成果報告書詳細
管理番号20110000000890
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発 実用性向上のための技術開発 運用性向上のための起動停止技術
公開日2011/9/28
報告書年度2008 - 2010
委託先名TOTO株式会社
プロジェクト番号P08004
部署名新エネルギー部
和文要約固体酸化物形燃料電池(以下SOFCと表記)は高い発電効率に加えシンプルな発電システムを構築することができ、高効率な分散型電源として期待されている。これまでSOFCは、起動停止や大きな負荷変動を伴わないベースロード負荷に対する運転に好適とされ、定負荷連続運転における性能評価が中心であった。一方、業務用途では、夜間や休日の電力需要は1/3程度であること、メンテナンスに伴う計画停止があり、負荷変動や起動停止に対する耐久性についても改善を図っていかなければならない。
 そこで本開発では、熱衝撃の影響を受けにくいスタック・モジュール構造の開発を実施し、実運転下で想定される起動停止モードである冷起動停止(Cold Start-up and Stop ⇒CSS)および暖起動停止(Hot Stand-by and Start-up ⇒HSS)条件を構築させる。熱衝撃に優れるモジュールで上記構築した起動停止運転条件を合計50回(CSS5回、HSS45回)程度実施し、起動停止250回でスタックの電位低下率が10%以下(CSS 5%/25cycle(=CSS 0.2%/cycle)、HSS 5%/225cycle)を見通すことを中間目標とした。中間目標を達成するために技術課題であるスタック構造の開発、モジュール構造の開発およびCSS・HSS運転条件の設定に取り組んだ。これらの技術課題を盛り込んだ1kW級モジュールで運転検証を行った。
 スタック構造に関しては、金属フレームでスタックを囲むフレーム固定化スタックを開発した。20サイクルのCSS試験を実施し、性能低下率0.17%/cycleであり目標CSS 0.2%/cycle以下を達成できる見通しを得た。
 モジュール構造に関しては、フレーム固定化スタックを搭載するモジュール構造を設計した。起動停止運転で課題と想定されたロット部、仕切り板部、空気ヘッター部および燃料分散室の開発を実施し、各々のパーツについて目標達成可能な仕様を決めることができた。
 CSS・HSS運転条件の設定に関しては、フレーム固定化スタックを用いて起動停止時の熱量をパラメーターに最適な運転条件を検討するとともにシミュレーションを併用し集電部への応力状態を評価した。CSS運転については起動時の加熱を段階的に増加させること、HSS運転については燃料枯れが生じないような制御方法を開発することで目標達成できる見通しを得た。
 改良したフレーム固定化スタックで仕様決めをした1kW級モジュールを製作し、前述するCSS・HSS運転条件で運転検証を行った。その結果、CSS運転で0.1%/cycle(目標0.2%/cycle以下)、HSS運転0.079%/cycle(0.022%/cycle)であり、HSS運転で目標を達成することができなかった。
 モジュールを解体した結果、一部の仕切り板で目開きがありその部分に位置するセル開口部において破損が認められた。不具合の発生していない箇所の電位低下率が0.009%/cycle(0.022%/cycle)であったことから、目標未達の主要因はセル開口部の破損によるものと考えられた。そこで、シミュレーションを併用し原因究明を行った。その結果、仕切り板にわずかな目開きがあると、HSS運転の低負荷時において燃料ガス流速が低下することで燃焼室内の燃焼反応が仕切り板近傍に接近し、仕切り板近傍の温度が上昇することでさらに仕切り板自身が収縮し目開きを拡大させ、セルに熱衝撃を与え破損することが判明した。対策として、仕切り板構造の改善と仕切り板に冷却空気を供給する構造が考案され、いずれかを採用することで問題解決を図れるものと考えられた。
英文要約 In this project, development of robust SOFC stack and module structure against thermal shock is carried out and
cold start-up and stop (CSS) condition and hot stand-by and start-up (HSS) condition are developed. The interim
objective by fiscal 2010 is to foresee degradation rate below 10% at 250 times under the above-mentioned CSS
and HSS condition with the developed module by implementing 50 times(CSS 5times and HSS 45 times). That is,
the objective of CSS is below 0.2%/cycle
and that of HSS is below 0.022%/cycle. In order to accomplish the interim objective, development of stack structure
and module structure and setting of suitable CSS and HSS condition were tried.
A flamed-bonded stack structure surrounding by metal-frame was developed in the stack. As a result of the 20-cycle
CSS test, degradation rate was shown 0.17%/cycle and it could be foresee to reach the objective of CSS.
In the module, a module structure installing the flame-bonded stack was designed. The supposed problems which
were collector rods, division plate between hot module and combustion chamber, air header and dispersion room
of fuel were confirmed under the CSS and HSS condition and it was decided the feasible specifications of the
each parts.
In order to optimize the CSS and the HSS condition, some stress conditions at the collector parts were evaluated
by using the real flamed-bonded stack as a calorific parameter under start-up and stop situation with simulation
technology. It could be foreseen to reach the objective that the heating-up under the start-up was gradually
acted under the CSS operation and controlled method without running short of fuel was developed under the HSS
operation.
A 1kw-class module installing the above-mentioned framed-bonded stack and module parts was fabricated and the
operation was acted under the above-mentioned CSS and HSS condition. The degradation rate was shown 0.1%/cycle
under the CSS and 0.079%/cycle under the
HSS respectively.
When the 1kW-class module was taken apart, a part of the division plate was recognized some clearance between
cells and the parts around the clearance in the cells were broken. It was considered that the phenomenon
breaking the cells was main-degradation factor since the degradation rate except the area including the broken
cells was shown 0.009%/cycle under the HSS. As a result of the analysis, it was obvious that combustion reaction
is generated near the division plate and the temperature of that got higher and the plate was started contracting
by itself and the clearance was expanded and the cell reached crack when there is a little clearance between
the division plate and the cell under the HSS condition. As the solution, the improvement for the structure of
the division plate and the structure supplying cooled air to the division plate were proposed. It was considered
that applying either solution would be solved the problem.
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