三菱电力的SOFC发电系统“MEGAMI”
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摘 要：三菱电力株式会社正在开发一种联合发电系统，该系统将可在高温下工作的固体氧化物燃料电池（SOFC）与燃气轮机等其他发电系统相结合而成。该SOFC系统被命名为“MEGAMIE”。三菱电力已在九州大学、东京瓦斯、丰田、NGK特殊陶业和大成建设等公司的各种运行环境下进行了示范测试，以实际应用MEGAMIE。通过这些示范结果，MEGAMIE被成功引入三菱地产、安藤･间和朝日啤酒。
三菱电力以低碳、脱碳和适应力为关键词，将SOFC发电系统“MEGAMIE”定位为一项有效技术，并希望能稳步建立该技术进而促进其早日商业化。
此外，鉴于沼气等未利用能源和氢混合发电等燃料的多样性，三菱电力希望通过提供满足世界需求的灵活能源解决方案，为可持续发展的环境社会做出重大贡献。
关键字：SOFC、MGT、联合循环系统、混合动力系统、高效发电、低碳、脱碳、沼气
1前言
为了在减少二氧化碳排放量以抑制全球变暖的同时，保证现代社会充足且稳定的电力供给，有必要在由集中电源构筑的先进电网中，保质保量地最佳组合高效分布式电源和可再生能源等新能源。
此外，关于日本的最终能源消耗，商业･工业领域占比60%以上，在该领域中引入高效燃料电池是改善日本能源状况以实现社会低碳化发展的主要手段之一。
关于家用燃料电池系统（Ene-Farm），固体高分子燃料电池（PEFC）系统于2009年投入市场，固体氧化物燃料电池（SOFC）系统于2011年投入市场。关于商业･工业领域的燃料电池，于2017年投入市场、具有高发电效率的SOFC系统备受关注。
从数100kW级的中容量分布式电源到集中电源用的燃气轮机燃料电池联合发电（GTFC）和煤气化燃料电池联合发电（IGFC）的广泛输出范围，三菱电力着眼于有望实现高效率的燃料电池，致力于开发可以使用城市燃气和液化天然气（LNG）以外燃料的SOFC系统。
本文将介绍三菱电力迄今为止的SOFC开发状况、在日本国内的安装例以及未来展望。
2.1 圆柱形SOFC的结构
三菱电力采用圆柱形SOFC的电池堆（图1）。在作为结构部件的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），通过由电子导电陶瓷构成的连接器将电池串联连接。基管的表面由燃料极、电解质、空气极、连接器的性质和热收缩率等不同的材料构成，但是通过整体烧结，降低了制造成本，并且通过增强构成材料之间的粘合性，提高了性能和耐久性。
通过捆包多个电池堆，形成具有数kW～数10kW电输出的电池盒，并根据所需的电容量将多个电池盒集中放入压力容器中，从而形成模块。目标是通过采用这样的层级结构，实现将安装和维护性考虑在内的系统化。此外，可以根据电池盒的数量或模块的数量来调整电输出，因此可以满足所需的广范围电输出要求（图2）。
固体氧化物燃料电池SOFC*电池堆（圆柱形）
图1 圆柱形SOFC电池堆
图2 SOFC发电系统的结构
2.2 系统体系
图3示出了三菱电力SOFC发电系统的概略图。该系统通过在微型燃气轮机（MGT）上游结合SOFC而得，输入燃料的化学能在SOFC和MGT两级中级联使用，并尽可能地转换为电能，因此可以构建高效的发电系统。
由于该SOFC安装在MGT燃烧器上游的高压部上，并在约900℃的高温下运行，因此开发并采用了一种全陶瓷制坚固结构的圆柱形SOFC。此外，通过在废气系统中安装废热回收设备，形成供给蒸汽或温水的热电联产系统。
图3 SOFC发电系统的结构
三菱电力向九州大学交付了用于市场推广的SOFC-MGT混合动力演示机原型，并于2015年5月开始了发电测试运行（还在继续运行中）（图4）。在进行负载变化试验、停止•热状态下的重新启动试验等的同时，取得用于完全自动化的数据。到目前为止，虽然经历了台风、降雪、雷电、暴雨、地震等自然灾害，该演示机仍没有受到损伤，还在继续稳定发电（图5）。
图4 九州大学演示机
图5 九州大学演示机的运行状况
此外，为表彰九州大学安装的演示机所取得的成就，三菱电力于2015年获得了优秀设计奖和日本机械学会奖（技术），于2017年获得了石油学会奖（工业类）。
自2015年起，三菱电力参与了NEDO（日本新能源产业的技术综合开发机构）资助项目“使用固体氧化物燃料电池的商业系统的技术验证”，并对SOFC发电系统进行示范，以促进SOFC发电系统在商业·工业领域中作为分布式电源的引入。该资助项目是课题设定型项目，在多个站点分别设定了主要的课题和验证项目，并评估了实际环境负荷下的电力需求变化和启停次数等运行条件对性能和耐久性的影响。
以下是各站点的主要验证内容。
〇东京瓦斯株式会社的演示机：
启停试验（1次/周）
公共能源使用量削减试验、
部分负载·负载变动试验
〇丰田汽车工业株式会社的演示机：
启停试验（1次/月）
〇日本特殊陶业株式会社的演示机：
连续耐久性试验
〇大成建设株式会社的演示机：
独立运行验证试验
在致力于验证各种环境下的运行效率、运行性、耐久性等的同时，还积累了降低成本和量产方面的技术经验。
5.1 提高知名度的举措
三菱电力的SOFC-MGT混合动力系统被命名为“MEGAMIE”。近年来，全球环保意识提高，因此，该公司希望通过设置新的系列名称来提高知名度，促使该系统进一步打入市场。
该名称中，“兆(MEGA)”容易使人们联想到具有稳定运行性能的大功率燃料电池，“MEGAMI”代表掌管大地与美的“女神”，表现出“强大、智能、温暖”，此外，最后的E代表Environment（环境保护）、Energy security（能源安全）、Economy（经济性）中的三个“E”，还代表了该公司为客户提供的价值以及应在社会中扮演的角色。
5.2 交付给三菱地所株式会社的MEGAMIE
2017年，三菱电力收到了三菱地所株式会社所有及运营的“丸之内大厦”的MEGAMIE订单，这是日本国内的首个订单（图6）。2017年，丸之内大厦已竣工15年，协调系统已经到了更新之时，因此计划以“为低碳社会做出贡献”和“强化BCP”为目标来更新系统。三菱地所采用MEGAMIE的原因是，MEGAMIE废热消耗较小，优先发电比例更合理。由MEGAMIE产生的电力用于大厦的使用电力，蒸汽用于大厦内的一部分制冷供暖和热水。由于MEGAMIE安装在商业大楼的地下4层，因此在搬入和安装时遇到了一些困难，但也积累了包括工程方法等在内的技术经验。目前，MEGAMIE仍在稳定运行，并获得了2019年度热电联产大奖理事长奖（技术开发部门）（图7）。
此外，在本次引入中，三菱电力还受到了经济产业省的“用于扩大燃料电池利用的Ene-Farm等的引入支援项目”以及东京都的“利用氢的智能能源区域形成促进项目”的支援。
图6 三菱地所设于丸之内大厦的MEGAMIE
图7 热电联产大奖颁奖典礼（热电联产财团）
5.3 交付给安藤•间的MEGAMIE
2020年2月，三菱电力向株式会社安藤•间申请的国土交通省的“第一次可持续发展建筑物等先导项目（省CO2先导型）”中的“安藤•间新一代能源计划”交付了MEGAMIE（图8），这是日本国内的第二个交付产品。该MEGAMIE着眼于未来的氢能社会，设想利用来自可再生能源的氢气，以实现能够在城市煤气和氢气之间切换运行。
除了MEGAMIE之外，安藤•间还引入了大型蓄电池和能够混合燃烧氢气的燃气发动机，并且在安藤•间的倡议下，正在进行将这些设备组合在一起的各种能源管理操作。MEGAMIE在向厂内设备供电和供热（温水）的过程中，每天都会进行重复额定⇔50%负载波动的运行。
图8 交付给安藤·间的MEGAMIE
5.4 交付给朝日啤酒的MEGAMIE
作为朝日质量和创新株式会社（朝日集团控股的独立研究子公司）向日本环境省申请补贴的“二氧化碳排放量减少措施强化诱导型技术开发和示范项目”中的选取项目，2020年10月，MEGAMIE被引入朝日啤酒茨城工厂（图9），这是日本国内的第三个交付产品。由三井住友金融租赁株式会社负责整个项目，朝日啤酒进行沼气供应和沼气精制工艺。
基于从该示范项目得到的数据，除啤酒厂外，计划还将MEGAMIE引入能够活用各种未利用能源的发电系统，此外，还将致力于进一步提高MEGAMIE的性能和便利性，为开发有利于构建脱碳社会的能源做出贡献（图10）。
图9 交付给朝日啤酒的MEGAMIE
图10 利用由啤酒厂废水产生的生物沼气进行SOFC发电的过程
关于将SOFC和大型燃气轮机相结合的GTFC，2017年7月制定的《新一代火力发电相关技术路线图》中示出，促进小型GTFC（1000kW级）的商业化和量产，降低SOFC的成本，并对中小型GTFC（10万kW级）进行示范之后，将于2025年左右确立相关技术。
2016年开始，在NEDO的委托项目“燃气轮机燃料电池联合发电技术的开发”中，在长崎工厂开始了小型GTFC（输出1000kW级，工作压力0.6MPa级）的示范测试（图11）。目前，正在评估通过搭载多个电池盒使电池大型化以及增加工作压力对SOFC发电性能的影响。
图11 1MW级SOFC发电系统（半输出）
三菱电力将SOFC发电系统“MEGAMIE”定位为对低碳、脱碳和适应力等具有实际效果的技术，希望在稳步确立该技术的同时，早日实现其实用化。
翻译：李释云
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
●专栏：Fuel Cells in 2070 | 以DMFC为中心，展望50年后的甲醇和燃料电池