Ⅲ 研究開発成果について 1
1 事業全体の成果 2
開発スケジュール H12FY H13FY H14FY H15FY H16FY 高積層スタック技術の開発 高積層製造技術の確立 :250 セルスタック (300kW 級 ) 加圧ショートスタック試験加圧小型発電システムの開発 長寿命化 (10kW 級 ) モジュール構造の確立 (300 300kW 級 ) 1 万時間運転 MCFC+GT システムの実証劣化率 0.25%/1,000h 分散電源としての運用性確認高圧ショートスタック試験 (10kW 級 ) 高圧下 (1.2MPa) 高性能モシ ュール開発運転の実証 高圧運転 :1.2 1.2MPa 民間商用機 長寿命化研究サポート研究 : 実用システムの経済性評価と概念設計 3
開発の狙い (1) 内容 備考 目的 エネルギーセキュリテイー 環境保全 市場ニーズに応える発電システムの開発 MCFC の特徴をフルに活用 手順 早期実用化に直結するコンパクト 低コスト 高信頼度システムを構築 第 2 期までの成果を活用 開発ターゲット 市場動向は小型 (300~500kW 級 ) 分散電源と中規模 (6~7MW 級 ) が中心 市場動向で見られる設置規模 4
開発の狙い (2) 電池スタック規模の目標 ( 高積層 ) 開発対象システム 加圧小型発電システム 高性能モジュール 内容 下部ヘッダ方式 250セル : 予想出力範囲加圧 (0.4MPa) 運転時 250kW 程度高圧 (1.2MPa) 運転時 375kW 程度 ) 備考 将来の拡張可能性 輸送限界などを考慮 分散電源の基本 高圧 高性能中規模発電システムの基本 電池材料の改良及び新材料開発 長寿命化 高性能化 設備費低減などを目指す 更なるコストダウンを図るため 5
高積層スタックの各開発課題への適用まとめ 開発課題製作スタック 250 セル 125 セル ( 検証スタック ) 125 セル 加圧小型発電システム 試験結果 スタックガスリーク多大 上部セル電圧不安定 実施対策 セル数変更 前処理方法と締付構造改善ほか 試験結果 スタックガスリーク若干残 最上部セル低電圧 高性能モジュール 実施対策 更なる前処理方法改善 セパレータ部材改良 最上部ダミーセル挿入ほか 試験結果 スタックガスリーク殆どなし 一部セルが低電圧 ( セパレータ材アルミ付着が原因 ) 6
開発経緯及び成果の概要高積層スタック技術の開発 (1) 事業原簿 44 1250 セルスタックを開発 2125セルスタック ( 検証スタック ) に変更 小型発電システムに設置し 最大出力 240 kw を達成 スタックガスリーク 上部セル電圧異常現象等で試験中止 対策実施 原因 : スタック締め付け構造前処理 ( 脱脂含浸 ) 不完全など 250 セルでは完全な対策が困難との判断 発電試験において上端部セルにおける低電圧 スタックガスリークなどを確認原因 : 前処理時の温度管理締付け方法などの不備 7
開発経緯及び成果の概要高積層スタック技術の開発 (2) 事業原簿 44 3 5 点の重要対策を実施 4 再度 125セルスタックを製作 ( 高圧運転対応 ) 1 前処理方法の大幅改善 2 セパレータ部材平坦度改善 3 電解質板 マニフォールドシールガスケット高さ適正化 4 マニフォールド シールガスケット形状の変更 5 スタック上端部ダミーセル挿入 1 高性能モジュールに設置 2 ガスリークは完全に抑制 3 約 30% のセルで低電圧現象を確認原因 : セパレータ材焼鈍時のアルミ付着と判明 8
開発経緯及び成果の概要高積層スタック技術の開発 (3) 事業原簿 44 5 具体的成果 ( 再製作 125 セルスタックの主な特性 ) 6 達成度 1 前処理方法時のスタック傾斜及び沈み込み : 設計値内 2 スタックガスリーク : 設計値内 3 セル電圧 :125セル中 35セルの電圧が高負荷時大幅低下 1 下部ヘッダ方式 250セルスタック未達成 2 下部ヘッダ方式 125セルスタック完成 3 アルミ付着原因除去後のスタック ( 中間ヘッダ方式 140セル ) を万博に導入し 良好な結果を確認 9
事業原簿 44 開発経緯及び成果の概要高積層スタック技術の開発 (4) 7 課題と今後の対応 (125 セルで完成した技術の 250 セルへの適用 ) 1 250セルスタック前処理時の温度管理方法確立 ( シミュレーション解析による前処理最適化 2 高積層スタックの内部抵抗低減化対策実施 3 提言 : 1 2に基づいて開発した250セルを民間 MCFC 関連プロジェクトに導入して実証及びMCFCを活用した新規プロジェクトの導入促進施策を期待 10
事業原簿 45 11
開発経緯及び成果の概要加圧小型発電システム開発 (1) 事業原簿 45 1 トータルシステム検証結果 (125 セルによる ) 運転圧力 出力 運転時間 スタック電圧低下率 送電端効率 (HHV) 開発目標 0.4MPa 程度 (300kW 級 ) 5,000 時間 0.3%/1000 時間度 @200mA/cm 2 43% 結果 0.3MPa 程度最大 155kW 4,839 時間 0.39%/1000 時間程度 @200mA/cm 2 約 41% 12
開発経緯及び成果の概要加圧小型発電システム開発 (2) 事業原簿 45 2 達成度 (125 セルによる ) 発電時間 スタック電圧低下率 出力 送電端効率 合計発電時間ではほぼ達成したが TCG 運転による発電時間は約 35% に留まった ほぼ達成 最大 155kWは当該規模での世界初の加圧最高記録約 2% 不足理由 : 電池スタックの内部抵抗が設計値を上回った 13
事業原簿 45 開発経緯及び成果の概要加圧小型発電システム開発 (3) 3 課題と今後の対応 1 250 セルスタックの開発 2 提言 : 250 セルを民間 MCFC 関連に導入し実証及び MCFC を活用した新規プロジェクトの導入促進施策を国 地方自治体などに期待 14
事業原簿 45 15
開発経緯及び成果の概要高性能モジュール開発 (1) 事業原簿 45 1 モジュール検証結果 (125 セルによる ) 運転圧力 出力 開発目標 1.2MPa 程度 想定 170~190 kw(dc) 結果 1.2MPa 最大出力 :120kW(DC) ( 電流密度 :1590A/m 2 燃料利用率:48.5%( 内部 ) 73.8%( 外部 )) スタック特性 高性能モジュール基本特性 発電端効率 (LHV) - - 47% スタック電圧 - 電流特性ほぼ計画値を確認 差圧制御性 ガスリサイクル特性及び炭酸ガス分圧調整技術に関する運転安定性良好を確認 39.4%( 最高性能セル基準 44.4%) 16
開発経緯及び成果の概要高性能モジュール開発 (2) 2 達成度 (125 セルによる ) 最大出力 高性能モジュールの基本特性 事業原簿 45 計画値を大幅に下回った理由 : 125 セル中 35 セルのセパレータへのアルミ付着によりスタック内部抵抗が大きく負荷時に電圧降下を来たしたため 高圧運転時の差圧制御性 ガスリサイクル特性及び炭酸ガス分圧調整技術に関する運転安定性を確認でき基本特性は計画通りであった 発電端効率 炭素析出 目標値を下回った理由 : セパレータへのアルミ付着に伴うスタック内部抵抗増大により大幅な電圧降下を来たし設計出力が確保できなかったため 557 時間連続運転においてはガス流路閉塞等確認できず 17
事業原簿 45 開発経緯及び成果の概要高性能モジュール開発 (3) 3 課題と今後の対応 1 250セルスタックの開発 2 長時間運転によるモジュール安定性とスタック劣化状況の把握 3 提言 : 250セルを民間 MCFC 関連プロジェクトに 導入して実証及び MCFC を活用した新規 プロジェクトの導入促進施策を期待 18
事業原簿 45 開発経緯及び成果の概要電池材料の改良研究 (1) 1 目的 2 開発課題 スタックの長寿命化 高性能化と製作費低減による総合コストダウン 高性能化 ( 内部抵抗抑制による電圧改善 ) 長寿命化 ( 耐高圧運転のためのカソード電極と電解質の改善 ) 材料確保の容易化 長寿命セルの実スタックへの適用 高積層スタック前処理方法の抜本的改善 19
開発経緯及び成果の概要電池材料の改良研究 (2) 事業原簿 45 3 実施内容と成果 (1) カソード 電解質 内容 新カソード材料の開発 [IHI,JFCC] Li/Na 電解質の 1m 2 級セルへの採用 [IHI] アルカリ土類 (Ba,Ca など ) の添加 [JFCC, 電中研 ] 電解質保持板材料粉の変更 [IHI] 結果 MgFe 2 O 4 被覆カソード採用により電解質への Ni 溶出を約 1/4 に低減 内部抵抗低減と Ni 溶出抑制 Ni 溶出抑制 α 型原料粉採用による Ni 溶出抑制と保持板製造安定化達成 20
事業原簿 45 開発経緯及び成果の概要電池材料の改良研究 (3) 3 実施内容と成果 (2) 長寿命化対策の併用による検証 [ 電中研 ] 長寿命化対策を採用した実セルを製作 [IHI] 内容 MgFe 2 O 4 被覆カソード採用 電解質の Li/Na 比率変更及び Ba,Ca 添加 MgFe 2 O 4 被覆カソードと α 型電解質保持板原料粉採用 結果 単セルの高圧寿命加速試験によりほぼ 40,000 時間を見通した 1m 2 級 10 セルで 1,000 時間の発電試験終了 プレ含浸電極の開発 [IHI] 1m 2 級電極開発に先立ち含浸条件の最適化 含浸最適条件で単セルを製作し 発電試験にて成果確認 21