレーションシステム導入実績表」（各年度版）など（5） 今村、浅野「自家用発電設備の設置動向調査」電中研
報告 Y97018（1998）

付録

W99019（2000）

付-1（9） 安本、山本、伊藤「電極支持形 SOFC スタックの研究（1） 森、阿部、渡辺「固体電解質型燃料電池複合発電シス
テムの研究（第２報、構成が異なる発電システムの性能解析）」日本機械学会論文集、66 巻、652 号、B 編、
pp222-227（2000）（2） 森、渡辺、阿部「熱を併給する SOFC 発電システムの性能検討」電中研報告 W97022（1998）−インターコネクタ成膜法の開発と単位セルの発電特性−」電中研報告 W02008（2003）（10）山本、森、伊藤、山本「SOFC 構成材料の研究；電池
構成材料間の接合の研究（1）−燃料極/セパレータ間の接合材料の合成と基礎評価−」電中研報告 W97006（1998）（3） 斉川、三巻、森塚、岩坪、長谷川（浩）、浜松、「コー（11）山本、伊藤、森、森、阿部「雲母系ガラスセラミック

ジェネレーション技術の現状と研究開発課題」電中研

スの SOFC 用ガスシール材としての適応性」電中研報研究調査資料 W89906（1989）

告 W94024（1995）（4） 森、「固体電解質型燃料電池の研究開発システム研究（12）伊藤、安本、山本「燃料極支持形 SOFC スタックの研（システム研究）」平成９年度 NEDO 受託研究成果報告

究−高出力密度、1,000 ℃作動形全セラミックス製 3 セ（1998）

ルスタックの作製−」電中研報告（2004）

付-2（1） 伊藤、森、森、阿部「固体電解質型燃料電池の開発−

電中研「燃料電池発電技術研究」のあゆみ

各種 SOFC の製造コスト試算−」電中研報告 W92028（1） 高橋武彦「燃料電池（第２版）」共立出版（1992）（1993）（2） 竹原善一朗監修「燃料電池技術とその応用」テクノシ（2） 伊藤、山本、森、阿部「SOFC 用燃料極の高性能化にステムズ（2000）

関する研究−カレント・インターラプション法によるSOFC の劣化現象の解明−」電中研報告 W93019

コラム 2（1994）（1） 麦倉、森田「MCFC 性能表示式の高精度化−電解質物（3） 伊藤、山本、森、阿部「SOFC 燃料極の高性能化に関する研究−電極ミクロ構造の改良による長寿命化−」
電中研報告 W94016（1995）

性値に基づくカソード性能推算手法の開発−」電中研
報告 W02023（2003）
コラム 4（4） 森、伊藤、森、阿部「固体電解質燃料電池の開発−（1） 吉川、麦倉、渡辺、太田、鈴木「高圧下における Li/K

110cm2 級単セルの試作および発電試験結果−」電中研

系セルおよび Li/Na 系セルの特性解析」電中研報告

報告 W92013（1993）

W97009（1998）（5） 森、渡辺「固体電解質型燃料電池発電技術の開発―平（2） 曽根、岸田、小林、渡辺「燃料電池発電プラントにお板型単セルとセラミックスセパレータを用いた電池のける炭素析出の抑制−（その 1）ステンレス上における設計とその性能評価―」電中研報告 W99002 （1999）

炭素析出反応機構の実験的検討−」電中研報告（6） 伊藤、山本「固体酸化物形燃料電池の性能評価平板型
セルによる実発電状態下での電池材料の適用性」電中
研報告 W00043（2001）（7） 伊藤「支持膜型 SOFC の開発（その 1）−単セルの試作と発電特性−」電中研報告 W99001（1999）（8） 伊藤「固体電解質燃料電池材料の適正化研究− YSZ 支W99003（2000）（3） 白井、渡辺、曽根「燃料ガスからの炭素析出現象の解明（その１）ステンレス上での初期炭素析出特性」電
中研報告 W00010（2001）
コラム 5（1）（5-3（16）と同じ）

持型燃料極材料の混合比の適正化（1）−」電中研報告

電中研レビュー No.51 ● 113

IGT

略語一覧
IHI
ACC

Advanced Combined Cycle

AGRE

European Direct Fuel Cell Consortium

APPA

American Public Power Association（米国公

CEC

KEPRI

Korea Electric Power Research Institute（韓国電力公社電力研究院）

KIST

Brandstofel Nederland（Dutch Fuel Cell
Corporation）

BOP

Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co.,Ltd（石川島播磨重工業（株））

共電力協会）BCN

Institute of Gas Technology（米国ガス技術研
究所、GRI と統合して現在 GTI）

Korea Institute of Science and Technology（韓国科学技術研究院）

LCA

Balance of Plant（補機類）

Life Cycle Assessment（ライフ・サイクル・
アセスメント）Commission of the European Communities

MCP（欧州共同委員会）

MHI

Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.（三菱重工業（株））

CHP

Combined Heat and Power（熱電併給）

MOLB

MOno-block Layer Built（一体積層）

COP3

The 3rd Session of the Conference Of the

MOLCARE Molten Carbonate Europe

Parties to the United Nations Framework

MTU

Convention on Climate Change（第 3 回気候変

NEDO

Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen
New Energy Development Organization（新エネルギー・産業技術総合開発機構）

動枠組み条約締結国会議）
NETL

DFC

Direct FuelCell

DOE

Department of Energy（米国エネルギー省）

ECN

Energy research Center of the Netherlands

ENEA

Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e

EPRI

M-C Power Co.

National Energy Technology Laboratory（米国立エネルギー技術研究所）

NOMO

Notice of Market Opportunity（燃料電池市場導入に関する公告）

l Ambiente（Italian National Agency for New

PAC

Technologies, Energy and the Environment）

PDI

Process And Control
Product Development and Improvement

Electric Power Research Institute（米国電力

PNGV

Partnership for a New Generation of Vehicles（新世代自動車に関する協力計画）

研究所）
ERC

Energy Research Co.（現 FCE 社）

ERDA

EnergyResearch

and

PURPA

Public Utility Regulatory Policies Act（公益事業規制政策法）（米国）

Development

Administration（米国エネルギー研究開発局）

RPS

Renewable Portfolio Standards

FCE

FuelCell Energy Co.（旧 ERC）

SECA

Solid state Energy Conversion Alliance

GTI

Gas Technology Institute（GRI と IGT の合併

SPring-8

Super Photon ring-8 GeVにより設立された研究所）

SWPC

Siemens Westinghouse Power Co.（旧 WH 社）

Gas Research Institute（米国ガス研究所、IGT

TARGET

Team to Advance Research for Gas Energy

Gas Turbine Combined Cycle（ガスタービン

UT

United Technologies Co.

複合発電）

WH（WE） Westinghouse Electric Co.（現 SWP 社）

I.C.

Inter Connector

YSZ

IFC

International Fuel Cells Co.

IG-MCFC

Integrated coal Gasification MCFC combined

GRI

Transformationと統合して現在 GTI）
GTCC

cycle（石炭ガス化複合 MCFC 発電）

114

Yttria Stabilized Zirconia（イットリア安定化
ジルコニア）ZEV

Zero Emission Vehicle（無排出ガス車）

既刊「電中研レビュー」ご案内
NO. 38「大気拡散予測手法」2000. 3
NO. 39「新時代に向けた電力システム技術」2000. 6
NO. 40「原子燃料サイクルバックエンドの確立に向けて」2000. 11
NO. 41「需要家と電気事業のエネルギーをトータルで考える―需要家の特性解明と省エネ技術―」2000. 11
NO. 42「原子力発電所の人工島式海上立地」2001. 1
NO. 43「酸性雨の総合評価」2001. 2
NO. 44「石炭ガス化複合発電の実現に向けて―実証機開発の支援と将来への研究展開―」2001. 10
NO. 45「地球温暖化の解明と抑制」2001. 11
NO. 46「微粉炭火力発電技術の高度化―環境性の向上と発電コストの低減―」2002. 11
NO. 47「商用周波磁界の生物影響研究」2002. 11
NO. 48「送電設備の風荷重・風応答評価技術」2003. 2
NO. 49「未利用地熱資源の開発に向けて―高温岩体発電への取り組み―」2003. 3
NO. 50「電気事業と IT ―情報通信技術で変える・変わる―」2003. 10

編 集 後 記電中研レビュー第 51 号「燃料電池発電技術（MCFC 実
用化への挑戦）」をお届けします。
燃料電池は、分散電源のホープとして古くから期待さ

このレビューでは、MCFC を中心に、これらの困難を克服して、実用に向かう過程を、成功事例だけでなく、いかに克服してきたかについても紙幅を割きました。

れ、国のプロジェクトを初めとして当研究所などの多く

MCFC 実用化に向けた技術克服の歴史は、今、自動車の機関が、その実用化に挑戦してきました。中でも高温用や家庭用として話題となっている固体高分子形燃料電型と呼ばれる溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC）や固体酸池（PEFC）や、セラミックスを使った SOFC の開発に

化物形燃料電池（SOFC）は、化石燃料の高効率利用にも、大いに役立つものと考えます。

も貢献できることから、大型の火力発電代替用や分散電源として大いに期待されています。

この電中研レビューが、燃料電池開発に携わる方々への参考となり、燃料電池に関心を持たれる方々には、技

しかしながら、従来の回転機器による発電とは異なり、術開発の素晴らしさのご理解に役立てればと存じます。

電気化学反応によるために、電極の劣化をはじめとする、最後になりましたが、巻頭言をご執筆いただいた中部

今まで経験のない多くの課題に突き当たり、いくつかの電力株式会社常務取締役清水眞男様に、心より感謝を申

挫折を乗り越えて、研究開発を進めてきた経緯がありまし上げますとともに、燃料電池が導入される万国博覧会

す。

愛地球博のご成功をお祈り申し上げます。

● 編集兼発行・財団法人 電力中央研究所◯

電中研レビュー NO.51● 平成16年３月25日◯

広報グループ100−8126 東京都千代田区大手町1−6−1［大手町ビル７階］（03）3201−6601（代表）E-mail : www-pc-ml@criepi.denken.or.jp
http : //criepi.denken.or.jp/● 印刷・株式会社 ユウワビジネス◯

本部／経済社会研究所
100−8126 東京都千代田区大手町1−6−1 （03）3201−6601 我孫子研究所
270−1194 千葉県我孫子市我孫子1646
狛江研究所／情報研究所／原子力情報センター
横須賀研究所
240−0196 神奈川県横須賀市長坂2−6−1
ヒューマンファクター研究センター／低線量放射線研究センター／事務センター
赤城試験センター
371−0241 群馬県勢多郡宮城村苗ｹ島2567
201−8511 東京都狛江市岩戸北2−11−1 （03）3480−2111
塩原実験場
329−2801 栃木県那須郡塩原町関谷1033（04）7182−1181（0468）56−2121（027）283−2721（0287）35−2048

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