摘 要：本文对使用固体氧化物燃料电池（SOFC）的水蒸气电解系统制氢的成本进行了评价。通过设计制氢系统和优化制氢效率，总结了降低制氢成本的必要条件。此外，以构建未来氢能社会为目的，明确了加氢站的成本结构。当电力成本在15~2.5日元（约0.88~0.15元）/kWh的范围内时，包括加氢站建设成本在内的制氢成本在运转率为33%的条件下为120~70日元（约7.06~4.12元）/Nm3-H2，在运转率为90%的条件下为86~37日元（约5.06~2.18元）/Nm3-H2。根据以上关于加氢站普及的探讨可知，必须提高水蒸气电解系统的寿命并降低成本。通过讨论电化学升圧（电化学氢泵）和氨等能源载体的利用等技术选项，提出了使制氢成本与汽油价格（40日元（约2.35元）/Nm3-H2）相当的技术创新路线。
目录
摘要
1. 本提案的定位
1.1 本提案在实现低碳（或脱碳）社会方面的定位和意义
1.2 水电解工艺的研发动向
1.3 氢制造和利用相关的政策动向
2. 水蒸气电解系统和站内制氢加氢站的技术评价
2.1 SOEC电池、模块和水蒸气电解系统的设计与优化
2.2 FCV用加氢站的评价
3. 结论
4. 以政策制定为目的的加氢站开发提案
1、本提案的定位
1.1 本提案在实现低碳（或脱碳）社会方面的定位和意义
氢被认为是解决气候变化问题的有效手段之一，除了在削减燃料的碳排放量方面备受关注之外，在钢铁行业、石油精炼、化学产业、长距离运输（能源载体）等领域，氢作为实现低碳化和脱碳化的手段也备受期待[1]。目前，利用天然气制氢的工艺比较廉价，但在将来，利用太阳能发电等可再生能源制氢的成本有望降低。研究结果表明，在可再生能源资源丰富的国家，利用可再生能源制氢的成本可能比利用天然气制氢的成本更低[1]。日本也在努力降低可再生能源的成本，将来，水电解制氢成本有望大幅降低。但是，也有报告指出，为了普及氢能，推进以燃料电池汽车（包括轿车和商用车）用加氢站为代表的基础设施建设也很重要[1]。因此，除了制氢成本之外，对氢基础设施的成本评价对于氢能普及来说也是一项重要研究项目。
本提案书对使用燃料电池的可再生能源制氢系统进行了评价，并根据该评价结果进行了加氢站的设计和成本评价。通过这一系列的评价，总结了关于普及加氢站的建议。日本国立研发法人科学技术振兴机构下设的低碳社会战略中心（JST-LCS）此前对使用固体氧化物燃料电池（SOFC）的水蒸气固体氧化物电解池（SOEC）及SOEC系统的技术和经济性进行了评价[2~5]。本文将SOEC的单电池记述为SOEC电池，将SOEC电池层叠而成的电堆记述为SOEC模块。另外，将由SOEC模块和压缩机、储压器等构成的整个水蒸气电解系统定义为SOEC系统。在本提案中，基于这些SOEC和SOFC[6,7]的技术评价结果，对加氢站的成本进行了评价。评价时参照了日本政府的加氢站建设标准，并探讨了基于该建设标准的规格对成本的影响。
1.2 水电解工艺的研发动向
在水电解制氢方面，目前碱性水电解是标准技术[8]，利用固体高分子燃料电池（PEFC）的水电解池（PEMEC）得到了广泛研究[9~11]，目前正在推进电极材料的性能提升和低成本化[12]。PEMEC阳极采用以铱为中心的贵金属电极催化剂，阴极采用以铂为中心的贵金属电极催化剂[11]，因此PEMEC的电极材料成本非常高。但是，最近有报告指出开发出一种新型催化剂，该催化剂通过将铱高度分散在钛薄片上的电极设计，实现了低成本和高耐久性[12]。
另一方面，SOEC系统的研发也在积极推进中[13~18]。SOEC的效率比PEMEC更高，但其电极材料的劣化是一大课题，目前正在进行劣化机理的阐明和高效电极材料的开发[15,16]。此外，在进行基础研究的同时，日本国内也在开展商用机的研发[17,18]。本提案书以这些SOEC的研发为基础，设计并优化了专门安装在加氢站中的水蒸气电解系统。
1.3 氢制造和利用相关的政策动向
2014年4月，日本政府在内阁会议上通过了“第四次能源基本计划”。其中记载了政府、民间和学术界共同制定氢能社会路线图，经济产业省于2014年6月制定了《氢能与燃料电池战略路线图》。2016年3月的第1次路线图修订版中记载了关于构建加氢站完善体制的讨论，2019年3月的第2次修订版中增加了对加氢站建设目标的行动计划。在此期间，内阁会议于2017年12月通过了“氢能基本战略”，在2018年7月的“第五次能源基本计划”中提出将氢作为与可再生能源并列的新能源选项。
《氢能与燃料电池战略路线图》（2019年3月修订版）中设想到2030年普及约80万辆燃料电池汽车（FCV）。与此同时，需要引入加氢站（Hydrogen Refueling Stations，HRS）等氢基础设施。截至2020年10月，日本全国共设有135座HRS，计划在2030年达到900座。加氢站有两种模式，一种是从外部（例如液氢、高压储罐、管道等）供给氢的外部供氢方式，另一种是在站内配备制氢装置的站内制氢方式。本提案对站内制氢方式进行了评价。
2、水蒸气电解系统和站内制氢型加氢站的技术评价
2.1 SOEC电池、模块和水蒸气电解系统的设计与优化
平板式SOEC电池的规格如表1所示。参照JST-LCS此前研究过的2019年度提案书[5]，确定了规格。另外，关于平板式SOEC电池与模块的生产成本，参考了2019年度提案书[5]。图1示出电流-电压曲线。图1基于文献[18]的平板式SOEC系统的测量数据，采用考虑了活性过电压、浓度过电压以及电阻过电压的模型公式进行了拟合。
接下来，计算水蒸气电解系统的性能和成本。图2示出水蒸气电解系统的示意图。水蒸气电解系统包括SOEC模块、热交换器、鼓风机、加热器、压缩机和高压储罐。该系统的概要遵循2019年度提案书[5]，但通过有限最小化内点法优化了SOEC模块的操作条件和热交换器的设定温度[19]。
表2示出SOEC系统的优化结果。考虑到热中性点，得到除去氢压缩工艺后的制氢效率为83%。另外，即使考虑到升压至80MPa的过程，制氢效率也达到了76%。制氢速率达到300.8Nm3/h，与商用加氢站的标准制氢能力（300nm3/h）基本一致。
图3示出SOEC的系统成本。目前，SOEC模块的寿命为1年左右，预计将来会延长到5~10年左右[13]。根据图3的系统成本估算，在更换SOEC模块的前提条件下，计算出SOEC模块的寿命为3年，BOS（Balance of System）的寿命为15年。可知，除了SOEC模块，压缩机和储压器（高压储罐）在系统成本中也占据了很大的比例。考虑到量产效果，通过将年产100台增加到1000台，可以将SOEC模块成本大约减半。关于压缩机，在采用往复式的情况下，很难再进一步降低成本，