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燃料電池の発電効率を65%相当まで高める高効率化技術を開発
~世界で初・5kW級の小出力において発電効率65%相当を実証~

東京ガス株式会社
平成29年5月23日
広報部

 

東京ガス株式会社(社長:広瀬 道明、以下「東京ガス」)は、高い発電効率を特徴とする固体酸化物形燃料電池(以下「SOFC」)※1の発電効率をさらに向上させる技術を開発し、5kW級の出力規模のホットボックス※2においてDC端発電効率※373%LHV※4(AC発電効率※565%LHV相当※6)を実証しました。5kW級の出力規模においてAC発電効率65%相当を確認したのは、世界で初めて※7となります。

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することが可能であり、燃料電池の中でも特に発電効率が高い固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、高効率発電技術として注目されています。家庭用や業務用に実用化されているSOFCシステムは、化石燃料の中でも炭素成分が少なく環境性が最も高い天然ガスを主成分とする都市ガスを燃料とし、45~60%LHV程度の発電効率を実現しています。この発電効率は、現状の分散型電源としては最高効率ですが、低炭素社会の実現に向けてさらなる高効率化が望まれています。

今回、東京ガスが開発したSOFCの高効率化技術は、投入した燃料をより多く発電に利用するためのSOFCスタックの二段化技術と燃料再生技術の2つの技術と、少ない未利用燃料において熱自立する技術の、計3つの技術を組み合わせることにより、世界で初めて5kW級の出力規模にてAC発電効率65%相当を確認しました。

なお、今回開発したSOFCの高効率化技術の詳細については、2017年5月25日、26日に開催される第24回「燃料電池シンポジウム」にて発表します。
東京ガスは、本技術をベースに、プロトタイプ開発に向けて、本技術をベースにした研究開発をさらに進め、環境負荷の少ない都市ガスの高度利用を通じた低炭素社会の実現に貢献していきます。


図1. ホットボックスの外観写真
※1: 固体酸化物形燃料電池(SOFC):イオンが伝導可能なセラミックスを用いた高温で作動する(作動温度:600℃~900℃)燃料電池、Solid Oxide Fuel Cell。
※2: SOFCスタックや気化器、改質器、熱交換器等の高温で動作する主要部品を断熱材で覆った構成の呼称。
※3: ホットボックス単体にて発電した直流ベースの発電効率。
※4: LHV:Lower Heating Valueの略。燃料の燃焼熱に水分の凝縮熱を含めない時の効率値。
※5: 発電システムとして構成した場合に、燃料電池を動作させるためのエネルギーを差し引いた、顧客が利用できる交流送電端ベースの発電効率。
※6: 補機損を6%、DC-ACインバーター損失を5%と想定。
※7: 東京ガス調べ。2017年5月23日現在。

SOFCの発電効率の高効率化技術概要

今回開発したSOFCの高効率化技術は、投入した燃料をより多く発電に利用する2つの技術と、少ない未利用燃料において熱自立する技術の、計3つの技術を組み合わせています。

(1)投入した燃料をより多く発電に利用する技術(図2.参照)

一般的なSOFCでは、劣化を防ぐために、投入した燃料の20%程度は発電に利用していませんでした。本技術では、SOFCスタックを二段化し、一段目のSOFCスタックの発電後のガスを、一段目より必要とする燃料が少なくてもよい「小さな二段目のSOFCスタックの発電に再利用」することで、全体としては発電に利用する燃料を多くすることができ、発電効率の向上を可能にしました。同時に、各段では30%の燃料を残すことで、劣化するリスクの低減を可能としました。
一方、一段目のSOFCスタックの発電後のガスは、未利用の燃料ガスよりも、発電によって生成したH2OとCO2の濃度が高くなっており、そのままでは再利用できる量が限られます。本技術では、発電後のガスからH2OやCO2を除去してH2とCOの濃度を高める「燃料再生」を行うことで、二段目のSOFCスタックでも一段目と同程度の濃度の燃料ガスを発電に利用することができ、発電効率の向上を可能にしました。

(2)少ない未利用燃料において熱自立する技術

高温で作動するSOFCの発電には、ホットボックスを外部から加熱することなく、発電にともなうSOFCスタックの発熱と未利用の燃料ガスの燃焼熱により、必要な高温を維持する「熱自立」が必要です。投入した燃料をより多く発電に利用すると、未利用燃料が少なくなり、熱自立に利用できる燃焼熱は減少します。本技術では、ホットボックス内の高温ガスを有効に利用する技術の開発や、ホットボックスを小型化して放熱を減らすことで、SOFCの高効率発電時においても熱自立できるようにしました。

今回、東京ガスにてこれらの技術を組み合わせたホットボックスによるSOFCの高効率化の原理実証を行い、世界で初めて5kW級の出力規模にてAC発電効率65%相当を確認しました。


図2. 投入した燃料をより多く発電に利用する技術の模式図

以上

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