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固体酸化物形燃料電池(SOFC)の開発と展望

(2005年『固体酸化物形燃料電池:SOFCの開発』普及版)

商品コード: B0943

  • 監修: 江口浩一
  • 発行日: 2010年11月
  • 価格(税込): 3,888 円
  • 体裁: A5判,238ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0279-9

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  • SOFC,コージェネレーション,発電,電解質

刊行にあたって

 昨今の燃料電池の過熱気味の開発競争の中,固体酸化物形燃料電池(Solid OxideFuel Cell:SOFC)は化石燃料を使用するエネルギー変換技術の中でも,最高の効率が達成可能であると期待されている。以前はリン酸形,溶融炭酸塩形に続く第3世代燃料電池と呼ばれていたが,最近では固体高分子形燃料電池の強力な開発・技術発展に牽引される形で次世代発電技術として注目を集めている。海外では車載用の補助電源としてのSOFCの応用などが大きな関心を呼んでおり,国際学会では欧米の過熱した研究努力が目に付くが,国内では,定置用を目的とした技術の蓄積が着実になされ,SOFCに関しては諸外国に劣らない先端技術を保有していると考えられる。国内におけるSOFC開発の歴史は古く,NEDO第I期プロジェクトが1989年に開始されている。セル構造や構成材料,セラミックセル作製技術などに多くの技術的蓄積と経験がある。SOFCの特徴は燃料電池の中で最も高温作動であり,廃熱,高温排ガスを利用することにより,高効率となると期待されている。また,全固体で腐食や電解質の揮発の問題がなく,高温に起因する高い燃料適応性や貴金属触媒が不必要など,他の燃料電池にない優れた特徴を持っている。一方で,高温で各材料の機能性を持続するための熱劣化の抑制や高温ガスシールなど,これまで他分野で要求されなかった技術の発展が不可欠であったために,最後に実用化される高効率燃料電池と位置づけられてきた。現在,コージェネレーションの試験システムが運転に供され,小型スタックにおいて高い発電効率が実証されるなどプレスをにぎわす機会も多くなり,より実用を見渡せる新たな段階に入りつつあるといってよい。国内ではコージェネレーション機をまず商用化しようという動きが顕在化しつつある。SOFC開発の情報交換の舞台として,電気化学会の元でSOFC研究会が組織され,国際会議などを主催してきたが,今後システムや応用分野を見据えた,より広い分野の協力体制が必要な段階と考えられる。このような現状で,国内の最先端技術を網羅し,将来の開発課題やシーズなどについてまとめておくことは有意義であると考える。本書はそのような背景から,各社または各研究機関の最新の状況を比較的自由に執筆していただくよう依頼したもので,国内におけるSOFC開発の現状を把握し,新た展開に踏み出す一助となれば幸いである。
(「はじめに」より)

2005年10月  江口浩一

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2005年に『固体酸化物形燃料電池:SOFCの開発』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2010年11月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

江口浩一   京都大学大学院 工学研究科 物質エネルギー化学専攻 教授
横川晴美   (現)東京都市大学 総合研究所 特任教授
堀田照久   (現)(独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 燃料電池材料グループ グループ長
氏家 孝   (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 燃料電池・水素技術開発部 主査
服部雅俊   中部電力(株) 電力技術研究所 エネルギーエンジニアリンググループ 燃料電池チーム 研究副主査
稲垣 亨   (現)関西電力(株) エネルギー利用技術研究所 チーフリサーチャー
鵜飼健司   東邦ガス(株) 基盤技術研究部 材料基盤技術グループ 係長
松崎良雄   (現)東京ガス(株) 商品開発部 SOFCPG チームリーダー
荒川正泰   日本電信電話(株) 環境エネルギー研究所 主幹研究員 グループリーダ
         (現)(株)NTTファシリティーズ総合研究所 バッテリー技術部 部長
久留長生   三菱重工業(株) 長崎造船所 火力プラント設計部 燃料電池開発課 課長
武信弘一   (現)三菱重工業(株) 神戸造船所 新製品・宇宙部 新エネルギー設計課 原動機事業本部 新エネルギー事業推進部 主席技師
上野 晃   (現)TOTO(株) 燃料電池事業部 燃料電池企画部 部長
上原利弘   (現)日立金属(株) 冶金研究所 主任研究員
石原達己   九州大学大学院 工学研究院 応用化学部門 教授
荒地良典   (現)関西大学 化学生命工学部 准教授
伊藤 響   (財)電力中央研究所 材料科学研究所 機能・機構発現領域 主任研究員
         (現)東京電力(株) 技術開発研究所 主管研究員
川田達也   (現)東北大学大学院 環境科学研究科 教授
嘉藤 徹   (独)産業技術総合研究所 エネルギー技術研究部門 燃料電池グループ 主任研究員
菊地隆司   京都大学大学院 工学研究科 物質エネルギー化学専攻 助教授
         (現)東京大学大学院 工学系研究科 准教授
高橋 収   (現)出光興産(株) 研究開発部 上席主任部員
鈴木健二郎  芝浦工業大学大学院 機械工学専攻 教授

 執筆者の所属表記は、注記以外は2005年当時のものを使用しております。

目次

第1章 固体酸化物形燃料電池(SOFC)の原理と基礎研究
1. はじめに
2. SOFCの動作原理と基本構成材料
3. SOFCのセル構造,構成材料,及び作製法
3.1 電池の構造と支持形式
3.2 各種SOFCセル及びスタックの構造と作製法
3.3 SOFCの構成材料と低温作動化
4. 燃料電池の燃料適応性
5. 結言

第2章 SOFCの開発動向
1. はじめに
2. 円筒縦縞型SOFCの開発
3. 円筒横縞型SOFCの開発
4. 平板型SOFCの開発
5. 円筒平板型
6. マイクロチューブ型SOFC

第3章 NEDOプロジェクトにおけるSOFC開発の経緯と現状
1. NEDOプロジェクト開発経緯の概要
2. 固体酸化物形燃料電池システム技術開発の概要
2.1 研究開発の目的
2.2 研究開発項目
2.3 研究開発の目標・内容
3. 今後について

第4章 電力事業から見たSOFC
1. コージェネレーション
1.1 はじめに
1.2 電力各社の開発動向
1.3 中部電力における開発動向
1.4 おわりに

2. 中温作動システムの開発
2.1 背景
2.2 高性能セルの開発
2.3 熱自立発電モジュールの開発
2.4 1kW級発電システムの実証
2.5 今後の取り組み

第5章 ガス会社におけるSOFCの取り組み
1. 東邦ガスにおけるスカンジア安定化ジルコニア電解質を用いたSOFCの開発状況
1.1 はじめに
1.2 開発中のシステム概要
1.2.1 開発コンセプト
1.2.2 高性能・高信頼性単セルの搭載
(1) ScSZ電解質について
(2) 高性能・高信頼性単セルの開発
1.2.3 システムの概要
(1) 初号機の開発
(2) 愛・地球博展示システムの概要
1.3 おわりに

2. 中低温作動支持膜式SOFCの研究開発
2.1 緒言
2.2 支持膜式単セルの作製方法
2.3 応力緩和スタックの構造
2.4 Cr被毒への対策
2.4.1 YSZ電解質上LSM電極のCr被毒
2.4.2 様々な電解質上のLSM電極に対するCr被毒
2.4.3 SDC電解質上の様々な電極に対するCr被毒
2.4.4 Cr被毒対策に関する結論
2.5 スタックの作製と評価
2.5.1 発電特性
2.5.2 燃料ガスの基板内拡散特性
2.5.3 セル内部の電流密度分布と燃料利用率特性の予測
2.6 まとめ

第6章 情報通信サービス事業におけるSOFCへの取り組み
1. 情報通信サービス事業におけるエネルギー需要の動向と燃料電池への要求条件
2. 電解質材料
3. 空気極材料
4. 燃料極支持形SOFCの特性
5. おわりに

第7章 SOFC発電システムへの展開
1. 円筒型燃料電池の開発とハイブリッドシステムへの応用
1.1 円筒型燃料電池の開発
1.1.1 SWPCにおける円筒型SOFCの開発状況
1.1.2 三菱重工業における円筒型SOFCの開発状況
1.2 ハイブリッドシステムへの応用
1.2.1 米国SECA(SOLID-STATE ENERGY CONVERSION ALLIANCE)プロジェクト
1.2.2 NEDOプロジェクト
1.2.3 ロールスロイス社

2. MOLB形燃料電池とコージェネレーションシステム
2.1 はじめに
2.2 電池構造
2.3 電池の開発経緯
2.4 実用化電池の開発
2.4.1 改良型MOLBの開発
2.4.2 連結式一体積層形(T-MOLB形)構造の開発
2.5 数10kW級モジュール開発
2.6 熱自立モジュールの開発
2.6.1 モジュールの特長
2.6.2 熱交換器の集合化検証
2.6.3 モジュール運転制御自動化検証
2.7 小容量機開発
2.8 200kW級コージェネレーションシステム開発
2.8.1 開発目標および実施内容
2.8.2 開発状況
2.9 おわりに

3. 円筒型燃料電池の湿式セルスタック製造と応用
3.1 概要
3.2 定置型燃料電池用セルスタック開発状況
3.2.1 単セル開発状況
3.2.2 スタック開発状況
3.3 可搬型燃料電池用セルスタック開発状況
3.3.1 低温作動形マイクロチューブセル開発
3.3.2 マイクロチューブセルスタックの開発
3.4 おわりに

第8章 SOFCの構成材料
1. 金属セパレータ材料
1.1 はじめに
1.2 種々合金の位置付け
1.3 Cr基合金
1.4 Ni基合金
1.5 Fe-Crフェライト系合金
1.6 ZMG232
1.7 今後の課題と展望

2. 電解質材料―ランタンガレート系
2.1 はじめに
2.2 新規酸化物イオン伝導体としてのLaGaO3ペロブスカイト
2.3 LaGaO3系ペロブスカイトのSOFCへの応用
2.4 おわりに

3. 電解質材料―スカンジア安定化ジルコニア
3.1 はじめに
3.2 蛍石型構造を示す酸化物イオン伝導体
3.3 蛍石型酸化物の酸化物イオン伝導性
3.4 ジルコニアを基体とした酸化物イオン伝導体

4. 燃料極材料
4.1 燃料極における反応過程
4.2 燃料極の要件と種類
4.2.1 燃料極に要求される条件
4.2.2 燃料極材料の種類
4.3 サーメット燃料極材料
4.3.1 熱膨張挙動
4.3.2 ガス拡散性
4.3.3 導電率
4.3.4 化学的・熱力学的相互作用
(1) インターコネクタとの相互作用
(2) 燃料ガス中不純物との反応
4.3.5 燃料極材料の製法
4.4 おわりに

5. 空気極材料
5.1 空気極反応経路と電極設計
5.2 空気極材料に求められる要件
5.3 高温型SOFC用空気極材料
5.3.1 安定性と不定比性,導電率
5.3.2 酸素輸送経路と電極反応
5.3.3 電解質との両立性
5.3.4 長期特性変化と陽イオン輸送
5.3.5 実用電極の設計
5.4 中低温型SOFC用空気極材料
5.4.1 LaCoO3系ペロブスカイトの酸素不定比性と導電率
5.4.2 (La,Sr)CoO3の電極反応
5.4.3 LaCoO3系電極と電解質
5.4.4 La(Co,Fe)O3系ペロブスカイト

第9章 SOFCの課題
1. SOFCにおける標準化
1.1 はじめに
1.2 燃料電池の国際標準化動向
1.3 日本の規格標準化に対する体制
1.4 燃料電池に対する日本の規格標準化の取り組み
1.5 規格・標準化を指向した高精度SOFC効率測定技術の開発
1.6 水素流量基準および都市ガス流量基準の開発
1.7 SOFCの実用化にむけて

2. SOFCの燃料適応性
2.1 はじめに
2.2 炭素析出領域とNi-YSZ燃料極を用いた種々の燃料での発電特性
2.3 塩基性酸化物および貴金属添加によるNi-YSZ燃料極の燃料適応性向上
2.4 混合伝導体を用いた新規燃料極による燃料適応性の向上
2.5 まとめ

3. 燃料電池用の石油改質技術
3.1 はじめに
3.2 石油燃料
3.2.1 石油精製工程と製品性状
3.2.2 燃料電池の原燃料に要求されること
3.3 燃料電池用水素の製造方法
3.3.1 水素の製造・供給方式
3.3.2 水素製造技術
(1) 概要
(2) 脱硫工程
(3) 改質工程
3.4 灯油からの水素製造
3.4.1 灯油脱硫技術
3.4.2 灯油改質技術
3.4.3 燃料電池用灯油改質器の開発と燃料電池システムの実証試験
3.5 今後の課題とSOFCへの適用

4. SOFCの劣化要因について
4.1 はじめに
4.2 劣化の種類と要因
4.2.1 形状変化を伴う劣化
4.2.2 拡散・反応が主原因となる劣化
(1) 外部要因による劣化
(2) 材料自体の劣化
(3) 異種材料間の反応・拡散による劣化

5. SOFC単体セルへとSOFCモジュールの数値シミュレータ
5.1 まえがき
5.2 数値モデル
5.2.1 モデルの概要
5.2.2 計算手法
5.3 シミュレーションの結果
5.3.1 セル単体に対するシミュレーション
5.3.2 円筒型SOFCモジュールの数値モデル
5.4 おわりに
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