摘 要：通过对固体氧化物电解池（SOEC）系统的技术和经济性进行分析，研究了未来使用可再生能源剩余电力水电解制氢和储氢过程的成本。基于对固体氧化物燃料电池（SOFC）制造成本的了解，从储能的观点出发，对锂离子二次电池（LIB）和SOEC的成本进行了比较。在假定的电价成本下，对当前的系统成本进行比较，结果表明：在储氢时间约为4天以上时，由可逆型SOFC/SOEC系统进行储氢相比于LIB充放电具有成本优势。此外，经证实，随着未来技术的发展，当储氢时间分别为约2天和约1天时，可逆型SOFC/SOEC系统也将具有成本优势。此外，还研究了实现制氢成本30日元（约1.76元）/Nm3-H2的日本政府目标所需的必要条件。结果表明，当SOEC系统成本为88日元（约5.16元）/W时，在储氢时间为24小时、电力成本为5日元（约0.29元）/kWh、稼动率为60%的条件下，制氢成本可实现30日元（约1.76元）/Nm3-H2。基于上述研究，今后将陆续进行可应对可再生能源波动的SOEC模块，SOEC模块的寿命延长和小型化，压缩机和储氢罐等周边设备的降本化，热交换器的小型化，以及新技术质子型FC的开发。此外，今后开拓可应对可再生能源波动的时间规律（小时、日、周、月）的储氢利用形式和市场，以及开发用于加氢站等的中小型SOEC系统十分重要。
目录
摘要
1. 前言
2. SOEC的技术评估
2.1 SOEC技术评估的方法和评估范围
2.2 SOEC电池·模块和水蒸气电解系统的规格
2.3 SOEC水蒸气电解系统的成本评估
3. SOEC（氢）和LIB（电）的储能时间对比
3.1 SOEC（氢）和LIB（电）的制氢·发电循环/充放电循环的成本计算方法
3.2 从SOEC和LIB的储能时间（放电·发电时间）角度探讨储能形式
4. 制氢成本评估
5. 总结
6. 对SOEC技术开发课题的提案
1、前言
高温水蒸气电解（High Temperature Steam Electrolysis）是以固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell: SOFC）为基础的固体氧化物电解池（Solid Oxide electrolysis Cell: SOEC）的制氢技术[1-3]，与传统的碱性水电解和使用固体高分子燃料电池的水电解池（Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell: PEMEC）[4]相比，有望实现高效率的水蒸气电解[5]。本提案书采用研究人员开发的SOFC技术和成本评估方法[6-13]，报告了使用SOEC的制氢成本的研究结果。
在本提案书中，通过比较使用锂离子电池（LIB）储存可再生能源剩余电力的成本，以及利用可再生能源剩余电力由SOEC进行制氢·储氢的成本，对未来SOEC的作用进行了讨论。此外，在评估SOEC系统性能和成本的基础上，对假定利用太阳能电池和风力发电等可再生能源剩余电力通过SOEC制氢的成本进行了计算。
2、SOEC的技术评估
2.1 SOEC技术评估的方法和评估范围
对SOEC的技术评估主要包括以下六个层级。
（1）构成材料物性（电解质：离子电导率、电子·孔隙电导率；电极：表面交换反应速度、交换电流密度、电极结构等）
（2）SOEC单电解池（构成材料、电解池设计、电解池性能、电解池制造成本）
（3）SOEC模块（模块性能、模块制造成本）
（4）SOEC系统（系统构成（SOEC模块、热交换器、泵·鼓风机、压缩机、高压罐等）、系统性能（制氢速度、制氢效率、存储容量）、系统成本）
（5）SOEC系统的运用模式（发电·水蒸气电解运行模式）
（6）未来电源构成中SOEC的作用与定位（与其他发电·蓄能设备·系统的相互比较等）
理想情况下，最好对（1）-（6）的所有方面进行评估，但由于需要处理的参数和边界条件太多，因此本提案书中，通过预先对各个层级的信息进行压缩（模块化），主要对（5）和（6）展开讨论。关于（1）-（4）已在之前的报告[6-13]中讨论过，根据之前报告中对SOFC和SOEC电池性能（电流-电压曲线）以及系统的评估来决定规格，并通过与LIB的比较和制氢成本的研究来对（5）和（6）进行说明。
2.2 SOEC电解池·模块和水蒸气电解系统的规格
平板型SOEC电解池·模块规格如表1和表2所示。表1和表2中的规格根据文献[2,3]中平板型SOEC系统的实验数据确定。平板型SOEC电解池·模块的制造成本参考了研究人员之前的报告[12,13]，并根据之前的报告[11]，计算了水蒸气电解系统的规格和成本。
1.5MW-SOEC系统的制氢单元如表3所示。水蒸气电解系统主要由SOEC模块、热交换器、鼓风机、蒸发器、压缩机和高压罐构成。水蒸气电解系统[11]如图1所示。
2.3 SOEC水蒸气电解系统的成本评估
1.5MW平板型SOEC水蒸气电解系统的成本结构如表4所示。平板型SOEC模块的成本根据之前的报告[7,12,13]计算。另外，目前假定储氢罐为圆柱型高压罐（350atm），但如图2所示，未来（假设2030年）为了削减成本，将使用球形储罐（30atm）[14]。
平板型SOEC水蒸气电解系统在现在、未来和技术创新发展型（以下简称“发展型”）中的成本结构图如图2所示。作为发展型的一个例子，可以考虑将上述PEMEC的水电解系统[4]，或使用质子导体作为固体电解质的质子SOFC（pSOFC）用于水蒸气电解池，构成所谓的“pSOEC”[15]。
目前可以明确，SOEC制氢系统成本（总体）主要由SOEC系统（SOEC模块和附带设备（BOS: balance of system）的总和）、压缩机、高压罐和逆变器构成。对于当前技术中的压缩机和高压罐，可通过将目前加氢站使用的圆柱型高压罐改为低压球形储罐来降低储存压力（350atm →30atm），进而降低整个系统的成本。
如图2所示，由于压缩机和高压罐以及SOEC系统主体是成本结构中的主导因素，因此研究如何降低这些因素的成本十分重要。此外，预计作为发展型的pSOEC模块成本与SOEC和PEMEC相比并无太大差别[12]，且SOEC和pSOEC的单电池之间的原材料成本和制造工序也并无显着差异，因此虽然此处仅为粗略的近似值，但可以预计SOEC模块和pSOEC模块的成本相同。另外，对于质子型，可以通过电化学对氢气加压，因此有望实现无需压缩机。
综上所述，在发展型中，预计将在加压条件下进行水蒸气电解，且采用电化学法对氢气加压，从而排除了压缩机的成本。下一节将根据这些成本数据评估氢储能，并通过与LIB的蓄电成本进行比较来讨论SOEC系统的定位。
3、SOEC（氢）和LIB（电）的储能时间对比
3.1 SOEC（氢）和LIB（电）的制氢·发电循环/充放电循环的成本计算方法
目前，二次电池被认为是一种储存可再生能源剩余电力的手段。在本提案书中，将LIB作为二次电池的代表性技术，进行了SOEC（氢）和LIB（电）的制氢·发电循环/充放电循环的成本比较。用于比较的LIB系统（10MW/40MWh）的成本结构如表5所示。现在和未来的LIB系统成本分别参考LCS的政策提案书[16]和[17]。关于未来技术的规格，假设通过改变电极材料来降低成本[17]，但寿命不变（15年（5000循环））。
