固体酸化物の電気分解による水素製造の進捗状況と経済分析

固体酸化物の電気分解による水素製造の進捗状況と経済分析

固体酸化物電解槽（SOE）は、高温の水蒸気（600～900℃）を電解に用いるため、アルカリ電解槽やPEM電解槽よりも効率的です。1960年代には、米国とドイツが高温水蒸気SOEの研究を開始しました。SOE電解槽の動作原理を図4に示します。リサイクルされた水素と水蒸気が陽極から反応系に入ります。水蒸気は陰極で水素に電気分解されます。陰極で生成されたO2は固体電解質を通って陽極に移動し、そこで再結合して酸素を形成し、電子を放出します。

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電極は水蒸気と接触して反応するため、電極と水蒸気の接触面の面積を最大化するという課題に直面する。そのため、SOE電極は一般的に多孔質構造になっている。水蒸気電解の目的は、従来の液体水電解のエネルギー強度と運転コストを削減することである。実際、水の分解反応に必要な総エネルギー量は温度の上昇とともにわずかに増加するが、電気エネルギーの必要量は大幅に減少する。電解温度が上昇すると、必要なエネルギーの一部が熱として供給される。SOEは高温熱源の存在下で水素を生成することができる。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る。同時に、地熱エネルギーなどの再生可能エネルギーも蒸気電解の熱源として有望であることが研究で示されている。高温で運転すると、バッテリー電圧を下げて反応速度を上げることができるが、材料の熱安定性とシール性という課題にも直面する。さらに、陰極で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を使用することで、SOEのコストを削減できます。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、陰極で高純度水素を生成するのに適しており、水蒸気電解装置を簡素化できます。

Yanら[6]は、支持構造のSOEとして酸化カルシウムで安定化されたジルコニアセラミック管を使用し、外面を薄い（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℃、0.4A/cm2、39.3Wの入力電力で、この装置の水素製造能力は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オーム損失による過電圧と、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[8]であり、電極の劣化や不活性化の問題を引き起こす可能性がある。