成果報告書詳細
管理番号20090000001037
タイトル平成20年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池システム技術開発 コジェネレーションシステム開発 湿式円筒形20kW級システムの開発 (継続研究)
公開日2009/11/17
報告書年度2008 - 2008
委託先名TOTO株式会社 株式会社日立製作所
プロジェクト番号P04004
部署名燃料電池・水素技術開発部 燃料電池グループ
和文要約【システム信頼性向上のための要素開発】 (1)高信頼性バーナ開発:従来のアノード表面燃焼バーナは燃料と空気の混合分布に偏りがあり、煤発生要因に繋がる当量比が1.6以上となる燃料過剰領域、及びアノード剥離に繋がる当量比1以下の酸素存在領域が認められた。そこで、クラスタノズル部に供給する空気流量の偏差を3%以内に整流し、当量比分布を1.15±0.15に改善し、煤発生とアノード酸化を防止した。 (2)モジュール絶縁性向上:従来モジュールで電圧計測線の地絡が発生したため、計測線をアルミナ碍子とアルミナスリーブで被覆し、その外周をさらに緻密質アルミナ管で絶縁する三重絶縁構造を採用し、絶縁信頼性の向上を図った。 【システム設計製作及び耐久性試験評価】 (1)10kw級コジェネレーションシステム設計製作:上記、要素開発技術を取り込み、バンドル30体(セル360本)から構成した10kw級コジェネレーションシステムを設計製作した。 (2)発電試験評価:発電試験を実施し、1)定格出力:10kw(DC)、2)発電効率:39.9%(AC送電端、HHV)(目標値39%)、3)システム総合効率:80.2%(HHV)(目標値79%)を得た。 (3)システム耐久性評価:1)運転時間3,151.0時間(内、発電時間3,002.8時間)を達成した。2)運転中に特定のバンドル(B29)の電圧が低下したがセル電圧がセル破損許容値を下回らないようにセル電流と燃料利用率、温度を制御することにより発電継続できることを実証した。 (4)モジュール分解調査と健全性評価:1)モジュールを分解調査し、計測線の絶縁、バーナの煤発生防止等、モジュール各部が健全であることを確認、2)電圧低下したB29においてセルの目視観察、ファイバースコープでの内面観察、並びにセルの漏気検査を実施し、セル破損が無いことを確認、3)B29の並列接続された2セルのみのカソード間抵抗が正常なセルと比べて100倍以上高いことが確認された。以上より、セル破損せずに発電継続できたことが示されると共に、B29の電圧低下はモジュール構造に起因するものではなく、セル自体の抵抗増加に起因するものである可能性が示唆された。 【高性能・高耐久バンドルの製造】 (1)高性能・高耐久バンドルの製造:平成19年度までに開発した2直列6並列セル(12セル)からなるバンドル、すなわち、1)3バンドルモジュール試験で燃料利用率76%、電流密度0.2A/cm2において発電効率49%(HHV、DC発電端)を達成、2)3000時間の連続運転を完了し、電圧低下率が1-1.5%/1000hrとなる高性能高耐久バンドルを10kw級コジェネレーションシステム用に製造して日立製作所に支給した。支給時は、モジュール組立現地において外観検査および漏気検査を実施し、全数合格基準内であることを確認した。 (2)モジュール電圧低下原因の検討:電圧低下の大きかったバンドルB29と正常なバンドルB5を単バンドル試験装置に組み込み発電試験を実施した。1)B29は正常なB5に比べ電圧低下が大きく、かつ、2)電圧低下は100倍以上高い抵抗値を示した1並列の2セルのみで、他の5並列セルについては正常なB5の電圧低下とほとんど差異が無いことを確認した。3)同時に実施したインピーダンス測定の結果より、この並列2セルは電極反応抵抗が大きくなっており、空気極中間層および燃料極中間層の劣化が示唆された。以上の結果より、モジュールでのB29電圧低下現象が単バンドル試験にて再現することを確認し、さらに劣化部位を特定することができた。
英文要約[Development of the components to improve the system reliability] (1) It was found that mixing of fuel and air was uneven in the conventional anode-side surface combustion burner. Because the fuel equivalent ratio was more than 1.6 in the highest fuel concentration area of the burning surface, there was a possibility of the soot formation. Moreover, because the fuel equivalent ratio was less than 1.0 in the lowest fuel concentration area, there was a possibility of the anode oxidization. To avoid those risks, deviation of flow distribution at the air feed nozzle reduced to 3% by using computational fluid dynamics. As a result, the fuel equivalent ratio in the burning surface is uniformed to 1.15±0.15. (2) The earth fault in the conventional module occurred at a voltage measuring wire. To improve the reliability of module insulation, the triple insulating structure by alumina short insulators, alumina sleeves and alumina tubes was adapted as the insulating structure of voltage measuring wires. [Designing, fabrication and durability evaluation of the system] (1) 10kW-class cogeneration system including the 30 bundles (360 cells) and developed components described above was designed and fabricated. (2) It was accomplished i) ~ iii) described below in 10kW-class cogeneration system. i) Power: 10 kW (DC)(rated power: 10 kW), ii) power generation efficiency: 39.9 % (AC, HHV)(target: 39 %), iii) total efficiency: 80.2 % (HHV) (target: 79 %) (3) 10kW-class cogeneration system was operated for 3151.0 hours and generated electric power for 3002.8 hours. Voltage of one of the bundles (B29) was dropped in the power generation. However, The power generation could be maintained by controlling the current, fuel utilization and module temperature for keeping the cell voltage from declining under the acceptable voltage. (4) Insulation of measuring wire was sound and soot formation was not observable. By means of eye observation of outer face, fiberscope observation of inner face and cell leakage check, cells of B29 had no leakage. Electric resistance between cathodes of two cells connected in parallel in B29 is 100 times higher than that of sound cells. From the above results, it was indicated that voltage drop of B29 was attributed not to cell breakage and module failure but to increase of the cell resistance. 【 Manufacturing of high performance and durability bundle 】 (1) Manufacturing of high performance and durability bundle  The bundles composed of 12-cells in 2 parallels and 6 serials developed by fiscal 2007, which had achieved power efficiency of 49%-HHV at 0.2A/cm2 under 76%-fuel utilization, a 3000hr-consecutive operation and degradation rate of 1-1.5%/1000hr in a 3 bundle-module test were supplied to Hitachi for the 10kW-class co-generation system from TOTO. As a result of implementing inspections of appearance and gas-leak, it was confirmed that all of the bundles were good condition. (2) Origin examination of module voltage-degradation  Power generation tests of B29-bundle with voltage degradation and B5-bundle with normal condition were carried out in a single bundle device. It was confirmed that B29-bundle voltage drop was bigger than B5-bundle one and the voltage of the particular row-cells with more than 100 time-resistance in the B29-bundle were awful and the voltages of the other 5 row-cells in the B29-bundle were almost same as B5-bundle voltage. Moreover, it was inspired that this row-cells got worse cathode and anode interlayer because of increasing resistance with regard to electrode reaction by Impedance measurement being implemented simultaneously. As a consequence, the phenomenon of B29-bundle voltage degradation could be reconfirmed in the bundle tests and the degradation parts were limited to the row-cells.
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