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

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