成果報告書詳細
管理番号20110000000962
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研究開発 運用性向上のための起動停止技術
公開日2011/10/12
報告書年度2008 - 2010
委託先名関西電力株式会社 三菱マテリアル株式会社
プロジェクト番号P08004
部署名新エネルギー部
和文要約1.シングルスタック発電モジュールの設計・製作及び評価試験
φ120mmセルを用いたシングルスタックモジュールにて起動停止及び出力変動試験を実施した。起動停止試験にて4.0%/40回の電圧低下率、出力変動試験にて2.3%/200回の電圧低下率を得た。この結果より起動停止50回+出力変動200回における電圧低下率は7.3%/250回と見積もられ、目標の電圧低下率10%/250回の見通しを得た。
普及時のコスト見通しを得るために高出力密度化及び大面積化を図ったφ170mmセルを用いたシングルスタックモジュールの開発を実施した。φ170mmセルスタックではスタック内部の抵抗分の増加やセル破損等による電圧低下が確認され、原因究明を実施した。抵抗分の増加は、放熱板等の溶接部の酸化、放熱板等とセパレータ間の接触不良、セパレータと剛性の異なる放熱板が挿入されることでセル設置部に歪みが生じセル-集電体-セパレータ間の接触不良が原因であることが特定された。また、セル破損については、セルの応力解析を実施し、セル面内の温度差が大きくなることや電解質の厚さが薄くなることでセルの発生応力が増加することが分かった。φ170mmセルでは高出力化を図るために、φ120mmセルよりも電解質の厚さを薄くしており、更にはセルの大面積化及び高出力化を図ることでセル面内の温度差が大きくなり、セルの破損に繋がったことが分かった。
抵抗分の増加の対策として、放熱板等のスタック構成部品の製作方法や放熱板等とセパレータとの接続方法の見直し、放熱板挿入枚数の適正化を実施した。また、セル破損の対策として、発電条件及び運転方法の見直しを実施した。
その結果、φ170mmセルスタックにおいても目標の電圧低下率10%/250回を見通すに至った。
2.マルチスタック発電モジュールの設計・製作及び評価試験
マルチスタック発電モジュールの設計に先立ち、水素窒素を使用しない起動停止方法を検討した。ガス流量、セル温度、改質器出口温度をパラメータに複数回のスタックユニット試験を実施し、起動停止の条件を探った。結果、起動停止に必要なガス流量として都市ガス0.026~0.030L/min/cell、水0.31~0.36cc/min/cell、空気3.0~3.6L/min/cell、温度条件としてセル温度-改質器出口温度<100℃(ただし、改質出口温度550℃以上ではスタック最高温度の制限無し)を抽出した。
φ170mmセルスタックを用いた5kW級マルチスタック発電モジュールの設計を実施した。モジュール内機器の配置検討等には熱流体解析コードを使用した。検討結果を基に、製作図面を作成し、モジュールの製作を実施した。
3.SOFCシステムを用いた運用性検証試験
2.で設計したマルチスタック発電モジュールの仕様に基づいて、制御装置、燃料空気供給装置、インバータの構成や機能を検討しSOFCシステムの基本設計を実施した。
英文要約Title : Development of System and Elemental Technology on Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
/Technological development for improving practical utility
/Stop-start technology for improving operability (FY2008-FY2010)
Final Report
1. Single stack module design, manufacture, and evaluation.
Cyclic start-up and shut-down experiments as well as power fluctuation tests have been performed using
the single stack module containing cells of 120mm in diameter. Voltage degradation rate was 4.0% for 40
times start-up and shut-down cycles, and that was 2.3% for 200 times output power fluctuation. Based
on the above experimental results, the estimated voltage degradation rate at 50 times start-up and
shut-down cycles with 200 times output power fluctuation was 7.3%, which achieved the target value of
under 10% degradation.
Single stack modules composed of high power cells with the diameter of 170mm were developed. The cyclic
start-up and shut-down experiments of the single stack composed of the high power cell were carried out,
and the increase in the electrical resistance inside the stack and the voltage degradation caused by the
broken cells were recognized. The following three points were revealed as the major reasons for the
electrical resistance; the first is the oxidation of the welding parts among components of the radiator
plate; the second is poor electrical contact between separators and radiator plates; and finally, the
electrical contact among cells, current collectors and separators is worsen because the difference of
the stiffness between separators and radiator plates brings the deflection of the stack over allowable
level. The novel design of the stack around radiator plates was adopted and the improvement of the
assembling process of the stack components including the radiator plates has been done to solve those
problems. Furthermore, the number of radiator plates was reduced. On the other hand, stress analysis was
performed to investigate the mechanical damage of the cell. Since the temperature variation depends on
the current density, heating rate, and so on, operating condition which can prevent the cell damage was
investigated. Through the improvements of both the stack design and the operating condition, targeted
degradation rate under 10% per 250 times can be expected.
2. Multi stack module design, manufacture, and evaluation.
Before the designing of a multi stack module using the high power cells, single cell experiments were
performed to determine the start-up and shut-down condition without supplying hydrogen and nitrogen to the
stack. Effect of gas flow rate variation on the electrodes was investigated as a function of the
temperature of the stack and the steam reformer. Necessary flow rates to maintain the reliability of the
cell are 0.026 - 0.030 L/min・cell of town gas, 0.026 - 0.030 cc/min・cell of water and 3.0 - 3.6 L/min・cell
of air. The following temperature condition was also deduced that the temperature difference between the
cell and the outlet of the reformer was limited under 100K while the outlet temperature of the reformer
was below 550 degree centigrade. Following the single cell experiments, a multi stack module of 5kW scale
was designed and manufactured. Configuration of hot BoP components was determined using computational
fluid dynamics simulation.
3. Operability test using SOFC system
We went over formation and feature of a control unit, fuel and air supply units and an inverter equipment
under specific of multi-stack module and designed SOFC system.
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