2014年02月25日08:29
把工作溫度降到400℃
為了實現SOFC的低成本，必須要降低工作溫度。SOFC與PEFC相比，無需使用鉑等貴金屬，而且無需去除CO，燃料重整器的構造非常簡單。因此，降低成本的可能性非常高。但現在由於工作溫度高、必須使用耐高溫材料，因此成本還比較高。
決定SOFC工作溫度的，是電解質的氧離子導電體。目前採用的是Y2O3穩定化ZrO2，工作溫度為700∼750℃，正在討論採用LaGaO3，據說有望把溫度降到600℃左右。日本九州大學2013年11月宣布，發現了有望把工作溫度降到400∼500℃左右的新型氧離子導電體（圖2）
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圖2：SOFC的工作溫度有望降低 九州大學發現了有望降低SOFC工作溫度的新型氧離子導電體“Na0.5Bi0.5TiO3”（a）。與目前主流的Y2O3穩定化ZrO2和正在開發的LaGaO3類氧化物相比，低溫一側的氧離子導電度較高（b）。（圖由《日經電子》根據九州大學的資料制作） |
九州大學發現的氧離子導電體是由鈉（Na）、鉍(Bi)和鈦（Ti）構成的“Na0.5Bi0.5TiO3”（NBT）。在把NBT作為壓電體提高特性的研究中，發現這種材料具有氧離子導電性。NBT是擁有鈣鈦礦型晶體結構的氧化物，通過為鉍的缺陷部分和鈦的位置添加鎂（Mg），可以提高氧離子導電性。在400℃以下，NBT的氧離子導電性比Y2O3穩定化ZrO2和LaGaO3還要高。
為實現實用化，還需要尋找適合NBT的電極材料。如果NBT和電極材料的熱膨脹系數差別較大，會出現NBT從電極和電解質界面剝落等問題。鈉和鉍還可能會與電極發生反應，從而影響耐久性。另外，還要減薄NBT的厚度，使離子更容易傳導。
充放電效率達到80％
把SOFC用於氫蓄電系統的研究也取得了進展。東芝開發出了把利用可再生能源的剩余電力用水制氫的固體氧化物型電解單元（SOEC）與利用氫發電的SOFC組合在一起的系統。如果是在夜間8小時使用5MW的剩余電力制造氫、在白天的8小時輸出4.1MW電力的面向一萬戶住戶的設施，隻要有20m×30m的面積就能建設（圖3）。
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圖3：利用SOEC制造氫 東芝推進了氫蓄電系統的開發（a）。利用SOEC制造氫（b）。（圖由《日經電子》根據東芝的資料制作） |
用水制造氫的方法有利用鹼性電解水的方法和利用固體高分子膜（PEM）的方法。其中，鹼性電解水法在電解液腐蝕和膜的耐久性等方面存在課題。而PEM法要使用貴金屬催化劑，成本較高。而東芝正在開發的技術，選擇了有望實現高效率和低成本的SOEC。
如果把目前SOFC的燃料極使用的Y2O3穩定化ZrO2直接用於氫的制造，燃料極和電解質的界面等會剝離，導致電阻增加。因此，東芝開發了適合制氫模式的燃料極——添加了釓（Gd）的鈰（Ce），並已通過電池單元確認，這種燃料極能連續工作5000多個小時。另外，考慮到可再生能源變動較大的這個特性，還打算擴大制氫一側的電池單元容量，使其大於發電一側。
東芝的氫蓄電系統還有一個特點，那就是把SOFC發電時產生的熱量存儲到蓄熱裝置中，在通過SOEC制氫時進行再利用。由於制氫是吸熱反應，因此提高溫度能削減所需電能。蓄熱材料採用熔點在800℃左右的NaCl，密封在了導熱性和耐腐蝕性出色的SiC容器中。
SOEC在僅用電力制氫時也能直接利用自己發熱的能源，因此制氫效率幾乎達到100％。再加上再利用熱能的效果，制氫效率可提高到140％左右。因此，採用熱能再利用時，系統的充放電效率高達約80％，這是用SOEC的效率約140％乘以SOFC的效率約60％得出的注3）。購買每度十幾日元的電力制造氫、再用SOFC發電的話，可實現每度30日元的供電。（作者：河合 基伸、狩集 浩二，日經技術在線！供稿）
注3）將鹼性電解法或PEM法與PEFC組合時，由於鹼性電解和PEM的效率為70∼90％，PEFC的效率約為40％，因此整體效率隻有30％左右。
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