摘要：三菱动力株式会社（以下简称“三菱动力”）正在开发一种可高效发电的固体氧化物燃料电池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）系统，以实现2050年的脱碳社会。由SOFC和微型燃气轮机（MGT：Micro Gas Turbine）组成的混合系统，经过250kW级系统的实证后，正在向市场推出。三菱动力计划继三菱地所株式会社丸之内大厦、株式会社安藤·间技术研究所（氢利用）、朝日啤酒株式会社茨城工厂（沼气利用）之后，于2021年首次交付海外——德国天然气与热能研究所（GWI：Gas- und Wärme-Institut Essen, e.V.）。同时，三菱动力还在开发应用MGT的MW级系统，并尝试将该系统应用于大崎CoolGen项目的煤气化燃料电池复合发电。此外，三菱动力还在推进使用涡轮增压器（TC：Turbo Charger）代替MGT作为空气供应源的改良型系统的开发。TC系统采用由两段SOFC组合的级联系统，有望提高部分负荷效率。该TC系统计划于2021年进行实证试验。

1、前言

为了抑制全球变暖，实现可持续的地球环境，各国都制定了快速向脱碳化能源系统转变的目标，同时将其作为战略性产业政策，加速脱碳化运动。日本也宣布将在2050年实现碳中和和脱碳社会。为了实现脱碳社会，在由大规模集中电源构筑的成熟电网中，引入高效分布式电源和可再生能源，确保安全、稳定供应、经济、环保，确立合理的能源组合十分重要。在确立能源组合时，不去控制可再生能源的剩余电力，相反通过P2G（Power to Gas）将其转化为氢气，并与蓄电结合进行运用；此外，CO₂捕集和封存技术CCS（Carbon dioxide Capture and Storage），以及将捕集和封存的CO₂加以利用的CCUS（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage）都被看作是有效手段。近年来，地震、台风、暴雨等灾害频发，对电源安全的需求提高，因此确保BCP（Business Continuity Plan）和电网韧性也变得十分重要。

三菱动力正在开发应用SOFC的商用燃料电池系统——“MEGAMIE”。SOFC还可以通过逆向操作来电解水蒸气以生成氢气，是一种能够助力实现脱碳社会的有效应用。目前，正在向市场推出将SOFC和微型燃气轮机（MGT）组成的250kW级混合系统，同时，正在开发一种有望提高部分负荷效率等可操作性的涡轮增压器（TC）系统。此外，受日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）关于燃气轮机燃料电池复合发电（GTFC：Gas Turbine Full Cell）开发的委托，三菱动力正在将该基本技术应用于大崎CoolGen项目（OCG：Osaki CoolGen）的煤气化燃料电池复合发电（IGFC：Integrated coal Gasification Fuel cell Combined Cycle）的开发。本报告将介绍MEGAMIE的开发状况。

2、MEGAMIE的构成

作为圆柱形SOFC发电元件的电堆结构如图1所示。在陶瓷基管的外表面形成进行发电反应的电池（燃料极/电解质/空气极的层压体），用电子导电性陶瓷连接体将各电池串联连接。数百个这样的电堆捆绑在一起形成一个电池盒，将电池盒储存在压力容器中就构成SOFC模块（图2）。图2所示的系统由SOFC、MGT、再循环鼓风机等构成。通过在SOFC和MGT两个阶段发电，并在排气系统中安装废热回收装置，可以构成同时供应蒸气或热水的热电联供系统（图3（A））。

3、MEGAMIE的市场引入状况及未来展望

以推进与SOFC全面普及相关的产学合作为目的，设立于九州大学的“新一代燃料电池产学合作研究中心（NEXT-FC）”，为了服务绿色亚洲国际战略综合特区“智慧燃料电池社会实证”，在九州大学引入250kW系统后，从2015年度开始，在NEDO资助项目“使用固体氧化物燃料电池的商业系统的技术实证”中，在丰田汽车株式会社的元町工厂、日本特殊陶业株式会社的小牧工厂、东京燃气株式会社的千住技术站、大成建设株式会社的技术中心这4个地点对该系统进行了实际负荷环境的实证试验（图4）。另外，该资助项目为课题设定型，各站点分别设定了以下主要课题和验证项目，并进行实证试验：丰田汽车为启动停止试验（1次/月），日本特殊陶业为连续耐久试验，东京燃气为启动停止试验（1次/周，共31次），大成建设为独立运行功能验证试验（已实施）。

根据实证项目的结果，250kW级实机自2017年开始投放市场。商用机第1号交付给三菱地所丸之内大厦，第二号交付给安藤·间技术研究所，第三号交付给朝日啤酒茨城工厂。安藤·间将研究氢利用，朝日啤酒则将研究沼气利用。首次面向海外的德国天然气与热能研究所（GWI）也计划于2021年交付。

OCG项目的概要如图5所示，其通过在第一阶段安装煤气化复合发电设备（IGCC），在第二阶段安装二氧化碳分离回收设备，在第三阶段安装SOFC来进行IGFC验证。面向第3阶段，电源开发株式会社为了推进NEDO项目——“燃料电池模块的煤气适用性研究”，于2017年在其若松研究所安装了250kW级实机，并用富氢气体作为煤气化气体燃料进行了验证试验。此外，自2016年度起，受NEDO“燃气轮机燃料电池复合发电技术开发”的委托，在三菱动力长崎工厂进行了更大型模块（输出1MW级，运行压力0.6MPa级）的验证。目前正在以这些基本技术开发作为设计基础数据，设计和制作面向OCG第3阶段的SOFC，计划于2021年开始安装工程，并在经过试运行调整后，进行煤气化燃料与高压化（目标2MPa）的验证。

4、改良型MEGAMIE系统的开发状况

目前正在开发的SOFC和TC的组合系统与传统SOFC和MGT的组合系统之间的比较如图3所示。SOFC-MGT系统是将用于SOFC发电后的稀释燃料和空气在MGT燃烧器中燃烧以运行MGT，而SOFC-TC系统（图3（B））采用级联系统，其中经过SOFC模块稀释后的燃料继续用于安装在后段的SOFC模块发电。前段的SOFC称为顶部模块，后段的SOFC称为底部模块。在SOFC-TC系统中，由于向高效燃料电池发电提供燃料，因此有望提高效率；同时，由于部分负荷的空气量可变，因此有望提高部分负荷的效率；此外，由于可以降低涡轮入口燃烧器的温度，因此有望利用除氢气之外的多样燃料。

在操作方面，需要验证用于启动TC的启动用空气鼓风机的可控性和部分负荷的可操作性，并适当调整启动和停止及额定和部分负荷运行时的可控性。因此，在长崎工厂安装了如图6所示的SOFC-TC系统实证机。考虑到运输性，其由两个顶部模块、一个底部模块和一个辅机单元构成。辅机单元由燃料再循环鼓风机、TC、启动用鼓风机等构成。2020年，仅使用一个顶部模块和底部模块，进行了半模块系统的验证试验。改良型MEGAMIE采用与日本特殊陶业共同开发的电堆，计划于2021年将性能更高的电堆用于另一个顶部模块，进而在全模块系统中进行验证。未来，计划以实现1MW级商业机为目标，探讨系统规格，并将其投放市场。

5、总结

SOFC通过逆反应，可以转变为通过电解来制造氢和CO等的SOEC（固体氧化物电解池：Solid Oxide Electrolysis Cell），是一项极具吸引力的技术。因此，三菱动力为了实现2050年的碳中和及脱碳化目标，将适用及应用SOFC的应用设备作为王牌，助力（包括在过渡期间）同时实现CO₂减排以及稳定电力供应。

在SOFC-MGT混合动力系统方面，250kW级实机经过九州大学和NEDO实证项目，自2017年开始投入市场。另外，自2016年起，以250kW级实机为基础，一直在开发和验证具有更大容量的MW级SOFC-MGT实机，并将培育的基本技术用于开发OCG（使用煤气化燃料）用SOFC。

此外，正在推进TC系统的开发以提高可操作性，并计划于2021年进行全模块的系统测试，验证启动和停止特性、额定运行、部分负荷运行特性、保护系统等的可操作性。希望通过该实证试验稳步确立技术，并在提高商业价值后投入市场，为构建“安全且可持续的能源环境社会”作出巨大贡献。

参考文献：

（1）安藤喜昌等，SOFC-微型燃气轮机（MGT）混合动力系统九州大学实证机的运行状况 Vol.52 No.4（2015）p.48～53

（2）入江弘毅等，关于SOFC-MGT混合动力系统市场引入的措施， Vol.54 No.3（2017）p.86～89

燃料电池系统“MEGAMIE®”的市场引入状况及未来展望