为了进一步普及可再生能源，有必要引入大规模的蓄电系统。氢蓄电系统使用氢气作为能量媒介，与可再生能源具有良好的相容性，有望投入实际使用。

东芝能源系统株式会社正在开发高温水蒸气电解方式，以便制造出大规模的氢蓄电系统用制氢装置，尤其致力于实现关键设备——固体氧化物电解池（SOEC）的高性能和长寿命。此次，东芝能源系统通过阐明导致电解池劣化的原因，并以此为基础进行改良，使得同时提高SOEC性能并降低劣化率成为可能。

背景

基于能源安全以及应对全球环境问题的考虑，世界范围内正积极引入利用太阳能和风力等可再生能源的发电设备。日本也不例外，日本经济产业省于2015年7月发布了《长期能源供需展望》^（1），表示将最大程度地促进可再生能源的引入，并在2030年实现可再生能源占全部能源的22％-24％。

然而，可再生能源发电受气候等因素影响波动较大，若要将其大量引入电力系统，并作为主要电力来源之一加以利用，则需要强化输出稳定系统和电力系统，同时需要引入用于应对输出变动以及供需调整的蓄电系统。

氢蓄电系统是使用氢作为能量媒介的蓄电、发电系统，当可再生能源的输出发生波动并且产生剩余电力时，其将使用剩余电力进行水电解制造并存储氢气，而当出现电力需求时，则通过燃料电池发电，适合用于电力的大规模长期储存（图1）。因此，氢蓄电系统被认为是可吸收输出波动以及储存剩余电力的系统的重要选择之一，同时在发生灾难时，其有望用作支持业务持续计划（BCP）的响应系统。

图1. 氢蓄电系统的概念

通过使用氢作为能量媒介并有效利用热量，可以建立大规模高效的系统。

要将该系统投入实用，高效的制氢系统必不可少，而使用固体氧化物电解质的高温水蒸气电解方法由于能够利用热能作为电解所需能量的一部分，因此与碱性电解以及质子交换膜电解等低温工作的电解方式相比，理论上可以降低电解电压，实现高效制氢。自2003年以来，东芝能源系统株式会社一直在推进这种高温水蒸气电解法制氢的研发。

然而，在这种方法中，作为系统关键设备的SOEC非常容易劣化，为了实现其实用化，有必要阐明SOEC的劣化因素和劣化机制，并提高其使用寿命^{（2）-（4）}。

SOEC劣化机制的阐明

SOEC包括阻隔气体并允许离子通过的电解质，以及分别位于电解质两侧的、由水蒸气产生氢的氢电极和产生氧的氧电极（图2），其电极材料要求具有电子（e^-）和氧化物离子（O^2-）传导性。

因此，通常情况下，处于高温还原气氛条件下的氢电极使用镍（Ni）之类的金属和氧化铈（CeO₂）等氧化物的混合材料，而处于高温氧化气氛下的氧电极使用钙钛矿型氧化钴镧（LaCoO₃）类材料。此外，由于氧电极会与稳定的氧化锆（ZrO₂）类电解质材料反应，为避免两者直接接触需要在它们之间设置反应防止层。

图2.SOEC的原理图

氢电极处由水蒸气产生氢气，产生的氧化物离子穿过电解质到达氧电极，在氧电极处产生氧气。

此次，为了阐明电解池劣化的原因，东芝能源系统株式会社着眼于电极/电解质界面，对长时间连续电解运转前后的结构变化进行了分析。

结果发现，在氧电极/反应防止层/电解质界面的关系中，反应防止层/电解质的构成元素之间会发生微量的相互扩散，扩散到反应防止层中的微量电解质元素与氧电极材料元素反应形成高阻相，由此导致氧电极的性能劣化。同时，在氢电极侧，氢电极中的CeO₂类氧化物中的铈（Ce）会扩散到电解质中，在氢电极/电解质界面处产生空隙，由此导致氢电极的性能劣化。

通过改善这些劣化因素，抑制在氧电极侧发生的氧电极/反应防止层/电解质界面的相互扩散以及高阻相的形成，将劣化率降低至常规电解池的1/3（每1,000小时0.3％以下）；同时，成功抑制了氢电极/电解质之间的成分扩散，将电池的初始性能提高了约20％。

未来展望

东芝能源系统株式会社致力于提供整体解决方案，旨在以使用可再生能源的无碳氢蓄电系统为中心，建立一个可持续、安全、可靠、舒适的氢社会。本次针对SOEC的开发及发展状况，对氢蓄电系统的核心技术之一进行了介绍。今后，东芝能源系统株式会社将从电解池材料、成堆技术到系统整体，进行一体化研发，以实现以氢为能量媒介的蓄电系统的高效化。

本研究属于日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托项目——“氢利用等先导研究开发项目／高效制氢技术的研究／高温水蒸气电解系统的研究”（2014-2017）以及“氢利用等先导研究开发项目/以水电解制氢技术高度化为目的的基础技术研究开发/高温水蒸气电解技术的研究开发（2018）”的一部分。

参考

（1）日本经济产业省，《长期能源供需展望》，2015年，第12页，

<http://warp.da.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/10950796/www.meti.go.jp/press/2015/07/20150716004/20150716004_2.pdf>。

（2）松永健太郎（KentaroMatsunaga）等人，《使用固体氧化物电解池的制氢系统和蓄电系统》，《东芝评论》，2016年，第71卷，第5期，第41-45页，<https://www.toshiba.co.jp/tech/review/2016/05/71_05pdf/b04.pdf>。

（3）吉野正人等，《高效氢蓄电系统》，《东芝评论》，2015年，第70卷，第5期，第8-11页。

（4）吉野正人，《高效高温水蒸气电解系统的开发》，《陶瓷》.2018年,53(8),第557-561页。

原作者：

长田宪和，东芝能源系统株式会社，

能源系统技术开发中心·能源解决方案开发部，博士（工学），日本电化学学会、日本陶瓷协会会员

原载于《东芝评论》第75卷第1期（2020年1月）

研发最前线：同时实现高效率和长寿命的制氢用SOEC