高効率発電を可能とする固体酸化物形燃料電池の セルスタックの

発 電
NTTグループの環境負荷削減に向けたR&D
燃料電池
セルスタック
特
集
高効率発電を可能とする固体酸化物形燃料電池の
セルスタックの開発
はやし か つ や
燃料と空気中の酸素の反応から直接電気をつくる発電装置，それが燃料電
よ こ お
まさゆき
林
克也 /横尾 雅之
池です．その中でももっとも高い変換効率が期待できるのが「固体酸化物形
よ し だ
よしてる 燃料電池」です．発電の効率が高いので，同じ量の電気を得るのに排出する
吉田 吉晃 /荒井
あ ら い
はじめ
創
CO2 量も少なくてすみます．本稿では，発電によるCO2 排出量削減を目指す
NTT環境エネルギー研究所
この固体酸化物形燃料電池の研究開発を紹介します．
燃料電池，そしてSOFC
燃料電池は，電池と呼ばれています
が，ある電池容器内に電気を蓄えてい
これにより，発生するCO 2 の量が少な
と期待されているのが，現在NTT環境
くてすむことになります．
エネルギー研 究 所 で開 発 が進 む
図１に示すように，燃料電池には，
「 SOFC（ Solid Oxide Fuel Cell：
固体酸化物形燃料電池）」です．動作
複数のタイプが検討されています．
温度は，PEFCの70 ℃程度に比べて，
る電池，例えば乾電池や，充電して繰
最近の実用化例としては，この燃料
り返し使用可能な鉛蓄電池，ニッケル
電池の１つであるPEFC（Polymer
SOFCでは700∼1 000 ℃と高くなり
水素蓄電池，リチウムイオン電池など
Electrolyte Fuel Cell： 固 体 高 分
ます．そのために，高温で使用できる
の蓄電池とは異なり，発電装置という
子形燃料電池）を用いたものがありま
材料も限られてきますし，その技術的
ほうが適しています．換言しますと，
す．それはPEFCによる発電と，同時
難易度は高いものになります．
蓄電池は，電気があって初めて繰り返
に発する熱を主として給湯に利用する
しその電気を貯めておけるシステムで
家庭用燃料電池コジュネレーションシ
すが，燃料電池は，天然ガスやLPG，
ステムで，「エネファーム」という愛称
燃料電池で発電を行う部品または素
灯油等を燃料として用い，空気中の酸
で発売され注目を集めています．しか
子は，
「セル」と呼ばれるものになりま
素と反応させ，直接電気を生み出すシ
し，燃料電池単独で，使用する燃料
す．SOFCの場合，いろいろなセル形
ステムになります．火力発電でも類似
を電気へ変換する効率がもっとも高い
状が提案されていますが，NTT環境エ
SOFCセル
の燃料を用いて発電を行いますが，燃
料を燃焼し，その熱エネルギーによっ
てタービン等により運動エネルギーに
変え，発電器を回して電気を生み出す
（%, LHV）
ように多段階に変換を行いますので，
70
その変換のたびに効率が低下してしま
60
います．燃料電池は，火力発電と異な
り燃料から電気へ変換が一段階ですむ
のでその効率が高くなります．
もちろん燃料電池の燃料は天然ガス
等なので炭素を含みます．このため，
発電時にCO 2 は発生しますが，その発
電効率が高いため同じ電気量を得るた
PEFC
PAFC
MCFC
SOFC
総
合
発
電
効
率
固体高分子形（80 ℃）
リン酸形（200 ℃）
炭酸溶融塩形（650 ℃）
固体酸化物形（800 ℃）
SOFC複合発電
MCFC複合発電
50
SOFC
PAFC
40
MCFC
ガスタービン複合発電
ガスエンジン複合発電
30
PEFC
ガスタービン
ガスエンジン
20
自動車・
家庭用
10
オフィスビル用
大規模発電用
0
1
10
100
1 000
発電規模
10 000
100 000
（kW）
図１ 燃料電池の種類とその適用範囲および発電効率
めに使用する燃料は少なくてすみます．
NTT技術ジャーナル 2009.8
23
NTTグループの環境負荷削減に向けたR&D
ネルギー研究所では，電極面積当りの
燃料極は，上記の電解質と同じ材
出力が大きく取れる「平板燃料極支持
料であるSASZとニッケルとで，「サー
（1）
型セル」を開発しています ．
NTT環境エネルギー研究所の開発
したセルの模式図を図２に示します．
が流れるように「インタコネクタ」と
呼ぶ部品を位置させます．
メット」と呼ばれるセラミクスと金属
インタコネクタにおいて，電気は導
の混成物質から構成されています．
電体であるインタコネクタの中を流れ，
これらの材料から構成されるセルで，
ガスはインタコネクタに形成した空間
2
セルは，通常の電池と同じように，い
電極面積当りの出力が1.6 W/cm と
を流れます．このため，そのインタコ
わゆるプラス極，電解質，マイナス極
世界最高級の性能を有しています．そ
ネクタをどう設計するか，またインタ
から構成されます．燃料電池の場合，
して，大出力発電が可能なように性能
コネクタとセルとの接続をいかに行う
それぞれを，「空気極」「電解質」「燃
を損なうことなくφ120 mm大のセル
かが，スタック性能を左右させます．
料極」と呼びます．
開発を完了しています．
空気極には，NTT環境エネルギー
研 究 所 が 開 発 し た 「 L N F
（LaNi 0.6 Fe 0.4 O 3 ）」を用いています．
スタックでは，導電体や絶縁体など
材料や形態の異なる部品を用いますが，
SOFCスタック
それらの部品の間でガスの漏れが起き
ないようにする必要があります．これ
１枚のセルの発電時の電圧は0.6∼
このLNFは，高い伝導性を示し，熱
0.8 V程度になります．そのため，発電
を「ガスシール」または単に「シール」
膨張係数も電解質とほぼ同じで，さら
システムとして燃料電池を考えると，
と呼んでいますが，この技術もスタッ
に，後述するインタコネクタの材料に
セルを複数個使用し，電圧が必要であ
ク性能の鍵を握ります．
含まれ，空気極性能を劣化させるとい
れば直列に接続し，電流が必要であれ
そのほかにも，室温から高温まで変
われるクロムに対しての耐性が高いこ
ば並列に接続して所定の仕様を満たす
化させますので，ほぼ同じ熱膨張係数
とが特徴に挙げられます．
ように設計することになります．この
を有する材料を用いる必要があります
セルの集合体を「スタック」と呼び，
し，同時にそれらの部品に含まれる物
位置し酸素イオンを運ぶ役割を担いま
セルを直列に接続したスタックを模式
質が，発電素子であるセルを劣化させ
す．これによって，外部に電気を流す
的に表したのが，図３になります．
ないことが大切になります．
電解質は，空気極と燃料極の間に
上記のような特性を満たすために，
ことが可能になります．この電解質も，
直列につないだ各セルの空気極に空
N T T 環 境 エネルギー研 究 所 開 発 の
気を，燃料極に燃料を必要分送り，
「SASZ （アルミナ・スカンジア安定化
さらに，あるセルの空気極とその１つ
「SOFCスタック」を開発しました．開
上に位置するセルの燃料極の間に電気
発したスタックにおける１セル当りの
ジルコニア）
」を用いています．
空気極：LNF
・高い導電性
・熱膨張性適
・クロム耐性
さまざまな試行錯誤を繰り返した結果，
セル１枚は
約１V以下
+
空
気
インタ
コネクタ
電解質：SASZ
燃料極：Ni-SASZ サーメット
図２ 平板燃料極支持型セルの
模式図
24
NTT技術ジャーナル 2009.8
セル
+
セル
-
実用電力には
セル集合体（スタック）
とすることが必要
図３ セルを直列に配置したスタックの模式図
燃
料
特
集
構成（単セルユニット）を図４に示し
料極側は，燃料の排ガスを回収
の出力を目標に50セルを用いたスタッ
ます．
し，２つのマニホールドで効率良
クを作製しました．ここでは，単セル
く排気を行う構造としました．
ユニットを重ねることによる電気的接
・セルとほぼ同じ熱膨張率を有する
続およびガスシールの性能が維持でき
このスタックの基本構成である「単
セルユニット」の主な特徴は下記のと
インタコネクタを採用しました．
おりです．
・各プレートおよびセルホルダを重
■単セルスタック
るかに加えて，50個の各セルへ供給す
るガスが等分配され同等の性能が得ら
ねることにより，セル周り部分の
単セルユニットを１つ用いたスタッ
保持とその外側に位置する４つの
ク，これを「単セルスタック」と呼び
マニホールドを構成する内部マニ
ます．この発電特性を図５に示します．
ホールドと呼ばれる形態を採用し
この図は，燃料に水素を用いて，電流
この50セルスタックにおいては，そ
ました．
値を0 Aから27 Aまで変化させたとき
の信頼性を向上させるために，単セル
の電圧の変化を示しています．27 Aの
ユニットを重ねるだけでなく，10ユニッ
のプレートにより， 外 側 のマニ
電 流 値 で0.87 Vが得 られますので，
トごとに厚めのプレートを挿入しまし
ホールドからセルの中心部分にガ
23.5 Wの出力が得られたことが分かり
た．これは，セルユニットの積み重ね
スを供給する構造としました．
ます．
による若干のずれや歪などを補正し，
・空気極および燃料極ともに，２枚
・空気極側は，そのまま空気の排ガ
この単セルスタックで，水素または
スをスタックの外側に解放し，燃
メタン改質ガスを燃料として長時間発
電を行いました．その結果，延べ計
7 000時間の発電において，約60％の
燃料排気
マニホールド
空気極プレート#1
発電効率を維持できることを確認しま
（2）
空気極プレート#2
セルホルダ
燃料極プレート#1
した ．
れるかが鍵になります．
50セルを用いたスタックの外観を図
６に示します．
電気的接続およびガスシール性を向上
する機能を有しています（3）．
水素を燃料とした50セルスタックで
の電流電圧曲線を図７に示します．
これにより，設計どおりに2 7 A で
1 000 Wを超える1 200 Wに迫る出力
また，単セルユニットで良好な性能
を得られることを確認しました．また，
を発することが分かりましたので，こ
各セルにおける電流を流していないと
れを用いた大出力のスタックの検討を
きの電圧であるOCV（Open Circuit
行いました．
Voltage： 開回路電圧）と，27 A時
■１kW級スタック
の電圧を図８に示します．どちらの場
燃料極プレート#2
空気供給
マニホールド
燃料供給
マニホールド
燃料排気 セル
マニホールド
図４ 開発したSOFCスタックに
おける単セルユニット
１セル当り27 Aの電流値で20 W超
合でもすべてのセルがほぼ同じ電圧を
の出力が得られていたことより，1kW
示していることが分かります．この結
（V）
1.2
1.0
30 cm
17 cm
17 cm
0.8
ス
タ
ッ 0.6
ク
電
圧 0.4
（V）
70
（W）
1 400
60
1 200
50
1 000
ス
800 タ
ッ
600 ク
出
力
400
ス
タ 40
ッ
ク 30
電
圧 20
0.2
10
0
0
0
5
10
15
20
25（A）
電 流
図５ 単セルスタックの水素燃料
時の発電特性
空気
供給
燃料
排気
200
0
燃料
供給
図６ 50セルスタックの外観
10
20
電 流
0
30（A）
図７ 50セルスタックの水素燃
料時の発電特性
NTT技術ジャーナル 2009.8
25
NTTグループの環境負荷削減に向けたR&D
（V）
1.4
OCV
1.2
1.0
セ
ル 0.8
電
圧 0.6
27 A
（V）
50
（W）
2 000
40
1 600
0.0
ス
タ 30
ッ
ク
電
圧 20
ス
1 200 タ
ッ
ク
800 出
力
10
400
0
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
10
セル番号
20
30
40
0
50（A）
電 流
図８ 50セルスタックのOCVと
27 A発電時の各セル電圧
図９ 40セルスタックのメタン
燃料時の発電特性
果は，50セルスタックにおいて，各セ
ました．各燃料利用率に対する発電効
ルでの接続性能が同等であること，各
率を図1 0 に示します．燃料利用率が
セルへのガスの均等分配に優れること
70％時に53.9％の発電効率，燃料利
を表しています．
用率85％では63.9％の非常に高い発
さらに燃料を水素からメタン改質ガ
電効率を確認しました．また，1 000
スに変更したときも，燃料が水素時と
時間程度発電を継続したときの電圧低
ほぼ同様に，27 Aで1 200 Wに迫る出
下率は１％以下であることも確認しま
力を確認しました．ここで供給した燃
した．
料のうち電気に変わった比率，これを
「燃料利用率」といいます．この利用
今回，φ120 mmの燃料極支持型
ます．この燃料利用率を67％に高める
セルを用い，1.5 kW級の出力，60％
ことにより，出力1 120 Wで，53.4％
を超える発電効率を有するスタックを
という高い発電効率を達成しました．
開発しました．今後，このスタックを
■1.5kW級スタック
使用してのモジュール化，システム化
１k W 級の出力を発する5 0 セルス
を推進していきますが，同時にセルお
タックを開発した後に，スタックの小
よびスタックの高性能化を目指して取
型化を目指して，高出力化に取り組
り組んでいきます．
そして，この高効率発電システムの
とし， 電 流 値 を高 めることにより，
早期実現を行い，発電におけるCO 2 発
1.5 kW級の出力を目指すこととしま
生を少しでも削減することを目指しま
した．同時に各接続技術やシール技術
す．また，現状のスタック形態では，
を見直し，さらなる性能の向上検討を
発電において発生するCO 2 の回収が可
行いました．メタン改質ガスを用いた
能ですので，CO 2 を固定化することが
ときの40セルスタックでの電流電圧曲
できます．将来的には大気中にCO 2 を
線を図９に示します．
解放しない発電システムの実現も夢で
50 A時に，30 V超のスタック電圧
が得られ，約1 600 Wの出力を確認し
26
NTT技術ジャーナル 2009.8
1 800
1 600 W
1 560 W
90
80
ス
タ 1 200
ッ
ク 900
出
力
600
63.9%
53.9%
70 発
電
効
60 率
50
300
40
0
30
50 55 60 65 70 75 80 85 90（％）
燃料利用率
図10 40セルスタックのメタン 燃料
時の燃料利用率と発電効率
■参考文献
（1） 野沢・大類・小松・千葉・荒井：“高効率な
固 体 酸 化 物 形 燃 料 電 池 平 板 セ ル の 開 発 ，”
NTT技術ジャーナル，Vol.19, No.12, pp.20-25,
2007.
（2） 吉田・小松・千葉・横尾・林・大類・荒井：
“La（Ni,Fe）O3空気極を有する燃料極支持型
セルスタックの耐久性，”第16回燃料電池シ
ンポジウム講演予稿集，pp.145-148, 2009.
（3） 横尾・田畑・吉田・林・野沢・野崎・荒井：
“NTTにおけるSOFCスタックの開発，”第17
回SOFC研究発表会講演要旨集，pp.14-17,
2008.
今後の展開
率を高くできると発電の効率は高まり
みました．まず，使用するセル数を4 0
（％）
100
1 500
0.4
0.2
（Ｗ）
2 100
はありません．よりよい未来のために
我々は全力を尽くしています．
（左から）横尾 雅之/ 林
荒井
克也/
創/ 吉田 吉晃
セル，スタックから，今後モジュール化，
システムでの評価を行い，SOFCシステムの
早期実用化を目指します．そして，急務で
あるCO2排出量削減を，一日でも早く実現し
ていきます．
◆問い合わせ先
NTT環境エネルギー研究所
エネルギーシステムプロジェクト
高効率燃料電池システムグループ
TEL 046-240-3757
FAX 046-270-2702
E-mail hayashik aecl.ntt.co.jp