Design of novel proton-conducting solid oxide fuel cells and proposal of a comprehensive evaluation method considering environmental impacts

新型质子传导固体氧化物燃料电池的设计及考虑环境影响的综合评价方法的提出

基本信息

批准号：
21J14251
负责人：
山手駿
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

昨年度実施したプロトン伝導性セラミック燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cells, PCFCs）モジュールの製造プロセス設計に引き続き、メタンを燃料とした5 kW (AC) 規模発電システムの構築を実施した。評価の結果、外部取出し電流に対するリーク電流率ならびにセル電圧について、70%を超えるような高いシステム効率の達成に要求されるセルの開発指針を見出した。これらの結果を踏まえ、輸送特性改善を目的とした電解質積層型セルを検討し、パルスレーザー堆積法(PLD)によるコンセプトセルを作製した。一例として、低電子伝導性のBZY20（BaZr0.8Y0.2O3－δ）にBZCYYb1711（BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3－δ）が挙げられる。以上に加え、固体酸化物形電解セル (Solid Oxide Electrolyzer Cells、SOECs)による水素ステーションの技術経済性分析についても昨年度より継続して検討した。300Nm3/h-H2の設備規模を想定し、現状の設備コスト約6億円から、将来の目標設備コスト２―３億円へ至る技術要請について議論した。工事費削減のためのパッケージ型ステーションや、セル電解質の薄膜化ならびに蓄圧器の改善によって上記が達成可能であることが示唆された。環境影響評価についても、これまで構築した製造プロセスに対して排出原単位を考慮することで定量化の見通しが立っている。以上から、技術経済性分析に基づくセル設計手法の開発は、PCFCセルに加え、発電システム設計やSOECによる水電解に至るまで、当初の予定を超えて幅広い進展があった。

继去年质子陶瓷燃料电池（PCFC）模块的制造工艺设计之后，我们构建了一个使用甲烷作为燃料的 5 kW（AC）规模的发电系统。根据评估结果，我们发现了电池开发指南，要求在漏电流率和相对于外部汲取电流的电池电压方面实现超过 70% 的高系统效率。基于这些结果，我们研究了电解质堆叠电池，旨在提高传输性能，并使用脉冲激光沉积（PLD）制造了概念电池。例如，BZCYYb1711 (BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ) 被列为 BZY20 (BaZr0.8Y0.2O3-δ)，其电子电导率较低。除此之外，我们从去年开始继续考虑对使用固体氧化物电解槽（SOEC）的加氢站进行技术经济分析。假设设施规模为300Nm3/h-H2，我们讨论了从当前约6亿日元的设施成本到未来200至3亿日元的目标设施成本的技术要求。有人提出，可以通过使用封装站来降低建设成本、使电池电解液更薄、改进蓄压器来实现上述目的。在环境影响评估方面，考虑到目前已建立的制造过程的排放强度，进行量化是有前景的。综上所述，基于技术经济分析的电池设计方法的发展已经远远超出了最初的计划，从PCFC电池到使用SOEC的发电系统设计和水电解。