報告書番号

M18001

タイトル（和文）

SOFC-SOEC両モード運用時におけるシステム効率とその課題 －単セルを用いた両モード試験性能とその性能に基づくシステムの熱物質収支解析－

タイトル（英文）

Feasibility study on combination system of SOFC and SOEC in view of heat mass transfer -System analysis of SOFC and SOEC based on bench-scale cell performance under SOFC and SOEC mode-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
再生可能エネルギー大量導入を見据えた需要･供給調整機能の両方を担う新たなデバイスとして、SOEC（Solid Oxide Electrolysis Cell）による「再エネ余剰電力を用いた水蒸気電解水素製造」とSOFC（Solid Oxide Fuel Cell）による「水素燃料を用いた発電」が実現できれば、SOFC-SOEC組み合わせによる高稼働率のシステムを期待できるが、その際のセル耐久性、システムの効率と課題に関する報告例は少ない。
目 的
SOFC単セルを用いたSOFC-SOEC両モード繰返し試験を実施し、市販単セルの両モード運用に対する性能および耐久性を評価するとともに、単セル性能に基づく組み合わせシステムの電力貯蔵（Power to Power）効率と課題（吸熱反応である水蒸気電解を行うSOECシステムの熱自立条件）などを明らかにする。
主な成果
1. SOFC単セルを用いたSOFC-SOEC繰返し試験
SOFC単セルによるSOFC-SOEC繰返し試験を4,000時間に渡り実施し、両モードでの電圧経時変化を把握した。試験後のセル解体分析では酸素極／電解質界面の一部に剥離が認められ、この剥離が3,000時間以降の性能劣化を引き起こした可能性がある。
2. SOEC性能予測に基づく高温水蒸気電解システム解析
SOECシステム評価に必要なSOEC性能（電流－電圧特性）をSOFC性能モデルに基づき導出した。そのSOEC性能を基に、SOECシステムにおける水素製造電力WSOECと吸熱反応を補う投入熱ΔQSOECを解析した。内部抵抗損や電極過電圧によるセル内の発熱により、外部からの投入熱が不要（ΔQSOEC = 0）となるには、980mA/cm2（SOFC電流密度の2～3倍）もの高電流密度運転が必要となる。
3. SOFC-SOECシステムでの貯蔵効率および水素と天然ガス利用でのSOFCシステム効率
システムでの電力貯蔵効率は40%レベルに留まっており、この原因は、水素利用SOFCシステム効率（送電端38.1%LHV）が、天然ガスシステム（53.4%LHV）に比べて約15%低いことにある。この効率低下は、天然ガス中のメタン水蒸気改質反応（吸熱反応：CH4 + H2O → 3H2 + CO）を水素では利活用できない点にある。
今後の展開
水素と二酸化炭素から合成するメタンなどを媒介としたSOFC-SOEC両モードデバイスでのセル耐久性、システムの効率と課題について検討を進める。

概要 （英文）

Conversion system for adjusting supply and demand of electric power is very attractive when renewable energy sources such as solar or wind power expand into the grid and occupy an important position as power plant. Combination system of Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) and Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) is capable of contributing both supply and demand on the grid by producing or consuming power from FC or EC mode. This combination system would have also advantage of keeping operational rate higher compared to the rate of conventional power plant that is missing the time of operation in response to widespread deployment of renewable energy sources. However, SOFC (Electrochemical hydrogen combustion for electric power production; exothermic reaction) and SOEC (Steam electrolysis for hydrogen production; endothermic reaction) combination system raises many questions with regard to feasibility of heat transfer, process requirements and efficiency between FC and EC. In this study, we have carried out bench-scale cell tests to predict SOFC and SOEC performance, and discussed the above questions based on system analysis of SOFC and SOEC.

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