成本篇--燃料电池（SOFC和PEFC）在制氢技术中的作用

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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