燃料电池（SOFC和PEFC）在制氢技术中的作用

－固体氧化物型燃料电池系统（Vol.5）－

2018年1月

日本科学技术振兴机构

日本低碳社会战略中心

概况为了研发燃料电池系统的新作用，相关研究人员将其应用于使用可再生能源电力的水电解中，并对其应用结果进行了讨论。他们对当前正在研发的平板形的固体氧化物型燃料电池（SOFC）系统和固体高分子型燃料电池（PEFC）系统的叠栈制造成本进行了评估，并对其成本结构进行了比较。结果显示，在制氢能力相同的条件（450Nm³/h）下，SOFC的成本为8.5日元/W（1.5mw级的水蒸气电解堆），PEFC的成本为10.7日元/W（1.9mw级的水电解堆）。下面，对使用上述SOFC的水蒸气电解池（SOEC）和使用PEFC的水电解池（PEMEC）的制氢成本进行了讨论。将后续阶段的氢压缩和存储处理考虑在内，分别计算了平板形的SOEC和PEMEC的叠栈制氢成本，并对计算结果进行了比较讨论。另外，还探讨了有关制氢的技术方案，并提出了将制氢成本削减至5日元/MJ以下的技术课题。目录

概况

1. 摘要

2. 燃料电池（SOFC、PEFC）的成本分析比较

2-1. 平板形的SOFC与PEFC的电池堆规格

2-2. 平板形的SOFC（SOEC）和PEFC（PEMEC）的模块成本结构

3. SOEC和PEMEC的制氢（水电解）性能评估

3-1. 水电解系统的工艺流程评估

3-2. 制氢能量消耗率以及制氢效率的评估

4. 制氢成本评估

4-1. SOEC和PEMEC的制氢成本评估

4-2. 实现期望制氢成本所需的条件

5. 关于政策制定的建议~ SOEC和PEMEC系统的技术开发课题

6. 总结

1. 摘要 将燃料电池用于为高效发电装置的研发正在进行中。一方面，针对一种对因可再生能源的扩大引入而产生的剩余电力进行处理的能量存储技术，对燃料电池在水电解制氢技术中的应用进行了讨论。本建议书通过将作者们所讨论的燃料电池的技术评估方法应用于上年度讨论的固体氧化物型燃料电池（SOFC）和固体高分子型燃料电池（PEFC），对燃料电池技术的成本进行更广泛的评估，另外，对应用于水电解时的两种燃料电池的特征和技术课题进行了讨论。 2. 燃料电池（SOFC、PEFC）的成本分析比较 2-1. 平板形的SOFC与PEFC的电池堆规格 为了构建用于评估水电解制氢成本的SOFC和PEFC的技术方案，对平板形的SOFC和PEFC的堆栈成本（模块成本）进行了评估。图1是此次评估中使用的SOFC和PEFC的单电池的标准规格示意图。

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图1 （a）SOFC的单电池示意图（b）PEFC的单电池示意图

表1和表2分别是此次评估的平板形的SOFC和PEFC的电池堆的标准规格。这些燃料电池的规格是根据记载在已发布的LCS建议书以及将在本建议书的后文中提到的制氢要求规格决定的，即，系统中所需的电池数量是基于制氢量和水电解期间的电流密度计算得到的。制氢量采用了在上年度的LCS建议书中设置的450Nm³/h（5.6mol/s），电流密度是基于引用文献[3]、[7]、[8]而设置的。在下文中，将使用SOFC的水蒸汽电解池记载为SOEC（Solid Oxide Electrolyzer Cell），将使用PEFC的水电解池记载为PEMEC（Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzer Cell）。

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2-2. 平板形的SOFC（SOEC）和PEFC（PEMEC）的模块成本结构 根据以上规格，对SOFC（SOEC）和PEFC（PEMEC）的堆栈制造成本进行了评估。评估SOFC的堆栈制造成本的方法在已发布的LCS建议书以及引用文献[1]和[2]中有详细描述。也就是说，在LCS建议书中，为了定量评估低碳技术的经济性和环境负荷，已经构建了评估方法和其支持基础作为“ 低碳技术设计和评估平台”，并将其应用于本次分析。关于成本评估，进行了制造设备的叠堆类型的评估。图2是平板形的SOEC模块和平板形的PEMEC模块的成本结构。在SOEC中，采用了电极支撑设计，因此阳极（水蒸汽电解期间为阴极）材料的比例较多。另一方面，在PEMEC中，阳极（水电解期间为阴极）材料中使用了较多的铱（Ir）和钌（Ru）等贵金属，阴极（水电解期间为阳极）材料中使用了铂（Pt）。结果，发现PEMEC的材料成本约为SOEC的2.3倍（参见下表3）。因此，考虑到今后的实用化，除Pt外，还需减少Ir和Ru的用量。

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图2 （a）平板形的SOEC模块和（b）平板形的PEFC模块的成本结构

图3为SOEC和PEMEC的系统成本（年产量为1,000台）的比较。系统成本是根据上年度的LCS建议书中所报告的压缩机和高压罐的成本数据估算出来的。水电解系统主要包括电池堆（模块）、压缩机、高压罐和其他作为辅助设备的泵/鼓风机、热交换器和加热器。

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图3 SOEC和PEMEC系统的成本结构

在年产量为1,000台的条件下，压缩机和高压罐的成本比例高于模块，它们的系统成本分别为每制氢速率470,000日元/Nm³-H₂/h（137日元/W）（SOEC：1.5MW）和每制氢速率480,000日元/Nm³-H₂/h（112日元/W）（PEMEC：1.9MW）。表3总结了SOEC和PEMEC的系统成本比较。如上所述，与SOEC相比，PEMEC的电池堆的材料成本有所增加，但由于受压缩机和高压罐等外围设备成本的影响（图3），在系统成本方面，PEMEC略高一点（大约增加2%）。

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3. SOEC和PEMEC的制氢（水电解）性能评估 3-1. 水电解系统的工艺流程评估 对SOEC水蒸汽电解系统和PEMEC水电解系统进行了工艺设计，并对制氢能量消耗率和效率进行了评估。使用LCS建议书中的处理评估了SOEC。操作条件如表1、2所示。水的电解方法是吸热反应，但由于水电解造成的电极过电压，SOEC和PEMEC系统都可以通过吸热反应来提供热量。但是，SOEC中引入了热交换器，因为它需要水汽化处理。SOEC水蒸汽电解系统的工艺流程请参考LCS建议书。另一方面，PEMEC不需要水汽化处理。图4是PEMEC水电解系统的工艺流程图。

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图4 PEMEC水电解系统的工艺流程图（热量/物质收支分析）

基于以上条件进行了水蒸汽电解工艺的热量和物质收支分析。对于SOEC和PEMEC，本系统的制氢速率均设置为每台5.6mol/s（450Nm³/h）。目前正在开发的商用加氢站的标准制氢能力约为300Nm³/h。因此，本系统设定的制氢能力对应于当前的小型制氢站。 3-2. 制氢能量消耗率以及制氢效率的评估 对水电解系统的制氢能量消耗率和电解效率（LHV⁴）进行了计算。在计算时，制氢能量消耗率的计算考虑了压缩机，加热器，鼓风机和泵的功率。参考引用文献[9]，假设高压罐的压力（40MPa），计算出氢压缩电力消耗率（0.32kWh/Nm³-H₂）。结果总结于表4、5。

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与PEMEC相比，SOEC的过电压相对较小，且制氢能量消耗率较低，电解效率较高。另外，在本次评估的SOEC系统中使用加热器使水蒸发，假设将一部分潜热（蒸发热）在加热器中进行替换，那么制氢能量消耗率（系统）将增加3.7kWh/Nm³-H₂（不含压缩机）和4.0kWh/Nm³-H₂（含压缩机），电解效率将达到81%（LHV）（不含压缩机）和75%（含压缩机）。另一方面，PEMEC的过电压也有望得到改善。根据引用文献[7]和[8]可知，假设电池电压1.7V（标准条件）可以降低至1.55V，那么制氢能量消耗率（系统）将增加至3.9kWh/Nm³-H₂（不含压缩机）和4.3kWh/Nm³-H₂（含压缩机），电解效率将增加至77%（LHV）（不含压缩机）和71%（含压缩机）。 4. 制氢成本评估 4-1. SOEC和PEMEC的制氢成本评估 基于上述对SOEC和PEMEC水电解系统进行的性能评估和成本评估，对SOEC和PEMEC的制氢成本进行了比较评估。表6和表7给出了前提条件。假设输入功率为可再生能源（风力发电）的剩余电力，那么在此分析中，假设运转率为20％（相当于日本风力发电的运转率）。

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图5示出SOEC制氢成本对系统成本的依赖性。另外，图6示出PEMEC制氢成本对系统成本的依赖性。按照年产量1,000台的规模来算，SOEC和PEMEC的系统成本大致相同。此外，二者在制氢效率上的差值约为4-5％，因此图5（SOEC）和图6（PEMEC）的结果几乎相同。

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图5 SOEC制氢成本对系统成本的依赖性

（AC输入功率：1.5MW，运转率：20%）

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图6 PEMEC制氢成本对系统成本的依赖性

（AC输入功率：1.9MW，运转率：20%）

4-2. 实现期望制氢成本所需的条件 针对以值40日元/Nm³-H₂（与汽油销售价格（4.2日元/MJ）位于相同水平）为基准，在将来实现约40-50日元/Nm³-H₂的制氢成本这一条件，对SOEC和PEMEC进行了讨论。如图5和6所示，假设运转率等于日本风力发电的运转率（20％），那么制氢成本降低到50日元/Nm³-H₂以下所需的条件是电费为5日元/kWh，并且系统成本降低至约120日元/W。该结果和上年度所讨论的圆筒横条纹型SOEC系统的情况并不矛盾。换句话说，如果运转率为20％，为了实现50日元/Nm³-H₂的制氢成本，只需将平板形的SOEC和PEMEC的电费降低到5日元/kWh，并将系统成本降低到约120日元/W即可。另外，所得到的系统成本值与之前在表3所示的SOEC和PEMEC的系统成本值几乎相同（分别为137日元/W和112日元/W）。因此，即使在假设了可再生能源（这里指风力发电）的运转率的制氢工艺中，也可以使用燃料电池制氢，并且将来也可以对可再生能源产生的剩余电力进行使用。如LCS建议书中所述，假设将来日本国内由氢产生的年发电量为100TWh，则氢的年产量相当于6.3×10¹⁰Nm³-H₂（假设氢涡轮机的发电效率：53％（LHV））。据估算，为达到以上氢的年产量，共需2,000台1.5MW的SOEC系统和1.9MW的PEMEC系统。在本次研究中，我们假设的各系统的年产量为1,000台，但是通过进一步提高年产量，SOEC和PEMEC系统可以为未来的氢利用技术做出足够的贡献。 5. 关于政策制定的建议~ SOEC和PEMEC系统的技术开发课题 基于以上性能和成本评估，以下总结了SOEC和PEMEC系统技术开发的必要项目。 1） SOEC和PEMEC系统的性能/成本目标值 平板形的1.5MW级SOEC系统（450Nm³/h）和平板形的1.9MW级PEMEC系统（450Nm³/h）的开发目标均为：系统成本：120日元/W以下（参考第4-2节）;电解效率：75％以上（SOEC）（参考表4），70％以上（PEMEC）（参考表5）；系统寿命：15至20年（参考表6和7）。 2） SOEC和PEMEC系统的技术课题 ① 开发兼具高耐久性和高性能的电极 SOEC系统延长电极的使用寿命是必须解决的课题。与SOFC的发电模式相比，有必要开发在高水蒸气分压气氛下稳定的材料以及阐明其衰减机理。在本研究中，分析是在以热自主运转条件（电池单元电压为1.3V）为前提，假设了高电流密度（0.8A/cm²）的情况下进行的，实际上电池中预期会有更低的电流密度值，因此有必要也对将来的高电流密度化（高性能化）进行一下探讨。 PEMEC系统与SOEC相同，延长电极的使用寿命是必须解决的课题。预期在水电解过程的阴极极化中会出现因电极催化剂的洗脱导致的降解，所以必须阐明衰减机理并提出预防措施。另外，除了铂以外，还使用铱和钌等贵金属催化剂，本次分析结果表明其材料成本的比率极高。因此，诸如高分散化等致力于减少催化剂用量的研发是必不可少的，并且新材料的开发也有望取得进展。 ② 外围系统（如压缩机和高压罐）的低成本化压缩机压缩机和高压罐在整个系统占据的比例非常高。除了传统往复式和隔膜式的量产效应而导致的成本降低外，电化学气体压缩技术开发的进展备受期待，该技术有望在PEMEC中得以应用。去除压缩机成本就可以使系统成本接近100日元/W。高压罐从降低系统成本和安全性的角度来看，高压罐的技术开发也非常重要。如果是固定式高压罐，使用钢制造则是其前提条件。另一方面，目前，主要由私营企业推进碳纤维和树脂所构成的复合材料高压罐的研究与开发（参考引用文献[11]-[14]），并且有望取得一种实现成本降低的方法。 6. 总结 本文基于叠堆式成本工程方法对平板形的SOEC和PEMEC进行了比较研究，并且对可再生能源电力的制氢成本进行了评估。在标准条件下（制氢能力：450Nm³-H₂/h; SOEC输入功率基准：1.5MW; PEMEC输入功率基准：1.9MW），SOEC模块的制氢能量消耗率为3.2kWh/Nm³-H₂/h，而PEMEC模块的制氢能量消耗率为4.1kWh/Nm³-H₂/h。此外，SOEC系统的制氢能量消耗率（含氢压缩工艺）为4.4kWh/ Nm³-H₂/h，而PEMEC系统的制氢能量消耗率为4.6kWh/Nm³-H₂/h。 SOEC系统中的不含氢压缩工艺的水蒸汽电解系统的效率为75％（LHV），含氢压缩工艺的水蒸汽电解系统的效率为69％（LHV）。PEMEC系统中的不含氢压缩工艺的水电解系统的效率为70％（LHV），含氢压缩工艺的水电解系统的效率为65％（LHV）。据估算，在年产量1,000台的情况下，SOEC的系统成本为137日元/W，PEMEC的系统成本为112日元/W。汽油成本约为40-50日元/Nm³-H₂/h以下，而将制氢成本降低至该水平所需的条件如下：若可再生能源的电费为5日元/kWh，则系统成本：120日元/W以下；电解效率：75％以上（SOEC），70％以上（PEMEC）；系统寿命：15年以上。作为SOEC和PEMEC系统的技术开发项目，兼具长寿命和高耐久性的电极的开发尤为重要。同时，关于PEMEC，为了降低成本，有必要开发一种低成本材料以代替常规的贵金属材料，降低压缩机和高压罐的成本，并且电化学气体压缩的技术开发也是有效的。通过以上讨论，提供了一种即使使用可再生能源电力，也可利用SOEC和PEMEC制氢的途径。参考文献： [1]. J. Otomo, J. Oishi, T. Mitsumori, H. Iwasaki and K. Yamada, “Evaluation of Cost Reduction Potential or 1kW Class SOFC stack production: Implications for SOFC Technology Scenario”, Int.J.Hydrogen nergy, 38 (33), 14337-14347, 2013. [2]. J. Otomo, J. Oishi, K. Miyazaki, S. Okamura and K. Yamada, “Coupled Analysis of Performance and Costs of Segmented-In-Series Tubular Solid Oxide Fuel Cell for Combined Cycle System”, Int.J.Hydrogen Energy, 42 (30), 19190-19203, 2017. [3]. 关于基于努力实现低碳社会的定量性技术，经济和社会情形制定创新政策的建议书, 技术开发篇，“固体氧化物型燃料电池系统（Vol.4）-在水蒸气电解中的应用以及技术开发课题-”，日本科学振兴机构低碳社会战略中心，LCS-FY2016-PP-03（pp.1-13），2017年3月。（http://www.jst.go.jp/lcs/documents/publishes/item/fy2016-pp-03.pdf) [4]. 关于基于努力实现低碳社会的定量性技术、经济和社会情形制定创新政策的建议书，技术开发篇，“固体氧化物型燃料电池系统-基于基础技术结构化的定量性技术情形以及科技蓝图-”，日本科学振兴机构低碳社会战略中心，LCS-FY2013-PP-04（pp.1-14），2014年3月。 (http://www.jst.go.jp/lcs/documents/publishes/item/fy2013-pp-04.pdf) [5]. 关于基于努力实现低碳社会的定量性技术、经济和社会情形制定创新政策的建议书，技术开发篇，“固体氧化物型燃料电池系统(Vol.2)-中大型机械的SOFC制造成本评估以及技术开发课题-”，日本科学振兴机构低碳社会战略中心，LCS-FY2015-PP-03（pp.1-14），2016年3月。 (http://www.jst.go.jp/lcs/documents/publishes/item/fy2014-pp-05.pdf) [6]. 关于基于努力实现低碳社会的定量性技术，经济和社会情形制定创新政策的建议书，技术开发篇，“固体氧化物型燃料电池系统(Vol.3)- SOFC在未来电源构成中的作用以及技术开发课题-”，日本科学振兴机构低碳社会战略中心，LCS-FY2015-PP-03（pp.1-14），2016年3月。 (http://www.jst.go.jp/lcs/documents/publishes/item/fy2015-pp-03.pdf) [7]. A. Marshall, B. Børresen, G. Hagen, M. Tsypkin and R. Tunold, “Hydrogen production by advanced proton exchange membrane (PEM) water electrolysers－Reduced energy consumption by improved electrocatalysis”, Energy, 32, 431-436, 2007. [8]. J. Cheng, H. Zhang, G. Chena and Y. Zhang, “Study of Ir x Ru 1−x O 2 oxides as anodic electrocatalysts for solid polymer electrolyte water electrolysis”, Electrochimica Acta, 54, 6250-6256, 2009. [9]. 圈分裕一，“关于高压氢输送的成本和能量效率”，氢能量系统，34(4)，24-30，2009. [10]. 本田技研工业（株式会社）主页，“智能加氢站（SHS）”, http://www.honda.co.jp/tech-story/engineer/engineer-talk/SmartHydrogenStation/ （2017年11月1 日访问）。 [11]. 高压罐开发相关网页，钢铁， http://gas- plant.iwatani.co.jp/h2s/pdf/h2s.pdf (2017年11月1 日访问)。 [12]. 高压罐开发相关网页，碳纤维, http://www.mizuno-technics.co.jp/cfrp/product/story01.aspx （2017年11月1 日访问）。 [13]. 高压罐开发相关网页，碳纤维, http://www.toyoda-gosei.co.jp/recruit/rec_graduate/special/story02.html （2017年11月1 日访问）。 [14]. 高压罐开发相关网页，树脂, https://www.dsm.com/countrysites/japan/ja_JP/media/press-releases/2017/10/1709-high-pressure-composite-tank.html （2017年11月1 日访问）。

（翻译：荆珊审校：贾陆叶统稿：李淑珊）

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