| 6. タスク6 純水素供給固体高分子型燃料電池の開発 6.1 研究開発目標 6.1.1 WE-NET第II期（H11～15年度）純水素供給固体高分子型燃料電池の開発目標 送電端効率45％程度（HHV基準，LHV基準で50％程度）を達成し得る純水素燃料に適合した燃料電池発電システムの要素技術を確立し，定置用30～50kW級発電システムの実証を行う。この研究開発において，次の目標を達成する。 (1) 送電端効率45％程度（HHV基準，LHV基準で50％程度） 6.1.2 平成12年度の目標 (1) ショートスタックを製作し、水素高利用率運転条件下で性能試験、起動・停止試験を実施し、電池本体が30ｋW発電プラントにて安定して運転できることを検証する。 6.2 平成1２年度の研究開発成果 6.2.1 水素高利用率運転方式の開発 純水素を燃料とする燃料電池システムでは、電池から排出される水素は、改質器等の熱源としては利用されないため、高利用率（96％以上）で運転を行う必要がある。一方、水素高利用率条件下では配流の僅かなアンバランスにより反応ガス不足が生じ、その部分では水素の代わりに構成材料のカーボン酸化により触媒機能劣化や触媒層構造劣化等の不可逆の構造変化が起き、電池性能が大きく低下する。このため水素高利用率条件下でも、性能を落とさず長時間運転が可能な電池の開発が重要になる。 6.2.1.1 カソード内部加湿法の開発 従来の固体高分子形燃料電池では、通常燃料側（水素側）を加湿しているが、高利用率運転では供給される水または水蒸気等がガス流路に凝縮することにより、水素供給を阻害する可能性が高い。そこで、カソード側の加湿方式による電池開発を行った。図6.2.1-1には、カソード加湿による3セルスタック（有効面積289cm2）のI-V特性を示し、図6.2.1-2,図6.2.1-3には水素利用率特性及び酸素利用率特性を示す。当面の目標である電流密度0.2A/cm2で0.75V以上の特性を示しており、また、セル間の電圧のバラツキも小さく良好な電池特性が得られた。また、水素利用率95％までほとんど一定な電圧となった。また酸素利用率特性も70％までは良好な特性となった。図6.2.1-4には長時間の電圧経時特性を示す。1,000時間程度ではあるが安定した特性を示した。 6.2.1.2 分割スタック方式（シリアルフロー方式）の開発 電池内での水素利用率を緩和するため、積層電池を2ブロックに分割して、水素を一つ目のブロックに流入させ、その排ガスを二つ目のブロックに流入させるシリアルフロー方式の検討を行なった。図6.2.1-5には、積層電池を2ブロックに分割した際の分割率と各ブロックの水素利用率を示す。スタック全体の水素利用率が96％でも適当な分割率を選定することにより、各ブロックでの利用率は80％程度の利用率まで低減して運転することが可能となる。 図6.2.1-6,図6.2.1-7には、積層電池の分割率が80％における15セルショートスタックの水素利用率特性と水素利用率96％での各電池電圧の経時変化を示す。水素の利用率は、96％までは良好なセル電圧を示し、また、水素利用率96％における運転でも電池電圧は安定していた。 上記の成果を反映させて、5kW級（100セル）のショートスタックを製作し、発電試験を実施した。スタック特性を図6.2.1-8に示す。高水素利用率でも安定した運転ができている。 6.2.2 供給水素ガスの超湿システムの開発 6.2.2.1 調湿システムの基本設計 各種の除湿方法を調査し、運用性や経済性などの観点から、今回は粒状吸着剤（吸湿剤）に湿分を吸収させる方法を採用する。しかし、この除湿方法では過湿状態のガスがほぼ完全な乾燥状態まで除湿されるため、吸湿剤を用いる一般的な除湿装置の下流に、燃料電池に供給する水素ガス量の変化に応じて加湿量を制御することのできる加湿装置を付加した〝調湿システム〟を構築することとした。 6.2.2.2 今後の進め方 次年度に、水素ガス量の変動に対する加湿装置の追従性や性能などの検証・確認を目的とした小規模な模擬試験を実施し、得られた知見やノウハウを詳細設計に反映させる予定である。 6.2.3 まとめ 今年度の研究で以下の成果を得た。 (1) 高利用率運転に適した電池加湿方法として、カソード側の加湿方式による電池開発を行った。この加湿による3セルスタック（有効面積289cm2）で当面の目標である電流密度0.2A/cm2で0.75V以上の特性と電圧の均一分布性を確認した。 以上の成果を反映させて、平成13年度は30kWプラントの製作及びプラント設置現場の工事設計を行う。 6.3 今後の進め方および課題 (1) 積層電池を２ブロックに分割するシリアル方式の長時間安定性の確認が必要である。
  |
