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

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名誉特別顧問、前専務理事

上之薗博）