固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）

材料の開発と評価

山梨大学クリーンエネルギー研究センター内田裕之

講義資料 その２

ＳＯＦＣの作動原理

固体電解質に電子またはホール伝導が混入：混合導電性

CellCathodeAnode

外部に観測される端子電圧 E

e

ion

理論起電力E0

iion

ie

i外部に観測される電流 i

イオン輸率 tion = ionion + e

外部に観測される電流 i

端子電圧

E

Eは理論起電力E0より

低くなるE0

i = 0（開回路）

電極反応による分極ロスがない時

tion = E / E0

自己放電による燃料のロス

H2

H2O

O2

O2-

e－

電解質領域：イオン輸率99%以上の領域

Bi2O3

CSZ

温度

(oC

)

固体電解質の薄膜化によるオーム損の低減

電極材料

0 20 40 60 80 10010-2

10-1

100

101

102

103

104

10

11

12

13

14

15

Ni vol%

導電

率 [

S cm

-1]

熱膨

張率

[ppm

]

12. D. W. Dees, et al, J. Electrochem. Soc., 134, 2141 (1987).13. S. Majumdar, et al, J. Am. Ceram. Soc., 69, 628 (1986).

Ni-YSZサーメットの導電率と熱膨張率

インターコネクタ（セパレータ）材料

1. 高い電子導電性

2. 燃料・空気雰囲気中で安定

3. イオン導電性が充分低い

4. 緻密に焼結できる

5. 機械的強度と加工性（平板形用）

高温型用（1000～900℃） ： LaサイトにSrまたはCaドープしたLaCrO3I. Yasuda, et al, Proc. SOFC VII, PV 2001-16, p.783, (2001).

中・低温型用（800℃以下）： 耐熱合金＝低コスト，強度，加工性

試算ではLaCrO3使用に比べ全材料コストを約1/3に低減可能．

問題点： Cr成分が飛散してカソードを被毒。対策： 合金組成の 適化と保護コーティング（LaCoO3系など）

ＳＯＦＣスタック構造

固体電解質

カソード

アノード

アノードインターコネクタ

空気

燃料

円筒形

平板形

インターコネクタ（ｾﾊﾟﾚｰﾀ）

固体電解質

アノード

空気

燃料

カソード

排燃料

円筒形 vs. 平板形

困難シールレスガスシール

中・低温型

中・小型定置

移動用、ＡＰＵ

高温型

大型，定置用途

○◎現状技術

大面積（耐熱合金）LaCrO3小面積ｲﾝﾀｰｺﾈｸﾀ

低高コスト

高

0.5～1 W/cm2

低

0.25～0.30 W/cm2出力密度

平板形円筒形

ＳＷＰ社の円筒形ＳＯＦＣ開発状況

1998～2000年(オランダ)100 kW常圧機, 576 ｾﾙﾌﾞﾞﾛｯｸ×2実証試験, 天然ガス燃料で約2万時間運転、交流発電効率47%＋熱25%

220 kW 加圧SOFC+GT実証試験中National FC Center, University of CaliforniaSounthern California Edisonとの契約．

カナダでも250 kW機の試験予定．

SOFCGT

◎スタック寿命，信頼性は高い．

●出力密度が低い．約2倍に向上予定(HPD cell)

●製造コストが高い．現状 $10,000／kW以上，2010年頃 $1,000／kW以下をターゲット（3 MWｸﾗｽ）．

約100W／常圧ｾﾙ2.5 kWｽﾀｯｸ

平板形ＳＯＦＣ･･･トピックス

Global Thermoelectric 社(カナダ)従来のガラスシールに替えて、高温圧縮シール方式を開発1997年からﾕｰﾘｯﾋ国立研（独）の技術を導入して参入，2000年6月 750℃, 0.7 Vで1.1 W/cm2達成（SUSｾﾊﾟﾚｰﾀ）．

Sulzer Hexis 社(スイス)廃熱利用を重視した1～2 kWスタックの実地試験．

Delphi Automotive Systems & BMW 社(米国)自動車用補助電源(APU) 燃料＝ｶﾞｿﾘﾝやﾃﾞｨｰｾﾞﾙの部分酸化Glabal Themoelectric社製スタックを使用 (900W?)ターゲット： 5 kW, 50 kg, 50 L, > 5000 h, 効率 > 40%

平板形ＳＯＦＣ･･･トピックス

Bloom Energy (米国, 定置用分散電源, モノジェネ）

燃料 天然ガス, バイオガス200 kW (AC) 効率 > 50% (AC, LHV)

ソフトバンク(2013/11)9.1×2.1×2.6m／19.9t 定格で60%(LHV)以上23～28円/kWh

ES-5700 Energy Server

ＳＯＦＣの運転温度

小型，移動用

急速昇温

中・小型，定置，

高効率

大型，定置

超高効率用途

○◎－コスト

◎

(＞5,000)

○

(＞200)

－

(＞100)

運転柔軟性（要求ﾋｰﾄｻｲｸﾙ数)

○

(＞2,000 h)

○

(＞40,000 h)

○

(＞40,000 h)

寿命

（要求寿命）

－○◎燃料処理

－○◎電池性能

－○◎技術の完成度

－○◎既存材料

低温型

600～500℃

中温型

800～700℃

高温型

1000～850℃

日本での高温型ＳＯＦＣ開発状況

高出力密度

15 kW7,500時間

高電圧型（現在22 cell）加圧10 kW級(max.21 kW)7,000時間

低コスト湿式法

3 kWﾓｼﾞｭｰﾙ

3,000時間

三菱重工，中部電力三菱重工，電源開発東陶機器，九州電力

平板形(MOLB)円筒横縞形円筒縦縞形

ＳＯＦＣ関連研究の推移国際会議ＳＯＦＣ-IV～IX

0

50

100

150

200

250

1995 1997 1999 2001

発表総数

低温作動関連

発表

数

年2003 2005SOFC-IV（横浜） ﾄﾞｲﾂ ﾊﾜｲ つくば ﾊﾟﾘ ｹﾍﾞｯｸ

米国のＳＯＦＣ開発プロジェクトSECA : Solid State Energy Conversion Alliance (1999秋設立)

http://www.seca.doe.gov 国立研究所－製造会社ー大学の共同研究

目標：3-10 kW 低価格ﾓｼﾞｭｰﾙ$400/kW (2010年)

用途：定置，移動体(APU)，軍用

DOE予算規模：3億5000万ドル／10年

2001年8月発表

DOE予算： 2.7億ドル／10年メーカー4社：2.3億ドル／10年

http://www.netl.doe.gov

日本での中温型ＳＯＦＣ開発状況週間ｶﾞｽｴﾈﾙｷﾞｰ新聞 2004.6.9 &各社のWebより引用

東京ｶﾞｽ，京ｾﾗ，ﾘﾝﾅｲ，ｶﾞｽﾀｰ

横縞型ｾﾙ(10W/本)

《目標(2007年)》5 kW, 750oC45%HHV

大阪ｶﾞｽ，京ｾﾗ

44%(LHV)達成.2005年から実地

試験予定

《目標》1 kW級45%(LHV)排熱回収 30%

東邦ｶﾞｽ，住友精密工業，日本触媒

Sc-SZ電解質, 800oC1 kW級

《目標(2006年)》5-10 kW級・業務用

三菱ﾏﾃﾘｱﾙ，関西電力

LSGM電解質, 800oC1 kW級, 都市ｶﾞｽ45.1%(LHV)3 kW級も開発《目標(2006年)》数10 kW級・業務用

住友商事，ｱｷｭﾒﾄﾘｯｸｽ

2005年限定販売予定

家庭用SOFC実証研究もスタート

http://sofc.nef.or.jp/

京セラ製700W ＳＯＦＣシステムhttp://www.osakagas.co.jp/Press/pre07/070125.htm

SOFC型エネファーム（補助金対象）も登場

2012年型（商用機，小型化）2009年型（実証機）