专栏：Fuel Cells in 2070 | SOFC：50年后的固体氧化物电池（SOC）技术的发展前景（1）

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摘   要：本文介绍了使用固体氧化物电池（SOC）的电化学装置的研究和技术发展的前景，以及用于实现低碳社会的先进SOC材料技术和SOC技术的新应用，例如移动交通、负载变化以及Power-to-X。为了实现下一代SOFC技术的高目标，需要进行更多的基础科学研究。预计将有更多年轻的研究者加入SOC技术的开发。

关键字：固体氧化物燃料电池（SOFC），固体氧化物电解池（SOEC），可逆电池，增程器，创新技术开发

1 前言

2019年FCDIC（日本燃料电池开发信息中心）内成立了展望50年后的燃料电池的工作小组（WG），笔者（AIpatent认证专家库成员，欲知详情可联络[e-mail]）为其中一员。该工作小组将预想燃料电池相关技术和研究的进展，并设想50年后即2070年的技术和社会形态，从而为推进新技术开发提供契机。50年后，日本人口将少于1亿人，预计将进入超高龄化社会。另外，经济方面也可以预想到日本在世界上相对地位的下降。在温室气体排放方面，日本将努力实现到2050年减少80％的目标，在工厂等工业领域实现零排放，在发电和运输领域的排放也将大幅减少。50年后即2070年左右，是该目标完成20年后的情形。

本文考虑上述社会状况，介绍了今后有望发展的燃料电池技术的梦想，特别是笔者研究的高温型固体氧化物燃料电池（SOFC）的相关技术。本文将按以下顺序介绍。

1）现状认识及动向

2）技术前景、社会实际应用的梦想（固定式用途的展开、移动用途的展开）

3）创新技术开发的梦想（课题和最新材料开发）

文中将为多次提到“梦想”的字眼，同时存在许多不确定的猜想，请各位读者谅解。

22019年的现状认识及动向

自2011年家用燃料电池ENE-FARM（Type S）发售以来，固体氧化物燃料电池（SOFC）的数量稳步增加，到2019年4月为止共普及了5万台以上（ENE-FARM总普及数为30万台）。2020年以后，这一数字预计将达到年产数万台。世界范围内SOFC的数量也在增加（图1：E4Tech的报告^1），日本ENE-FARM销量的增加贡献了很大比例^2））。ENEF-ARM Type S的LHV（低热值）效率约为53%，作为分布式小型电源具有世界顶级的性能。

在NEDO项目“固体氧化物燃料电池等实用化推进技术开发”（2013-2019年度）中，正在开展以电堆使用寿命达到10年以及LHV发电效率达到60%为目标的实证试验，同时以更高效率为目标的概念创造也正在进行。Solid Power公司的数kW级系统和Bloom Energy公司的系统中，最早销售过LHV效率超过60%的机器。自2017年以来，大阪燃气一直致力于通过购买ENE-FARM Type S的过剩电力，以实现最高效率的设备使用率。2021年SOFC型ENE-FARM的导入补助金将取消，预计本体价格将在100万日元（约合人民币6.5万元）以下。

商业用、工业用燃料电池（SOFC型）也于2017年开始销售，日本开始实施导入补助金制度。如果发电输出在3kW-250kW左右，电热综合效率在60%以上，则补助1/3的设备导入费。结合自治体的制度，导入费可以节约一半左右。京瓷的3kW系统、三浦工业的4.2kW系统、三菱日立电力系统（MHPS）的250kW系统陆续发售，但是截止到2019年4月为止，累计销售数量仅为30多台。三浦工业采用Ceeres Power公司的金属支撑型电堆，改良系统后开始销售。同时推进技术革新以降低成本，今后有望更加普及。其引进了数台Bloom Energy公司生产的100kW以上的工业用系统，初始LHV效率达到了60%以上的高水准。

日本大阪的果蔬市场引进了三浦工业的1.3MW级系统，韩国则引进了8MW级系统。另外，日立造船、富士电机、电装等正准备商业化。固定式用途方面，家用电堆系统已普及数万台，商业化正稳步推进，同时预计商业用途的普及数也将增加。尤其是作为单发电机系统导入办公楼或数据中心，然而其用途的扩展仍然是迫切的课题。此外，在2016年已被证实的EV用增程器用途也期待有更多进展。

图1：全球范围内燃料电池的出货量

3 技术前景、社会实际应用的梦想 （固定式用途的展开、移动用途的展开）

为了讨论SOFC相关技术的未来前景，图2展示了未来社会实际应用的示意图。在本次专栏中，以氢气已在社会得到一定程度的普及为前提，虽然本文不特别讨论产业上游的问题，但笔者期待可以生产和进口由可再生能源制成的廉价氢。日本国内已导入了GW级的太阳能发电和大规模风力发电，有望承担将近一半的电力需求。作为未来的电力、燃气和热能供应，SOFC-SEC技术有望在各个领域取得进展。此外，通过与信息通信领域的协作，未来有望发展出无论何时何地都能掌握能源的供需信息，并灵活运用的技术。

图2 创新下一代SOC技术有望发挥作用的用途

例如，在单发电机用途中，已经实现LHV效率超过70%（基于甲烷）的系统，并且已经出现了支持数据中心和可应对可再生能源电力负荷变动的设备。由于以可再生能源为主的配电网存在波动，因此为了保持其供电稳定，需要燃料电池具有立即切换输出功率的功能。当可再生电力过剩时，切换到电解模式制造氢，并通过Power-to-X功能与CO₂一起转化为有用的燃料和化学物质。在电解氢和CO₂充足的情况下，可以合成酒精和合成燃料等。

在移动交通领域，EV和FCV都已得到相当的数量的普及。此外，搭载了增程器用SOFC的EV也将普及，此种SOFC使用由碳中和的生物乙醇和二氧化碳制成的合成燃料（GTL）。增程式EV最适合用于卡车、公共汽车、铁路等重型应用。在一天行驶12小时以上的卡车等使用蓄电池的电动汽车上，安装SOFC发电机为其提供电力。无人机和飞行汽车是移动交通进一步进化后的形态。为了延长这些移动交通工具的续航距离和飞行时间，今后需要使用增程器。在飞机领域，预计会出现包括推动力都使用电动机的电动飞机。该飞机将拥有超强力推进风扇，主电源是蓄电池，但使用SOFC作为增程器。燃料除了氢以外，还将使用来自生物燃料的喷气燃料和合成燃料。

本文将主要介绍SOFC的未来技术，有关SOEC的相关技术此文将不做讨论。

4创新技术开发的梦想（课题和最新材料开发）

4.1 实现梦想的技术课题：现状和所需性能

对于上述的将来的新用途，图3展示了为实现SOFC技术的实际使用所必须的技术项目和发展现状。正中间部分是发展现状，SOFC技术若要广泛应用于固定式和移动交通，必须要在各项目上取得技术进展（图中给出的项目和数字仅供参考，在50年后的世界，其他指标可能更为重要）。特别是为了实现爆发式普及，降低成本最为有效，然而从高性能化・尖端技术开发的观点来看，提高输出密度和耐久性十分重要。在这些指标中，要实现LHV效率达到70%，启动时间在10分钟以内，输出密度为5W/cm²，需要相当的技术进步。需要远超现有技术的扩展所能达到的性能极限，开拓创新技术。

假定SOFC的工作温度为600℃-700℃，则必须抑制该温度下的电池电阻。也就是说，需要足够的离子电导率和足够高的电极反应速度。当前已经实现的纽扣电池～单电池的输出密度仅为1-3W/cm²左右。需要将其使用寿命延长到10年以上，同时增大电极面积，提高输出功率。

图3 下一代SOFC所需的技术项目和性能

图4展示了当前技术水平的单电池以及最高性能的单电池的电流-电压特性的示意图。作为当前水平，假定电解质等的欧姆损失为0.1Ωcm²；工作电流下的电极过电压中，空气极过电压为～0.1Ωcm²、燃料极过电压为～0.01Ωcm²。以报告的理论值为基础，技术得到进一步发展，未来得到的超高性能SOFC中，其欧姆损失有望降至0.017Ωcm²；工作电流下的电极过电压中，空气极过电压有望降至～0.015Ωcm²、燃料极过电压有望降至～0.008Ωcm²。如果该超高性能能够实现，则0.65V&8A/cm²，5W/cm²（单电池的面积电阻0.049Ωcm²）将成为可能。目前没有电堆能够实现这样的高输出密度，需要大幅降低单电池的内部电阻。关于这些，将在下一节从材料科学的视点进行解说。

在启动时间方面，需要开发出能够承受10分钟内急速升温至600℃以上，即能够承受约60℃/分的升温速度的单电池。降低工作温度能够在一定程度上实现该需求，但是关键是要开发出一种能够承受或减轻由陶瓷和金属制成的电池的热膨胀以及温度分布所引起的应力的设计。在单电池或小型电堆中，通过燃烧器加热单电池，已经实现在10秒左右完成启动并发电，但是笔者期待能够在实用电堆规模上完成供电的电堆-热模块的实现。

图4 未来预期的高性能SOFC电流-电压特性以及可实现的输出密度

未完待续！

明天我们将继续为大家介绍“SOFC材料开发的趋势及展望”、“为应对快速启动、负荷变动的新型结构和轻量化“等重要内容，敬请关注~

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翻译：东雨琦

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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