高温形燃料電池発電技術の開発

 燃料電池は乾電池などとは違い、水素と酸素が供給されれば電気を作り続けます。このため、“電池“というよりは、”発電装置”と言った方がいいかも知れません。代表的な燃料電池の種類は電解質や動作する温度によっていくつかの種類があり、当研究所では、溶融炭酸塩形(MCFC)の研究で培った技術を基盤として固体酸化物形(SOFC)や固体高分子形(PEFC)の研究に展開してきました。

画像拡大

< 代表的な燃料電池の種類 >

 ところで、水素を作る元となるのが、天然ガスや都市ガス、石炭等です。これらの燃料を改質し、水素を作り出したり、不純物を取り除いたりして、燃料電池に供給します。このため、燃料の種類や、システムの構成によってその組成は大きく変化します。当研究所では、MCFCの研究において、さまざまな条件(ガスの組成、温度、圧力など)が変わった場合にも精度よく燃料電池の発電性能が予測できる反応メカニズムに基づいた電池性能の解析手法を開発しました。

 開発した解析手法をSOFCやPEFCにも適用して、各燃料電池の電池性能の見える化に成功しました。この手法を用いると右図のようにSOFCの発電性能を要因ごとに評価することができます。このため、出力電圧を高くする要因を抽出し、改良研究を効率的に推進することもでき、SOFCの出力電圧を向上することにも成功しています。

画像拡大

< 性能表示式によるSOFC劣化要因分析結果 >

 1kW級SOFCシステムを用いて、発電試験ならびにシステム解析を実施しています。上記手法を組み合わせることで、システム性能の見える化にも成功しています。

画像拡大

< SOFC小形発電システムの熱効率解析結果例 >

 燃料電池を用いた6万時間を超える長時間にわたり加圧連続試験・評価を行ない、燃料電池の長寿命の実現可能性を示すと共に、電池に使われる部材の物性値等を基にした寿命を予測する技術を確立しました。この成果を他の燃料電池にも応用しています。

画像拡大

< 6万時間の耐久性試験 >

< 加圧試験装置 >

 2013年の火力発電所の最高送電端効率(設計値)は約54%(HHV)です。当研究所では、ガスタービンと燃料電池のそれぞれの特徴に着目して高効率発電システムの構築を試み、MCFC-GTハイブリッドシステムを考案しました。 本システムでは酸素吹きのクローズド構成を採用することで、MCFCと高性能なガスタービンの組み合わせによる高効率化を図るとともに、 二酸化炭素全量を回収可能で、さらにMCFCカソードにノーブルガス* を供給することでMCFC出力密度の向上も図れるシステムです。 このシステムの熱効率を試算したところ、送電端効率で70%以上と、非常に高い熱効率を達成可能であることが分かりました。


 * ノーブルガス:O2/CO2=33%/67%

画像拡大

< 高効率MCFC発電システム例 >

CLOSE
Copyright (C) Central Research Institute of Electric Power Industry