投稿論文
投稿
論文

Paper

プロトン伝導体／酸化物イオン伝導体形水蒸気電解による水素製造システムの効率検討
Efficiency Evaluation of Hydrogen Production Systems with Proton/
Oxide-ion Conducting Solid Oxide Electrolysis Cells by Calculation李坤朋＊1、荒木拓人＊2、森昌史＊3

Kunpeng Li ＊ 1, Takuto Araki ＊２, Masashi Mori ＊3＊1

横浜国立大学

大学院工学府Graduate School of Engineering, Yokohama National University＊2

横浜国立大学

大学院工学研究院

Faculty of Engineering, Yokohama National University＊３

電力中央研究所

材料科学研究所

Materials Science Research Laboratory, Central Research Institute of Electric Power Industry
概要：再生可能エネルギーの有効利用法の一つとして、水蒸気電解による水素製造が考えられている。本研究では、プロトン伝導形セラミック電解セル（Protonic Ceramic Electrolysis Cells, PCECs）の水蒸気電解への適用性を検討するため、PCEC と固体酸化物形電解セル（Solid Oxide Electrolysis Cells, SOECs）を用いた水素製造システムをそれぞれ設計し、熱中立電圧および発熱電解電圧条件において、5  ℃の飽和水蒸気を含む水素を製造するシステム効率を計算した。運転温度については、PCEC：500  ℃、SOEC：750  ℃を基準とした。熱中立電圧条件における電解の場合、水素中の水蒸気除去エネルギーが必要な SOEC と比較し、PCEC のシステム効率は SOEC よりも約 2 . 0 ％ pt 高い結果となった。しかしながら、同じ水蒸気利用率条件においては、PCEC の開回路電圧は SOEC よりも高いため、吸熱電解電圧領域が狭い特徴がある。発熱電解電圧条件ではプロトン輸率が 10 ％低下しても、システム効率は 2 . 0 ％ pt 未満の低下で収まっている。この理由は、輸率低下により電解槽の発熱量は増加するが、熱交換器による熱回収量が増加し、供給ガスのプレヒータ電力量も少なくなるからである。
Abstract：Hydrogen production by steam electrolysis is expected to be one of the methods to use renewableenergy effectively. In the present study, two steam electrolysis systems respectively using protonic ceramicelectrolysis cells（PCECs）and solid oxide electrolysis cells（SOECs）are designed. The efficiencies of thesesystems are revealed under two different electrolysis voltages:1）thermal-neutral voltage;2）voltages larger
than thermal-neutral voltage. The results show that PCEC system has approximately 2 . 0 pp higher efficiency thanSOEC system under thermal-neutral voltage electrolysis. Under the voltages larger than thermal-neutral voltage,
the system efficiency is only less than 2 . 0 pp down when proton transfer number is from 1 . 0 to 0 . 9 .

Key Words ：Protonic Ceramic Electrolysis Cell（PCEC）, Solid Oxide Electrolysis Cell（SOEC）, Hydrogenproduction, System efficiency, Hole conduction, Proton transfer number

１．緒言れている2）,3）。
再生可能エネルギーの電力供給が伸びる一方、休日では我が国がパリ協定の CO2 排出量削減目標を達成するた企業などの需要が減少するケースが現実化しており、需給めには、CO2フリー水素や再生可能エネルギーの利活用がバランスの崩れによる大規模停電を引き起こす可能性が指1）不可欠である 。CO2フリー水素については、国外からの摘されている4）。この事態を回避するため、既に再生可能輸入計画が進められ、その水素の利活用が検討されている。

発電事業者に出力制御を求める実例が生じている5）,6）。そ一方、再生可能エネルギーの利活用は、我が国の 10 % にのため、余剰電力を一旦水素に変換することにより化学エも満たないエネルギー自給率を向上させるという視点からネルギーとして貯蔵し、必要に応じて燃料電池等で再度発も重要であり、太陽光発電や風力発電等の普及策が計画さ電することが考えられている7）,8）。

76

燃料電池 Vol.20 No.1 2020

再生可能エネルギーを水素に変換する場合、水／水蒸気電解が有望技術の一つとされ、国内外で活発に研究されている7）−9）。水電解においては、電解温度が室温から80  ℃ と低いため起動停止が容易とされ、不安定な再生可能エネルギーを利用しやすい。一方、水蒸気電解の温度は400  ℃−800  ℃と高く、再生可能エネルギーを用いた場合、電解槽温度を安定に維持する技術が必要であるものの、水（a）PCEC 水蒸気電解反応原理図（a）Steam-electrolysis reactions in PCEC電解と比較し、水蒸気電解の電解電圧が低いため 10 % 以上高いエネルギー変換効率を有する。また、水蒸気電解に用いる固体電解質形セルは、同じ一つのセルで燃料電池運転も可能という特長をもつ。
水蒸気電解は電解質により、固体酸化物形電解セル（Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC）とプロトン伝導形セラミック電解セル（Protonic Ceramic Electrolysis Cell,PCEC）の2種類に大別できる 10）,11）。PCEC は水素発生側（b）SOEC 水蒸気電解反応原理図（b）Steam-electrolysis reactions in SOECに水蒸気が発生しないため、効率の指標の一つである開回路電圧（Open Circuit Voltage, OCV）が高く、SOEC と比較し電解部の効率が低くなるという短所がある。その一方、水蒸気量が少ない高純度水素が得られ、水素製造シス

図１ PCEC及びSOECを用いた水蒸気電解の原理図
Fig.1 Schematic drawings of steam-electrolysis with PCEC
and SOEC.

テムとして考えた場合、高純度化のためのエネルギーが少ない特長をもつ。また、750  ℃付近で運転される SOECと比較し、PCEC の運転温度は 400  ℃− 600  ℃の中温領域

（1）であり 12）、より安価な材料を電解槽に用いることができ、低コスト化も期待できる。

OCVth： ガ ス 分 圧 の 影 響 を 考 慮 し た 熱 力 学 に よる OCV

本研究では、PCEC の水蒸気電解への適用性を検討する[V]、∆G：Gibbs エネルギー[J]、PH2,PO2,PH2O：水素、ため、PCEC 及び SOEC を用いた水素製造システムをそ

酸素と水蒸気供給側の水蒸気のガス分圧 [-]、R：理想気

れぞれ設計し、熱中立電圧および発熱電解電圧条件におい体定数 [J/（mol K）]、T：温度 [K]、F：ファラデー定数て、5  ℃ の飽和水蒸気を含む水素を製造するシステム効[C/mol]率を計算した。

２．
２２．計算方法
２．１

水蒸気利用率と開回路電圧OCV の水蒸気（原料）利用率依存性を計算した。電解セルの場合、一つのセル内においてガス組成が異なる

PCEC と SOEC の水蒸気電解電圧

図1（a） 及び （b） に PCEC と SOEC の水蒸気電解の原+が 13）、本研究ではセル内のガス流路を仮想し、入口側と出口側の各ガス分圧の平均値を OCV とした。

理図を示す。PCEC ではプロトン（H ）が電解質中を移中温領域（400  ℃−600  ℃）の PCEC と高温領域（700  ℃−動するので、原料の水蒸気をアノードに供給する。そのた800  ℃）が動作する SOEC と比較するため、温度と水蒸気め、カソードに水素が発生する。一方、SOEC では酸化物利用率における OCV を検討し、計算条件を表1にまとめ2-イオン（O ）が移動するため、水蒸気の供給も水素の発た。なお、OCV の計算については、電解槽からの排ガス生も同じカソードで行われる。の再循環を考慮していない。

総括の電解反応式としては PCEC も SOEC も同じであり、OCV は式 （1） に示した Nernst の式により計算できる。ただし、伝導イオンがプロトンと酸化物イオンで異なTable1

表1 PCECとSOECのOCVの計算条件
Calculating conditions for OCVs in PCEC and SOEC.

るため、PCEC と SOEC ではアノード側とカソード側のガス分圧が異なる。

PCEC
Temperature [℃ ]H2O utilization [%]燃料電池 Vol.20 No.1 2020

SOEC

400 , 500 , 600

700 , 750 , 800

10 − 9077

投稿論文
投稿論文
２．３

Paper

ホール伝導による開回路電圧の影響

運転時には、酸化防止のためカソードを還元雰囲気にす

ジルコニアに代表される酸化物イオン伝導体の場合、輸る必要がある。SOEC の場合、電解槽出口ガスの5% を再率がほぼ1であり OCV に影響を与えることはない。一方、循環するシステムとした 19）。PCEC の場合、運転開始時図1（a） に示したように、プロトン伝導体の場合、輸率がには還元雰囲気にする必要はあるが、定常状態では水素循必ずしも1でなく、バリウムジルコネートに代表されるプ環は必要がないため、電解槽からの排ガスを直接熱交換器

ロトン伝導体ではホール伝導も現れることが知られてい2に流している。

る14）
,15）

。ホールの伝導（リーク電流）は OCV を低下させ、供給された電流の一部は水蒸気電解反応に用いられるのではなく、電解質の抵抗により熱に変化してしまう

16）。

ホール伝導によるリーク電流を考慮した PCEC の OCV
は、式 （2） の Wagner の式により計算した

17）

２．
５

水素製造システム効率

２．５．１

電解電圧

SOEC の電解電圧は、電解槽の加熱・冷却が必要ない熱中立（Thermal-neutral）電圧とした。一方、未だ基礎。

（2）

研究段階の PCEC の電解電位を想定することは難しいが、本研究では PCEC セルの電極抵抗やオーム抵抗を SOEC

OCVleak：リーク電流をもつ PCEC の OCV、OCVth：輸率と同じと仮定した。つまり PCEC の OCVleak に同じ水蒸気

1の場合の OCV、t H･：プロトン輸率利用率時の SOEC 過電圧を加えた電圧で比較した。

２．４

２．５．２

水蒸気電解を用いた水素製造システム

プロトン輸率と水蒸気利用率の関係

図2に PCEC 及び SOEC を用いた水素製造システムをPCEC の電解槽が発熱状態の場合、本研究では、電解槽示す。矢印は水やガスの移動を示しており、実線は PCEC

入口と出口の温度許容差を 100  ℃以下とし 21）− 23）、アノーと SOEC 共通の部分、点線は PCEC と SOEC で異なる部

ドガス量、すなわち水蒸気利用率を調節することで冷却を分である。共通部分については、室温で供給する水を熱交行うとした。プロトン伝導体の中には酸素分圧が高くなる換器1（HEX 1）により水蒸気にし、熱交換器2（HEX 2）と、ホール伝導が増加する材料がある。水蒸気利用率を下により更に加熱する。本システムでは対向流型熱交換器をげることは、酸素分圧を低くし、プロトン伝導体の輸率を選定し、温度効率の上限値を 90 % と仮定した

18）,19）。電解安定するためにも有効な方法と考えられる 24）。

槽で発生した水素と酸素および未利用水蒸気により供給ガ

電解槽導入電力は水蒸気電解反応に利用し、水素の燃焼スを昇温しても、電解槽の運転温度には到達しないため、エネルギーとして貯蔵されるが、それ以外の電力は、電解更に電解槽に供給する前段でヒータにより加熱した。

槽中のガスを加熱することになるので、電解槽におけるエ水素貯蔵庫や配管の腐食を防止するため、SOEC で製造

ネルギー平衡条件は式 （3） となる。

した水素を 35  ℃のドレンと5  ℃のチラー（除湿部分）に

より脱水した 20）。PCEC 水素製造システムには、電解し（3）た水素に5  ℃ の飽和水蒸気は含まれないとし、本研究ではチラーによる脱水工程を含めていない。

Fig.278Itot , V： 電 解 槽 に 導 入 す る 電 流 [A] お よ び 電 圧 [V]、図2 PCEC及びSOECを用いた水素製造システム
Schematic drawing of H2 production system using PCEC or SOEC.

燃料電池 Vol.20 No.1 2020

Table 2

表2 システム効率計算用パラメーター
Parameters for calculation of system efficiency.
SOEC

Operating condition
Electrolytic voltage [V]PCEC

750  ℃

500  ℃−600  ℃

Thermal-neutral

1）Thermal-neutral
2）H eat generation ＊1

Production capacityof H2

300 Nm3/h 25）

Thermal ratio ofheat exchanger≤ 90 %

Temperature ofDrain

35  ℃

Temperature ofChiller

5  ℃

Steam utilization

80％（At thermal-neutral）
Parameter（At Heat generation voltage）

Transport number ofproton−

図3 各温度におけるPCECとSOECのOCVと水蒸気利用率の関係
Fig.3 OCVs of PCEC and SOEC as a function of H2O utilization at selected temperatures.

1，0 . 95，0 . 9

発熱電解電圧：PCEC の OCVleak に同じ水蒸気利用率時のSOEC 過電圧を加えた電圧＊1

NH2,NO2,NH2O）：製造した水素、酸素と未電解分水蒸
気の量 [mol]、∆Hi：電解温度に対する水素燃焼熱 [J]、表3 各 水蒸気利用率におけるPCEC（500  ℃）とSOEC（750  ℃）のOCV
Table 3 OCVs of PCEC（500 ℃）and SOEC（750 ℃）understeam utilization.

H 2 O utilization

本研究では、水素ステーションに供給する大規模システ
ムを想定し、熱損失は相対的に十分小さいとしたPCEC(a)SOEC(b)a−b

1 . 0029

0 . 8627

0 . 140230 %1 . 0247

0 . 9160

0 . 108750 %

1 . 0374

0 . 94400 . 0934

10 %∆Q：各ガス温度上昇に対する顕熱 [J]、添え字：化学種25）。各輸率条件において最大水蒸気利用率を検討し、システムの熱・物質収支が成立するときの効率を検討した。計算用パOCV [V]70 %1 . 0483

0 . 9652

0 . 083190 %

1 . 0597

0 . 9836

0 . 0761

ラメーターを表2にまとめた。
２．５．
３

エネルギー低下による OCV の低下、（2） 水蒸気利用率増

システム効率計算

水 素 燃 焼 熱 は 高 位 発 熱 量（Higher Heating Value:HHV）を用い、式 （4） によりシステム効率を計算した。
（4）加に伴うカソード－アノード間の酸素分圧差の増加による OCV の上昇、がみられる。また、PCEC の場合、発生する水素に水蒸気が含まれていないと仮定しているため、SOEC と比較し水素分圧が高く、より高い OCV となる。
このことは、より電解電力が必要になることを意味する。
表 3 に 500  ℃ の PCEC と 750  ℃ の SOEC の OCV 及 び そη：水素製造システムの効率システムに必要な電力は、電解電力、電解槽入口前ヒーの差をまとめる。水蒸気利用率の増加とともに水素分圧のタの電力、チラーの電力である。水素燃焼熱（HHV）は差が小さくなるため、OCV の差は小さくなることが分かっ

25  ℃基準を計算した

20）
,26）

。本研究では、エネルギー損失た。

はドレンとチラーのみを考慮し、ポンプ・ブロア動力、電解槽部分や熱交換器、導管などの熱損失を考慮していない。

３．結果および考察

３．２

熱 中 立 電 圧 を 用 い た PCEC と SOECの水素製造システムの効率の比較

最初に、２.５.１節で定義した電圧ではなく、PCEC、SOEC ともに熱中立電圧とした場合におけるシステム効率

３．１ OCV と電解温度および水蒸気利用率の関係の水蒸気利用率依存性を図4に示す。PCEC、SOEC とも

図3に各温度における PCEC と SOEC の OCV と水蒸

これは利用率の増加に伴って電解槽から排出される水蒸気気利用率の関係を示す。（1） 温度上昇に伴う水素の Gibbsの量が少なくなることによる。熱交換器の温度効率を一定に水蒸気利用率の増加につれてシステム効率は上昇する。

燃料電池 Vol.20 No.1 2020

79

投稿論文

Paper
表4 水
 蒸気利用率80％時のPCEC及びSOEC水素製造システムの各要素のエネルギー
Table 4 E nergies of each element in the H2 production system with PCEC（500  ℃）or SOEC（750  ℃）at 80  %
steam utilization.

Combustion heat of H2 [kW]

リ ーク電流が無いPCEC（500  ℃）とSOEC（750  ℃）システム効率比較（熱中立電圧）
Fig.4 System efficiencies of PCEC（500  ℃）and SOEC（750  ℃）at thermal-neutral voltage.

SOEC1062 . 81062 . 8

Latent heat of H2O at cathode [kW]

0.0

1.4

Heat Loss at anode [kW]10 . 1

1.5

Heat Loss at Drain [kW]0.9

17 . 3Heat Loss at Chiller [kW]2.2

23 . 5Heat Loss of water from Drain [kW]図4PCEC

0.0

0.5

Electrolysis electricity [kW]915 . 7922 . 4

Electricity of Preheater [kW]159 . 1170 . 30.0

11 . 80.0

2.5

98 . 896 . 5

Electricity of chiller [kW]Heat energy taken from environment[kW]
System efficiency [%]＊1

Heat energy taken from environment（環境寄与熱）: チラー
出口から5  ℃のガスを 25  ℃までに加熱のエネルギーは25  ℃の環境から自然に受けるものである。

＊1にしているため、より高い比熱をもつ水蒸気量が少ない場合、熱交換器出口の熱損失が少なくなるからである。
水蒸気利用率 30 % 以下の領域では、システム効率の低下が大きくなり、高い水蒸気利用率領域（PCEC：> 95 %、SOEC：> 80 %）では、システム効率の上昇が大きくなることが分かった。本システムでは、1）電解槽からの排熱から熱交換器によって供給ガスを加熱し、不足分をプレヒータでさらに加熱している、2）ドレンで 35  ℃まで冷却する際、排ガスの熱を放出している。これらプレヒータの電力とドレンで放出される排ガスの熱量が、システム効率に関係している。
SOEC システムと比較し、PCEC の電解電圧は高いもののシステム効率では約 2 . 0 ％ pt 高いことが分かった。高水
蒸気利用率領域では水蒸気濃度が低くなり、過電圧が急増するため、実際の運転は 70％～ 85％の水蒸気利用率で行われる場合が多い 27）− 29）。両システムの効率の差を明らかにするため、表4に水蒸気利用率 80％における PCEC とSOEC システムのエネルギー収支をまとめた。表4に示したように、両システムの水素製造能力は同じであるため、

図5 P
 CEC電解槽発熱量と出口温度の水蒸気利用率依存性（電解槽入口温度500  ℃）
Fig.5 Generated heat in electrolyzer and electrolyzer outlet
temperature of PCEC as a function of steam utilization（inlet temperature：500  ℃）.

水素燃焼熱は同じになるが、SOEC と比較し、PCEC ではシステムに必要な電力は少なく、熱損失も少ない。電力が少ない理由は、1）SOEC 水素製造システムには脱水工程圧が SOEC よりも小さいことになる。そこで、２.５.１節があり、冷却機用電力が必要になること、
2）熱中立電圧が、で定義したように、それらの過電圧が同じであるとした

SOEC：1 . 286 V（750  ℃）と PCEC：1 . 276 V（500  ℃）と発熱電解電圧条件における PCEC のシステム効率計算も低いことが考えられる。

行った。つまり、同じ水蒸気利用率の SOEC の熱中立電圧に SOEC と異なるガス組成による OCV 増加分を PCEC

３．３

発熱電解電圧を用いた PCEC システム効率

PCEC に熱中立電圧を用いた場合、電極や電解質の過電80に加えた電解電圧（1 . 36 V- 1 . 43 V）を用いて行った。
図5に入口温度 500  ℃を仮定し、各プロトン輸率における水蒸気利用率と電解槽の発熱量、出口温度の関係を示す。

燃料電池 Vol.20 No.1 2020

電解槽中で発生する熱量は、水蒸気利用率の増加とともに14 . 9 %、システム効率は 95 . 8 % となり、SOEC の熱中立減少した。この理由は、表3に示すように、水蒸気利用率

電解条件のシステム効率 96 . 5 %（80％水蒸気利用率）よの増加に従い、PCEC と SOEC の OCV の差が小さくなるり低くなった。

ことに関係している。そのため、図5では、水蒸気利用率

しかしながら、水蒸気利用率を 14 . 9 % と大きく下げてが高い程、電解槽で発生する熱が少なくなっている。これも、SOEC と比較した効率低下は 0 . 7 %pt 程度と小さい

は、水蒸気利用率が高くなるに従い、PCEC の電解電圧はとも言える。その理由は、（1）電解槽に導入する電力は低くなることに関係する。また、輸率が低くなるに従い、PCEC の方が高いが、PCEC 水素側の水蒸気量が少ないた

電解質に流れる電流の発熱分が増加し、電解槽での発熱量

め、ドレンおよびチラーで熱損失が少ない、（2）PCEC 電が増加している。電解槽を冷却しない場合、水蒸気利用率解槽出口温度が入口より高い方が、排ガスの熱を用いて熱の増加に伴い電解槽温度は高くなり、水蒸気利用率 80 %交換器により効率良く供給ガスを加熱でき、プレヒータにでは PCEC の入口と出口の温度差が 800  ℃−900  ℃を超え必要な電力もより少ないからである。

る結果となった。水素量は同じであるが、比熱の大きい（電プロトン輸率が低下する場合、リーク電流があるため、解槽の冷却に効果がある）水蒸気量が減少したためである。

電解槽での発熱量はより多くなる。さらに温度を維持する

また、輸率が低くなるに従い、セル抵抗による Joule 熱でため、必要な冷却ガス、すなわち水蒸気の量が多くなり、発熱量は増加し、出口温度は高くなった。

最大水蒸気利用率も減少する。プロトン輸率が 0 . 90 の場

次 に、 電 解 槽 の 入 口 温 度 を 500  ℃ と し、 出 口 温 度 を合、電解に寄与しない電力が Joule 熱になり、電解に必要600  ℃ 以下の条件になるよう最大水蒸気利用率を求めた。

な電力は増加し、システム効率は 94 . 5 %、最高水蒸気利

その場合のシステム効率と水蒸気利用率のプロトン伝導体用率は 10 . 6 % とさらに減少した。しかし、プロトン輸率輸率依存性を図6に示す。また、
表5にデータをまとめた。

が 10 % 低下しても、システム効率は 2 . 0％ pt 未満の低下

ホール伝導がないプロトン輸率が1でも水蒸気利用率はで収まっている。この主な理由は、輸率低下により電解槽への投入電力は増加する（輸率 1 . 00：1016 . 0 kW、輸率0 . 95：1055 . 1 kW、）が、リーク電流発熱により熱交換器での熱回収量が増加し、供給ガスのプレヒータ投入電力量が少 な く な る（ 輸 率 1 . 00：92 . 7 kW、 輸 率 0 . 95：68 . 4 kW）ためである。一方、冷却器からの熱損失（3 . 3 kW）などは大きな変動はない。
ホール伝導はセル性能の低下や寿命などに関係するため 30）,31）、プロトン伝導体を用いた水素製造システムの構築には、効率の視点以外の議論も不可欠である。

４．結言
図6 プ
 ロトン伝導体の輸率とシステム効率の水蒸気利用率依存性
Fig.6 Maximum steam utilization and efficiencies of hydrogenproduction systems with PCEC as a function of transport number of protonic conductor.

本研究では、PCEC を用いた水蒸気電解による水素製造システムの可能性を議論するため、SOEC を用いた水素製造システムの効率と比較した。また、ホール伝導をもつプロトン伝導体を用いた PCEC について、リーク電流のシ

表5 プ
 ロトン輸率、最大水蒸気利用率およびPCECの水素製造システム効率
Table 5 T ransport numbers of proton, maximum steam utilizations and efficiencies of hydrogen production systems with PCEC.

ステム効率への影響を検討した。その結果を以下にまとめる。
１．SOEC と比較し、PCEC のカソード側の高い水素分圧により、電解電圧は高く、より多くの電解電力が必要となる。しかしながら、熱中立電圧での比較では、Transport number[−]Maximum steam
utilization [%]System efficiency[%]

1 . 0014 . 995 . 8

ステムに必要な電力は少なく、熱損失も少ないため、

0 . 95

12 . 595 . 2

効率が高くなった。

0 . 9010 . 694 . 5

PCEC の水素製造システムの運転温度が低いため、シ

２．SOEC の熱中立電圧に同じ水蒸気利用率時の開回路

燃料電池 Vol.20 No.1 2020

81

投稿論文

Paper

電圧の差を加えた電圧（プロトン輸率1）の場合、性、日本エネルギー学会誌、94-1、7-18（2015）

PCEC の電解槽は発熱状態となる。水蒸気利用率を下

8）渡邊久夫、亀田常治、山田正彦：再生可能エネルギー

げて電解槽を冷却した結果、PCEC のシステム効率は、を活用する水素電力貯蔵システム、東芝レビュー、

SOEC の熱中立電解条件のシステム効率より低くなっ68-7、35-38（2013）9）Stephen Clegg, Pierluigi Mancarella:Storing re-た。
３．プロトン伝導体の輸率が 1 . 0 から 0 . 9 まで低下した場

newables in the gas network: modelling of power-合、電解槽の発熱量は増加するが、熱交換器による熱to-gas seasonal storage flexibility in low-carbon

回収量の増加と供給ガスのプレヒータ電力量の減少もpower systems, IET Generation, Transmission &あり、システム効率の低下は 1 . 3 %  pt であった。

Distribution , 10-3, 566-575（2016）10）Meng Ni, Michael K.H., Leung Dennis, Y.C.Leung:

５．今後の課題

Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell（SOEC）, J. Hy-プロトン伝導体については、現在活発に研究されてdrogen Energy , 33, 2337-2354（2008）

いるが、電解質の性質については、測定も容易ではな

11）Chuancheng Duan, Robert Kee, Huayang Zhu, etく、詳細には分かっていない。例えば、プロトン伝導体

al.:Highly efficient reversible protonic ceramic

BaZr 0 . 8 Y 0 . 2 O3 は 10-2S/cm（600  ℃）以上の高い導電性

electrochemical cells for power generation andを示し、プロトン輸率はおおよそ1であることを確認され

fuel production, Nature Energy , 4, 230–240（2019）ている32）。その一方、この材料には 500  ℃ でもホール伝導が僅かに存在するとの報告もあり

33）、同じ組成でも焼成条件などによって物性値に違いがある。また、プロトン伝導体を用いて電解した場合、発生する水素中に含まれる水蒸気量は明確でない。プロトン伝導体においては、水蒸12）SOFCの現状と課題：今後取り組むべき基盤技術
開 発、https://www.nedo.go.jp/content/100895118.
pdf13）麦倉良啓、浅野浩一：各種燃料電池の性能と要因分
析、電学論B、120-6、885-892（2000）

気を含んでいないガス条件下では、プロトン伝導性が低14）W.GroverCoors:Protonic ceramic fuel cells for

下するとの報告もある 24）。本研究では、物性を仮定して

high-efficiency operation with methane, J.PowerPCEC と SOEC の水蒸気製造システムの効率を比較した

Sources , 118, 150-156（2003）

ものである。今後、報告される物性に合わせて、システム解析の高度化を進める必要がある。

15）Chuancheng Duan, Robert J. Kee, Huayang Zhu,
et al.:Highly durable, coking and sulfur tolerant,
fuel-flexible protonic ceramic fuel cells, Nature ,

参考文献

557, 217-222（2018）

1）金花芳則：KHI’s Activity for International Liquefied Hydrogen Supply Chain, 2ndHydrogen Energy

Ministerial Meeting, 2019.

16）Masashi MORI, Yu LIU, Shin-ichi HASHIMOTO,
Katsuhito TAKEI:Investigation of Current Leakage of Micro-tubular SOFCs with a Ceria Mem-2）経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁 ホ ー ム ペ ー ジ：brane for Low-intermediate Temperature Power-

https://www.enecho.meti.go.jp/about/pamphlet/

generation Applications, Electrochemistry , 77-2,

energy2018/html/001/178-183（2009）

3）資源エネルギー庁：「太陽光発電・風力発電につい

17）Tomofumi Miyashita:The Industrial Necessityて」、2019年11月：https://www.meti.go.jp/-shingi-of Leakage Current Verification Using Sm Doped

kai/santeii/pdf/049_01_00.pdf

Ceria Electrolytes in SOFCs and Future Appli-

4）高野富裕：自然エネルギー発電と電力貯蔵技術、電気化学論文誌、126-9、857-860（2006）
5）新妻弘明：持続可能な文明への転換と再生可能エネ

cations, The Open Materials Science Journal , 3,
56-61（2009）18）圓 山 重 直：「JSMEテ キ ス ト シ リ ー ズ 伝 熱 工 学」
、ルギーの利用拡大、地学雑誌、114-4、614-618（2005）

189、日本機械学会、丸善株式会社、日本、（2005）

6）荻本和彦：太陽光発電と電力システム、電子情報通19）水澤竜也、荒木拓人、森昌史、山口十志明、藤代芳

信学会誌、93-3、217-221（2010）

伸：共電解を利用したSOEC 型メタン製造システム

7）嘉藤徹：再生可能エネルギーからの水素製造の可能82に関する定常サイクル計算、燃料電池、14-4、81-

燃料電池 Vol.20 No.1 2020

ス製造システムと都市ガス13Aへの添加可能量の検86（2015）20）前田厚史、渡邉憲太郎、荒木拓人、森昌史：共電解を利用したSOEC型メタン混合ガス製造システム及び製造ガスの都市ガスパイプラインへの供給検討、討、日本エネルギー学会誌、99-2、20-27（2020）27）嘉 藤 徹： 高 温 水 蒸 気 電 解 に よ る 水 素 製 造 技 術、Electrochemistry、75-3、283-89（2007）28）山田宏幸、横田洋、野口学、清水駿助、加藤徹：固燃料電池、17-1、81-89（2017）21）Hao Meng et al.:Research of SOFC Combined
Heat and Power Systems with Natural, ECS

Transactions , 91-1, 81-90（2019）

体酸化物電解セルを用いたバイオガスからの高純度水素製造、エバラ時報、222、3-9（2009）29）松永健太郎、吉野正人、渡邊久夫：固体酸化物形電22）M. Noponen et al.:Elcogen – Next Generation Solid Oxide Cell and Stack Technology, ECS Transac-

tions , 91-1, 91-97（2019）

解セルを用いた水素製造システム及び電力貯蔵シス
テム、東芝レビュー、71-5、41-45（2016）30）大西崇之、宇田哲也：プロトン・ホール混合伝導性

23）S. Sakuno et al.:Study on Coal Syngas Applicabil-

電解質における酸素ポテンシャル分布の計算と実

ity to SOFC Module, ECS Transactions , 91-1, 99-

セルの評価法への応用、Electrochemistry 、87-3、

106（2019）

162-174（2019）24）E. Yu. Pikalova, Dmitry Medvedev:Effect ofanode gas mixture humidification on the electro-

31）Nigel Brandon：Solid Oxide Fuel Cell Lifetimeand Reliability, Academic Press,（2017）

chemical performance of the BaCeO3-based Pro-32）銭谷勇磁、サイフェラーバダル、加納 学、南 炫貞、

tonic Ceramic Fuel Cell, J. Hydrogen Energy , 41

中田裕貴：ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化（6）, 4016-25（2016）

物Ba1-xZr1-yYyO3-δにおける特異な水素イオン伝導、

25）伊藤孝司：水素ステーション水素供給ケーススタ

Panasonic Technical Journal 、63-1、83-88（2017）

デ ィ ー と 経 済 性 評 価、http://www.pecj.or.jp/japa

33）韓東麟、宇田哲也：YをドープしたBaZrO3電解質

nese/report/reserch/report-pdf/H15_2003/03choの最適組成の調査、第44回固体イオニクス討論会講3-3.pdf

演要旨集、92-92（2018）26）李坤朋、森昌史、荒木拓人：SOEC形メタン混合ガ

燃料電池 Vol.20 No.1 202083