マイクロチューブ型固体酸化物形燃料電池(SOFC)を集積したコンパクトで低温運転可能な燃料電池モジュールを開発

　独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 野間口 有】（以下「産総研」という）先進製造プロセス研究部門【研究部門長 村山 宣光】機能モジュール化研究グループ【研究グループ長 藤代 芳伸】、ファインセラミックス技術研究組合【理事長 加藤 太郎】（以下「FCRA」という）・日本特殊陶業株式会社【代表取締役社長 加藤 倫朗】（以下「日本特殊陶業」という）、東邦ガス株式会社【代表取締役社長 佐伯 卓】（以下「東邦ガス」という）は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の多用途展開を可能とする高性能マイクロチューブ型SOFCの高集積化モジュールを開発した。

　SOFCは通常800 ℃以上の高温にて運転されるため、適用分野が限られており、従来では困難であった低温作動や急速運転(起動・停止)が可能なSOFCモジュールの実現が望まれていた。今回、さまざまなシステム仕様に対応できる、数10～数100 Wクラスを想定した発電モジュールを作製し、ガスマニホールドの接続状況、集電状況の確認と特性把握を行うため、モジュールの発電試験を行った。マイクロチューブ型SOFC集積ユニットを2個搭載したモジュール(セル数90本)は、2 W/cm³レベルの高い発電密度を確認しながら、40 %以上の発電効率と50 W以上の出力を得た。さらに集積ユニット8個を搭載した200 W級モジュールの開発に成功し、数100 Wクラスモジュールの基本的な作製、評価技術を確立した（図）。今後、200 W級モジュールを用いて、自動車用補助電源(APU)、小型コージェネレーションなどへの適用性を評価していく。

　本研究成果は、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（以下「NEDO」という）プロジェクト「セラミックリアクター開発」によるもので、平成21年9月16日に愛媛大学で開催の、日本セラミック協会 第22回 秋季シンポジウム、および平成21年10月6日にオーストリア、ウイーン市で開催の、第11回SOFC国際シンポジウムにて発表される。

マイクロチューブ型SOFC高集積モジュール

　燃料電池は高い発電効率が実現でき、地球温暖化の原因の1つといわれるCO₂発生量を大幅に削減する技術として、さまざまな方式のものが開発されている。そのなかでも最も効率が高い燃料電池はセラミックス部材から構成される固体酸化物形燃料電池（SOFC）である。SOFCはほかの燃料電池に比べて高い温度領域（800-1000 ℃）で作動するので、排熱を燃料改質や貯湯へ利用でき、システム全体のエネルギー効率を大幅に向上させることができる。さらにほかの燃料電池に比べ高い長期安定性が実証されている。しかし、これまでのSOFCは高温で作動するため、熱サイクルや負荷変動の少ない発電設備への応用などに限られていた。そこでSOFCの適用範囲を広げ、家庭用分散電源、移動電子機器用電源、自動車などの補助電源等に幅広く利用するために、作動温度が650 ℃以下で、急速起動・停止が可能なSOFCモジュールの実現が望まれていた。急速起動・停止を可能とする技術として、マイクロチューブ型SOFCが有望視されているが、集積化が困難なため、産業ニーズの高い数W～数kWの発電規模をカバーする小型・高効率なSOFCモジュールの実現が望まれていた（図1）。

図1　各種燃料電池開発状況とコンパクトなSOFC開発の必要性

　産総研、FCRA・日本特殊陶業、東邦ガスは共同で、NEDOプロジェクト「セラミックリアクター開発」（平成17-21年度）の一環として、作動温度が650 ℃以下、高出力で急速起動が可能なSOFCを実用化させるための研究を行ってきた。これまでに、急速起動が可能なSOFCとして、ミリ-サブミリメートルオーダー径の高性能マイクロチューブ型SOFCの開発に成功し、角砂糖ほどの大きさの集積ユニット（キューブ）の製造方法を確立、550 ℃という低温において2 W/cm³以上の発電特性を実証している（平成19年3月29日プレス発表）。また、集積ユニットや、モジュールの性能向上のために、マイクロチューブ型SOFCの改良に関する取り組みも同時に行っており、米国科学雑誌「Science」（平成21年8月14日）にその技術を発表した。

　このような高性能マイクロチューブ型SOFCを利用したシステムを実用化するためには、これらのマイクロチューブ型SOFCの集積度を上げるとともに、所要の出力に応じて自由な電気接続を可能とする高集積化技術やマニホールド等の接続を含めたモジュール化技術の確立および検証が必要となる。産総研、FCRA・日本特殊陶業、東邦ガスは、これらのさまざまな製造技術を検討し、マイクロチューブ型SOFCを高集積化したプロトタイプモジュールの開発を進め、発電特性を評価することにより作製技術の有効性を確認した｡産総研が各モジュール要素の基本性能を評価し、その結果をもとにFCRA・日本特殊陶業がモジュールの設計および製造を行った。そして東邦ガスが完成したモジュールの実証評価を行うという分担で研究を進めた。

　今回は、急速起動・停止に強い構造であるマイクロチューブ型SOFCを高集積化し、高イオン伝導性材料として知られているガドリニア固溶セリアおよびスカンジア安定化ジルコニア系電解質を用い、50 W級モジュールでの発電性能を確認した。具体的には部材の形状精度を向上させて作製した15-30 W級の集積ユニット（3並列9-15段直列）を複数組み合わせることで、任意の発電出力が得られるモジュールの作製を行った。この50 W級モジュールはマイクロチューブ型SOFCを3並列15段直列で構成した集積ユニット（図2）を2個並列で接続したものであり（セル数90本）、体積発電密度2 W/cm³レベル（集積ユニットあたり）でモジュールの発電を行い、発電効率40 %以上において出力50 W以上を得た（図3）。また、燃料利用率の低い条件では、さらなる高出力が得られることを確認している。本研究開発ではさらに200 W級モジュールを完成させ、評価を行っている。この200 W級モジュールは、集積ユニットを8個集積した複雑な構造であるが、ガスマニホールド、集電構造も含めた発電ユニットの作製に成功したことで、大出力化への見通しが得られ、SOFCの多用途展開に一歩を踏み出せたと考えている。

図2　小型・高効率なSOFCセルとモジュールの開発

図3　50 W級モジュールの発電試験結果

　今回の小型高集積型SOFCモジュールは、単位体積当たりの集積度（電極面積）が世界最高レベルの発電モジュールであり、燃料電池システムの小型・高出力化に有効な技術である。また、基本構成要素となる集積ユニットにおいて1 cm³当たり2 W以上のモジュール発電が可能なことを実証できたため、マイクロチューブ型SOFC高集積型モジュールを開発するための製造・評価技術が確立できたと考えている。

　今回開発したマイクロチューブ型SOFCのモジュール化技術により、小型移動機器用電源となる数10 Wクラス（モジュール体積寸法：数10 cm³）から、自動車用補助電源、家庭用電源へ適用可能な数kWクラス（モジュール体積寸法：数1000 cm³）までの実用化展開が加速するものと考えられる。

　今後は、セル、モジュール構成をさらに改善するとともに、さまざまなシステム仕様に対応できるモジュールの実現に向けて、いろいろな作動条件での検証や、さらなる性能向上を試み、耐衝撃性が高く、急速起動等が可能な高性能発電モジュールとしての開発を展開していく。

◆固体酸化物形燃料電池 (SOFC; Solid Oxide Fuel Cells)

 

燃料電池は、水の電気分解の逆反応で水素と酸素の化学反応から直接発電することができる高効率でクリーンな発電方法で、いくつかの方式について開発が進められている。そのなかで、SOFCは酸化物を用いた燃料電池であり、800-1000 ℃において運転を行うことから、高効率、高耐久性であり、さらに排熱を利用することで総合エネルギー効率が高くなるため、実用化が期待されている。一方、高温作動で熱衝撃に弱いため急速起動・停止が難しいという欠点がある。最近は500-600 ℃台の低温作動化や小型高効率化、並びに急速起動・停止を可能とするための研究開発が指向されており、家庭用のコージェネレーションシステムや自動車等の輸送機器の補助電源（APU）への適用が将来的に期待されている。[参照元へ戻る]

◆マイクロチューブ型SOFC

 

燃料電池をマイクロチューブ化することで耐熱衝撃性が高まり、急速起動運転が可能になることが期待されている。またチューブ径を小さくすることで、燃料電池体積当たりの発電出力が飛躍的に増加するので、モジュールの小型・低温化も可能になることが報告されている。通常は燃料極材料でチューブを作製し、電解質と空気極がチューブ表面に形成される。これまでに0.4-2 mm 径を有する高性能マイクロチューブ型SOFCが開発されている。[参照元へ戻る]

◆モジュール

 

燃料電池そのものに加え、それらを集積して発電を行う際の、最小ユニットを指す。通常、燃料電池、ガスシール、マニホールド等を含む一体の構造体をモジュールと呼ぶ。[参照元へ戻る]

◆急速運転

 

SOFCを利用するには運転温度までSOFCを昇温する必要がある。その際、急速昇温・停止は使用便宜上好ましいが、一方で発電モジュール中に大きな温度分布を生じさせ、熱応力によりセラミックス構造体を破損させてしまうことがある。そのため急速昇温・停止はSOFCの大きな技術的課題となっている。従来のSOFCシステムでは1時間以上の起動時間が必要であるといわれているが、マイクロチューブ型SOFCではバーナー直接加熱等による瞬時の起動においても問題なく運転できる。[参照元へ戻る]

◆マニホールド

 

燃料電池に供給する燃料ガスや空気の導入に必要な部材を指す。[参照元へ戻る]

◆発電密度

 

通常は電極面積1cm²当たりの発電電力を指す。燃料電池の体積あたりの発電量で比較する場合は体積発電密度として表し、通常の発電密度とは区別して記載する。[参照元へ戻る]

◆自動車補助電源(APU)

 

自動車の高性能化に伴い、近年の自動車はより多くの電力を必要としている。その際に必要な電力を供給する、補助的な電源のことである。一般的には長距離トラックドライバーが仮眠を取る際のエアコン運転に補助電源を利用することで、アイドリングによるエネルギーロス、大気汚染物質の排出を最小化することなどが、想定されている。[参照元へ戻る]

◆コージェネレーション

 

エネルギー源の排熱を利用して総合エネルギー効率を高める手法のこと。系統電源と分散電源を組み合わせたシステムを意味することもある。[参照元へ戻る]

◆セラミックリアクター

 

物質・エネルギー変換が可能な機能性セラミックス材料を利用した化学反応制御システム。例えば、イットリアを固溶したジルコニア（ZrO₂）セラミックス（YSZ）等の酸素イオン伝導性材料では結晶中を酸素イオンが拡散して移動する性質を利用し、センサー、燃料電池発電およびガス浄化等へ利用が可能である。[参照元へ戻る]