2014年02月25日08:29
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燃料電池走向普及（一）PEFC技術篇 ——低成本競爭取得進展
作為固體高分子型燃料電池（PEFC）的競爭對手，固體氧化物型燃料電池（SOFC）也在為了彌補缺點而積極推進技術開發。最近發現了一種新材料，有助於解決一直存在的課題——降低工作溫度。如果能降低工作溫度，就可以使用便宜的材料，並提高耐久性。
SOFC在家用市場的上市時間比PEFC要晚。2004年開始開發SOFC、2012年推出產品的大阪燃氣介紹說，SOFC由於工作溫度高達700∼750℃，如何確保耐久性是一個課題。2006年前后在確保電池單元單體耐久性方面取得了眉目，但將電池單元連接起來制成電池組時，耐久性就會大幅降低。
耐久性降低的原因在於連接電池單元的集電金屬（圖1）。為了緩和熱膨脹時的應力，集電金屬採用的是較軟的不鏽鋼。不鏽鋼中添加了鉻（Cr），鉻移動到電池單元中形成氧化物，對耐久性造成了影響。
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圖1：提高SOFC的發電效率 大阪燃氣2012年4月推出了家用SOFC（a）。對發電效率高達55％的新一代SOFC的試制品實施了試運轉（b）。（圖（a）由《日經電子》根據大阪燃氣的資料制作） |
因此，大阪燃氣為了抑制鉻的移動，在不鏽鋼表面加工出了陶瓷涂層。燃氣灶上放鍋的三腳架的金屬表面也有陶瓷涂層。該公司負責三腳架涂層的技術人員考慮了周邊零部件的熱膨脹系數等，為作為集電金屬的不鏽鋼選擇出了最合適的涂層材料。這樣，雖然電阻成分和制造成本有所上升，但確保了將近10年的耐久性注1、注2）。
注1）除集電金屬外，把燃氣導入電池單元的“燃氣歧管”部件和機殼也使用了不鏽鋼。這些不鏽鋼中添加了Si，因此，通過熱處理在其表面形成氧化覆膜抑制了鉻的移動。
注2）此外，大阪燃氣面向加氫站等，於2013年12月推出了可通過天然氣改質制造氫的現場型制氫裝置“HYSERVE-300”。制氫能力為300Nm3/小時，與利用三台該公司的100Nm3/小時的產品相比，設置面積可削減約42％，設置成本可削減約50％。利用天然氣制氫的改質效率由原產品的71％提高到了79％，這主要是通過改進重整器、強化廢熱回收、在去除雜質的PSA（變壓吸附）裝置中採用新方式等實現的。
發電效率目標為55％
目前SOFC的低熱值燃料發電效率為46.5％，大阪燃氣的計劃是，2010年代將效率提高到50％，2020年以后提高到55％。不僅是家用領域，還打算採用相同的電池單元，面向3kW左右的工業用途開展業務。產品化之前，大阪燃氣先在該公司的實驗集合住宅“NEXT21”中設置了發電效率約為55％的試制品，連續進行了試驗。
試制品採用的電池組與現在的產品相同。增強隔熱和空氣換熱器性能為提高發電效率做出了貢獻。SOFC中，7成燃氣用於發電，剩余3成用於維持700℃的高溫。通過增強隔熱和換熱器性能，可削減燃氣用量。
不過，削減燃氣導入量后，電池組溫度分布會嚴重影響到產品性能。由於氣體的粘度會隨溫度上升，因此燃氣在高溫部分難以流通。如果減少燃氣的導入量，高溫部分的流量就會進一步減少。在這種情況下，氧離子會出現剩余，導致作為燃料極支持體的鎳金屬陶瓷被氧化。大阪燃氣沒有公開具體的解決方法，據說是通過最大限度抑制溫度分布減小了影響。試制品採用的削減燃氣的方法會導致生產成本大幅上升，因此很難立即應用於實際的產品，這是今后需要解決的課題。
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