固体酸化物の電気分解による水素製造の進歩と経済分析

固体酸化物の電気分解による水素製造の進歩と経済分析

固体酸化物電解装置（SOE）は、高温水蒸気（600～900℃）を用いて電気分解を行う装置で、アルカリ電解装置やPEM電解装置よりも効率が高い。1960年代には、米国とドイツが高温水蒸気SOEの研究を開始した。SOE電解装置の動作原理を図4に示す。リサイクルされた水素と水蒸気は陽極から反応系に入り、陰極で水蒸気は水素に電気分解される。陰極で生成されたO2は固体電解質を通過して陽極に移動し、そこで再結合して酸素を形成し、電子を放出する。

アルカリ電解セルやプロトン交換膜電解セルとは異なり、SOE電極は水蒸気との接触によって反応するため、電極と水蒸気との接触面積を最大化することが課題となります。そのため、SOE電極は一般的に多孔質構造を有しています。水蒸気電解の目的は、従来の液体水電解におけるエネルギー強度を低減し、運転コストを削減することです。実際、水分解反応に必要な総エネルギーは温度上昇とともにわずかに増加しますが、電気エネルギーの必要量は大幅に減少します。電解温度が上昇すると、必要なエネルギーの一部は熱として供給されます。SOEは高温熱源の存在下で水素を生成することができます。高温ガス冷却原子炉は950℃まで加熱できるため、原子力エネルギーをSOEのエネルギー源として利用できます。同時に、研究によると、地熱エネルギーなどの再生可能エネルギーも水蒸気電解の熱源としての可能性を秘めています。高温で動作させることで、電池電圧を低下させ、反応速度を向上させることができますが、材料の熱安定性と密閉性という課題にも直面します。さらに、陰極から生成されるガスは水素混合物であるため、さらに分離・精製する必要があり、従来の液体水電解に比べてコストが高くなります。ジルコン酸ストロンチウムなどのプロトン伝導性セラミックスの使用は、SOEのコストを削減します。ジルコン酸ストロンチウムは約700℃で優れたプロトン伝導性を示し、陰極に伝導して高純度の水素を生成するため、水蒸気電解装置の簡素化につながります。

Yanら[6]は、支持構造のSOEとして酸化カルシウムで安定化したジルコニアセラミックチューブを使用し、外表面を薄い（0.25mm未満）多孔質ランタンペロブスカイトでコーティングして陽極とし、Ni / Y2O3安定酸化カルシウムサーメットを陰極としたと報告した。 1000°C、0.4A/cm2、39.3W入力電力で、ユニットの水素生成能力は17.6NL/hである。 SOEの欠点は、セル間の相互接続でよく見られる高い抵抗損失から生じる過電圧と、蒸気拡散輸送の制限による高い過電圧集中である。 近年、平面電解セルが大きな注目を集めている[7-8]。管状セルとは対照的に、平面セルは製造をよりコンパクトにし、水素製造効率を向上させる[6]。現在、SOEの産業応用における主な障害は、電解セルの長期安定性であり[8]、電極の老化や失活の問題が発生する可能性がある。