カーボンニュートラルのためのSOFC/SOEC技術 ～基礎・評価法から熱利用を含むシステム応用まで～

SOFC/SOEC Technologies for Carbon Neutrality — From Fundamentals and Evaluation Methods to System Applications Including Heat Utilization —

第1章　概要

第1節　SOFC／SOEC技術の概要　　　川田達也
1　固体酸化物形燃料電池（SOFC）の特徴
　1.1　高温作動に起因する特徴
　1.2　セラミックス材料の使用に起因する特徴
　1.3　O2−イオン導電体に起因する特徴
　1.4　H-SOFC（PCFC）の可能性
2　固体酸化物形電解セル（SOEC）の特徴
3　SOFC／SOECの構成
　3.1　電解質
　3.2　燃料極
　3.3　空気極（酸素極）
　3.4　インターコネクト材料
4　SOFC／SOECのセルとスタックの形状　
5　平板セル構造のバリエーションについて
　5.1　電解質支持セル　
　5.2　燃料極支持セル
　5.3　金属支持セル
参考文献

第2節　SOFC開発の歴史とSOECへの展開　　　横川晴美
1　はじめに
2　概観　世界と日本でのSOFC開発の特徴
　2.1　SOFC技術開発の特徴─PEFCとの比較
　2.2　SOFCスタックの特徴付けと歴史的な進展
　2.3　主な歴史的トピックス　
　2.4　何が難しかったのか？
3　第1世代はセラミックスセル
　3.1　定置型中大容量SOFCハイブリッドシステムを目指した動き：Westinghouseの成功とインパクト
　3.2　WHセルのデメリット解析と一つの疑問
　3.3　WHセルの欠点克服法と国内企業の湿式法への適用
　3.4　Dornier SOECからの出発
　3.5　三菱重工業長崎造船所　円筒横縞形セル
　3.6　Rolls Royceおよびその他の筒状横縞形セル
　3.7　セラミックス平板形セルの基本的課題
　3.8　三菱重工業神戸造船所　MO
　3.9　村田製作所　平板形2種の開
　3.10　DornierのSOFC用平板形セル
　3.11　一括焼結セラミックスセル
　3.12　第一世代で明らかになった課題とその解決法
　　3.12.1　材料コスト
　　3.12.2　SOFCスタック製造法と材料両立性（1）LSM-YSZ界面
　　3.12.3　SOFCスタック製造と材料両立性（2）　酸化物ICの選択　
4　第2世代　金属インターコネクトの利用　
　4.1　異なる二つの戦略
　4.2　Siemensの先見性と戦略性
　　4.2.1　Hexis，Sunfire
　　4.2.2　Bloom Energy（BE）の成功
　4.3　アノード支持セルの譜系
　　4.3.1　Julichのアノード支持セルの特徴　
　　4.3.2　Fuel cell energy（前Versa Power，元Global Thermoelectric）
　　4.3.3　SolydEra（前SOFCPower, HTceramics）
　　4.3.4　Delphi，BMW
　4.4　京セラSOFCセル・スタックの革新性とインパクト
　4.5　日本におけるアノード支持セル
5　第3世代　金属支持セル
6　トピックスとしてのPCFC
7　SOFCの実用化
8　SOECへの展開
　8.1　電解における注意点
　8.2　各セルスタック構造のSOECへの適用
　　8.2.1　第1世代：高温セラミックスセル
　　8.2.2　第2世代：電解質支持形セル
　　8.2.3　第2世代：燃料極支持形セル　
　　8.2.4　第3世代：金属支持セル形
9　おわりに
参考文献

第3節　水素エネルギー社会でのSOFC／SOECの位置付け　　　重松良祐，立川雄也，松崎良雄，佐々木一成
1　カーボンニュートラル実現への固体酸化物形セルの重要性
2　水素社会におけるSOFCとSOECのポテンシャル
3　固体酸化物形可逆セルのポテンシャル
　3.1　高いエネルギー出力密度に起因した柔軟なシステムサイズの選択が可能
　3.2　需要に応じたSOFC／SOECモード選択により柔軟なデマンドリスポンスが可能
　3.3　高い往復効率での運用が可能
　　3.3.1　コスト低減
　　3.3.2　セルおよびシステム部材の劣化
4　炭化水素系燃料を用いたSOFCと水蒸気─二酸化炭素共電解SOECおよび二酸化炭素電解SOECのポテンシャル
参考文献

第4節　SOFC-SOECの研究開発プロジェクト　　　堀田照久
1　はじめに　
2　克服すべき技術課題の整理
3　SOFC-SOEC研究開発プロジェクトの経緯と概要
　3.1　1990年代から2000年の基盤・システム構築期
　3.2　2000年台の燃料電池システム導入期
　3.3　2013年度〜2019年度のNEDOプロジェクト
　3.4　2020年度〜2024年度のNEDOプロジェクト
4　固体酸化物形電解セル（SOEC，高温水蒸気電解セル）のプロジェクト　
5　まとめ
参考文献

第5節　プロトン伝導セラミック燃料電池／電解セルの開発と課題　　　水谷安伸
1　はじめに
2　国内外におけるPCC研究開発の現状　
　2.1　国内（NEDOプロジェクト）
　2.2　米国
　　2.2.1　コロラド鉱山大学・フュエルセルエナジー社
　　2.2.2　ジョージア工科大学・フィリップス
　　2.2.3　HydroGENコンソーシアム　
　　2.2.4　2024年からの新規DOEプロジェクト
　2.3　欧州
　　2.3.1　ノルウェーを中心とした取り組み
　　2.3.2　ドイツにおける金属支持プロトン伝導セル（MS-PCC）開発
3　PCEC（電解セル）への期待と課題
　3.1　PCECのメリット・デメリット
　3.2　今後の課題
4　おわりに
参考文献

第2章　基礎

第1節　固体酸化物による発電・電解の原理と動作　　　川田達也
1　火力発電と燃料電池，電気分解
2　SOFC/SOECの動作原理
3　SOCの起電力とガス分圧　
4　電圧 vs. 電流の挙動
5　SOCの活性化過電圧の考え方
6　多孔質電極の挙動
7　電解質の電子輸送と酸素ポテンシャル分布
脚注
参考文献

第2節　電解質材料と酸化物イオン伝導体　　　石原達己
1　はじめに　
2　酸素イオン伝導性の発現
3　新しい酸素イオン伝導体の動向
4　高イオン伝導体LaGaO3系酸化物の薄膜化と電解セル
5　おわりに
参考文献

第3節　空気極材料の物性・輸送現象と反応　　　髙村　仁
1　はじめに
2　空気極材料の要件と反応
　2.1　空気極の要件
　2.2　空気極における表面交換反応
3　混合導電性空気極材料
　3.1　ペロブスカイト型及び関連材料
　3.2　複合体型混合導電体
4　空気極材料の特性と課題
　4.1　電極構造と特性
　4.2　空気極材料の課題と開発動向
5　まとめ
参考文献

第4節　燃料極材料の物性・微細構造と反応　　　松井敏明
1　燃料極反応
2　燃料極材料に求められる条件
3　燃料極材料の種類
4　サーメット燃料極
　4.1　熱膨張挙動
　4.2　混合比と導電率の相関　 
　4.3　燃料極の微細構造と電極性能
　4.4　サーメットに用いる酸化物イオン伝導体と電極反応
　4.5　サーメット中のNi／酸化物イオン伝導体界面の安定性
5　その他の電極設計指針
6　おわりに　 
参考文献

第5節　インターコネクト用合金材料　　　谷口俊輔
1　SOFCスタックにおける合金インターコネクター
2　インターコネクト用合金材料の種類　 
3　空気中での酸化と表面保護皮膜　 
4　合金インターコネクターからのクロム拡散の問題とコーティング　
5　燃料中での水蒸気酸化と表面保護皮膜の重要性　
6　FeCrAl合金の表面アルミナ皮膜への導電性付与　
参考文献　

第6節　SOFC／SOEC材料の機械的特性　　　佐藤一永
1　様々な応力場
2　脆性・延性とは
3　欠陥許容性
4　製品（材料）ごとのバラツキ
5　破壊判定基準
6　部材内の化学ポテンシャル（酸素ポテンシャル）分布と酸素不定非性による材料物性変化
7　製造セルの微小変形評価
8　製造セルの微小欠陥評価
9　セルの応力変化のその場観察
参考文献

第7節　SOFC／SOECシステムの熱設計　　　鈴木　稔
1　はじめに　
2　SOFCシステムの発電効率の概観と基本事項
　2.1　SOFCシステムの効率　
　2.2　SOFCシステムにおける炭化水素燃料の改質　 
　　2.2.1　改質反応に用いる水（水蒸気）の供給方法
　　2.2.2　改質反応による吸熱の活用または悪影響の回避
　　2.2.3　運用中の触媒上やセル燃料極側での炭素析出の防止
3　いくつかのSOFCシステムの構成と特徴
　3.1　天然ガス等炭化水素燃料　基本的なSOFC発電システム構成
　3.2　天然ガス等炭化水素燃料　高温燃料リサイクル
　3.3　天然ガス等炭化水素燃料　加圧SOFC／GTハイブリッドシステム
　3.4　天然ガス等炭化水素燃料　常圧高発電効率構成
　3.5　水素でのSOFCシステム構成と効率
4　SOECシステムの熱設計
　4.1　エンドサーマル（吸熱）動作
　4.2　サーマルニュートラル（熱中立動作）
　4.3　エキソサーマル（発熱動作）
参考文献

第3章　評価・解析

第1節　単セル試験法〜直流・交流測定　　　八代圭司
1　はじめに
2　単セル評価試験
3　セル構造の影響
4　劣化耐久試験
5　ボタンセルによるセル材料特性の評価
6　三電極法による単セル評価
7　交流インピーダンス法
8　参照電極電位への電極配置・特性の影響
参考文献

第2節　緩和時間分布（DRT）法による電気化学インピーダンス解析　　　鷲見裕史
1　DRT法の原理
2　SOFC／SOECへのDRT法の応用
3　おわりに
参考文献

第3節　スタック試験と性能評価　　　浅野浩一
1　スタック試験に関する留意事項
2　試験における燃料ガス組成について
3　試験装置
　3.1　試験装置構成
　3.2　使用する機器準備
　3.3　使用する試験装置の準備
4　スタック試験
　4.1　スタック健全性の確認
5　スタックの発電試験
　5.1　スタック特性試験
　　5.1.1　セル電圧Vの測定の重要性
　　5.1.2　スタックの発電試験
　5.2　内部抵抗の測定試験
　　5.2.1　測定装置の選定
　　5.2.2　電流遮断法
6　SOFCの性能要因評価
　6.1　性能要因分析手法
　6.2　性能要因評価
参考文献

第4節　FIB-SEMと機械学習を利用した電極微細構造の評価　　　鹿園直毅，シチョンシコ　アンナ
1　はじめに　
2　FIB-SEMによる電極3次元構造再構築
3　機械学習による構造評価
　3.1　自動セグメンテーション
　3.2　電極3次元構造の人工的生成
　3.3　電極微細構造変化の予測
4　おわりに
謝辞
参考文献

第5節　二次イオン質量分析計を利用した界面と反応の評価　　　山地克彦
1　はじめに
2　SIMSの特徴　
3　バルク中の物質移動の評価　
　3.1　酸化物イオン導電体の表面交換反応速度定数と拡散係数の評価
　3.2　陽イオンの拡散（Ga蒸発）
　3.3　元素分布のイメージング
4　劣化機構解明
　4.1　材料の劣化とSIMS不純物分析
　4.2　共電解セルにおける炭素析出の評価
5　おわりに　 
参考文献　

第6節　放射光を利用した電極反応場の評価　　　雨澤浩史
1　はじめに
2　オペランドXAFS測定によるSOFC空気極反応の解析
　2.1　放射光X線を用いたオペランド分光測定の必要性・有用性
　2.2　SOFC／EC緻密薄膜空気極のXAFS測定
　2.3　硬X線マイクロXAFS測定によるSOFC空気極反応の反応分布評価
3　まとめ
参考文献

第7節　マイクロカンチレバー曲げ試験による電解質の機械的特性　　　多々見純一
1　はじめに　 
2　マイクロカンチレバー曲げ試験
3　マイクロカンチレバー曲げ試験で測定したメソスケール力学特性
　3.1　SOFCセル中の電解質層の力学特性
　3.2　単結晶8YSZの力学特性
参考文献

第8節　電極シミュレーション　　　岩井　裕
1　はじめに　 
2　特性長さ解析
3　電極1次元数値解析
　3.1　イオン・電子の輸送
　3.2　ガスの輸送
　3.3　電気化学反応
　3.4　境界条件と解析例
4　電極3次元数値解析
5　様々な電極解析
参考文献

第4章　製造技術

第1節　家庭用SOFCスタックの開発から普及に向けた取り組みについて　　　藤本哲朗
1　はじめに　 
2　京セラにおけるSOFCセルスタックの開発の歴史
　2.1　初期の取り組み（1985年〜2004年）（大型→小型化コンセプト）
　2.2　実用化への進展（2005年〜2012年）（エネファームtype Sの誕生）
　2.3　継続的な改良と普及への取り組み（2012年〜）（スタックの進化）
　2.4　京セラ製SOFCセルスタックの稼働実績について
3　まとめ
参考文献

第2節　高性能SOFC開発の取り組み　　　島津めぐみ
1　はじめに　
2　森村SOFCテクノロジー製セルスタックの特徴
3　セルスタック開発状況
　3.1　セルスタック開発経緯
　3.2　HPDS61仕様セルスタックの開発状況
　　3.2.1　HPDS61仕様セルスタック初期性能
　　3.2.2　HPDS61仕様セルスタックの信頼性
4　ホットモジュール開発状況
　4.1　ホットモジュール設計思想
　4.2　ホットモジュールの信頼性評価
　4.3　水素・都市ガス混合燃料でのホットモジュール発電試験
5　システム開発事例
　5.1　カナデビア㈱様20kW級システム
　5.2　東京ガス㈱様・三浦工業㈱様5.8 kWシステム
6　まとめと今後の展望　
　6.1　まとめ
　6.2　今後の展望
謝辞

第3節　金属支持SOFC／SOEC開発の動向　　　鷲見裕史，山口祐貴
1　平板形SOFC／SOEC支持体の種類
2　粉末冶金とセラミックス共焼結による金属支持SOFC／SOECの開発
3　おわりに
参考文献

第4節　セル製作から運転までの全工程を通した機械的信頼性の向上　　　田中順也
1　はじめに
2　焼結工程
3　運転工程
4　応力発生要因のばらつきが発生応力に与える影響
5　材料強度と故障率について
参考文献

第5章　応用

第1節　SOEC技術の現状と課題　　　長田憲和
1　高温水蒸気電解の開発動向
2　高温水蒸気電解システムの課題
3　高温水蒸気電解システムの開発状況
謝辞　
参考文献　

第2節　SOEC実証試験と高温排熱利用の展望　　　小阪健一郎
1　はじめに
2　近年のSOEC実証試験の状況
3　三菱重工業でのSOEC実証運転のとりくみ
　3.1　円筒焼結形SOECセルスタック
　3.2　SOECシステム
　3.3　400kW級展示デモ機の運転状況
4　SOEC高温排熱利用の展望
　4.1　熱機関としてのSOECの考察
　4.2　SOEC高温排熱の利用の一例
　4.3　外部高温熱源の利用　
5　おわりに　 
参考文献　

第3節　工場のカーボンニュートラル化に向けた水素SOFCシステムと低温排熱利用水蒸気電解SOECシステムの展望　　　渡邉秀貴
1　はじめに
2　日本の産業界における二酸化炭素排出量
3　未利用低温排熱を活用したSOECによる水素製造技術開発
　3.1　未利用低温排熱を利用する要素技術開発
　3.2　水蒸気電解SOECシステムの技術開発
4　業務用純水素SOFCシステムの開発状況
　4.1　SOFCシステムにおける高効率発電化技術
　4.2　低温型アノードオフガスリサイクル技術の検証
　4.3　業務用SOFCシステム開発による技術展望
5　工場・事業所のカーボンニュートラル化への展望
6　おわりに
参考文献　

第4節　SOEC水素製造システムの開発と展望　　　林　真大
1　はじめに
2　グリーン水素製造技術
3　SOEC水素製造システムの開発領域
　3.1　システム開発
　3.2　ホットモジュール開発
　3.3　セルスタック開発
4　国内外での実証事例
　4.1　実用化に向けた取り組み
5　おわりに
参考文献

第5節　 SOECメタネーション技術による超高効率エネルギーキャリア，P2Gシステムの実現　　　大西久男
1　はじめに　
2　天然ガスによる低炭素化とe-メタンによるCN化の推進
3　エネルギーのCN化実現に向けたエネル　ギーキャリアの必要性とe-メタン
4　バイオマス，e-メタンの製造・利用サイクル，CO2削減効果
5　SOECメタネーション技術の概要と特長
6　SOECメタネーション技術革新に関する大阪ガスの取り組み
7　SOECメタネーションによるe-メタンの再エネ輸入キャリアとしての優位性
8　SOECメタネーション技術が切り拓く“e-メタン革命”の姿
9　おわりに
謝辞
参考文献

第6節　SOEC共電解とe-fuel合成　　　根本和昌
1　はじめに　
2　SOEC共電解による合成ガス製造
　2.1　SOEC（固体酸化物形電解セル）電解技術
　2.2　SOEC共電解によるFT用合成ガス製造
　2.3　SOEC共電解における課題
　　2.3.1　SOECの耐久性向上
　　2.3.2　スケールアップ
3　FT合成による合成粗油生成
　3.1　FT合成とは
　3.2　生成物選択性制御への取り組み
　3.3　FT反応器の設計
4　おわりに　
謝辞
参考文献

第6章　市場

燃料電池・水電解装置関連市場の世界動向と展望（SOFC・SOECとアジアの動向を中心に）　　　吉田優香
1　燃料電池と水電解装置の種類と概要
　1.1　燃料電池の種類と概要
　1.2　水電解装置の種類と概要
　1.3　SOEC共電解
2　燃料電池の市場規模と市場動向概要
　2.1　燃料電池の市場規模推定
　2.2　燃料電池種類別の市場規模と市場動向
　2.3　燃料電池用途別の動向
　　2.3.1　燃料電池自動車（FCV）
　　2.3.2　定置型燃料電池の概要
 　　（1）国別・地域別の導入規模と特徴の概要
 　　（2）定置型燃料電池タイプ別の特徴と概要
 　　（3）定置型燃料電池の成長要因
　　2.3.3　家庭用燃料電池（エネファーム等）
　　2.3.4　産業用燃料電池
　2.4　燃料電池のメーカー動向
　　2.4.1　日本国内の動向　
　　2.4.2　中国の動向
 　　（1）FCVおよびPEFCの動向　
 　　（2）SOFCの動向
 　　（3）DMFC，PAFC，MCFCの動向　
　　2.4.3　韓国の動向
　　2.4.4　世界の動向（日本・中国・韓国以外）
3　水電解装置の市場規模と市場動向概要
　3.1　グローバルの水素製造の動向
　3.2　グローバルの水電解装置導入の推移と見通し
　　3.2.1　現状　 
　　3.2.2　水電解装置の生産動向
 　　（1）固体酸化物形電解セル（SOEC）
 　　（2）AEM　
　　3.2.3　水素関連プロジェクトの動向
　　3.2.4　トランプ政権発足後の概要　
 　　（1）DOEなどの国家予算関連　
 　　（2）水素製造装置メーカーの動向例：thyssenkrupp nucera　
　3.3　水電解装置メーカー動向　
　　3.3.1　日本国内の動向
　　3.3.2　中国企業の動向
　　3.3.3　韓国企業の動向　
　　3.3.4　海外企業の動向（日本・中国・韓国以外の海外）　
　　3.3.5　SOEC関連企業の動向
参考文献