固体酸化物形燃料電池

固体酸化物形燃料電池 (SOFC) について

固体酸化物形燃料電池（SOFC）は、高温の固体電解質を使用した燃料電池で、発電効率が非常に高いことで知られています。一般的には700℃から1000℃で動作し、発電効率は45%から65%に達することができます。このタイプの燃料電池は、全ての構成要素が固体であるため、液体の存在がなく、堅牢性が高いのが特長です。主な発電メカニズムは、酸化物イオン（O2-）の伝導を基礎にしており、化学反応が高温で進行するために、高価な触媒を必要としません。

基本原理

SOFCの基本的な動作原理は、酸素が空気極（正極）で電子を受け取り、酸化物イオンに変わることから始まります。この酸化物イオンは、電解質を介して燃料極（負極）まで移動します。燃料極では、水素や一酸化炭素などの燃料が酸化物イオンと反応し、水や二酸化炭素を生成します。この反応に伴い、放出された電子が電流を生み出し、電力を供給します。

構成要素

SOFCは、主に以下の3つの基本構成要素から成り立っています：

• - 空気極：正極は導電性セラミックス（例：La,Sr)MnO3やLa,Sr(Co,Fe)O3）で、電子を受け取ります。
• - 燃料極：負極は、ニッケルとイオン伝導性セラミックス（YSZなど）で作られたサーメットから構成されています。
• - 電解質：酸化物イオンが透過可能なイオン伝導性セラミックスで、高い透過性を持つ安定化ジルコニアなどが使われます。さらに、改質技術により、燃料の内部改質が可能で、発電効率を高めることができます。

利点と可能性

SOFCは高温での運転が可能なため、都市ガスや天然ガスをそのまま燃料として使用することができます。また、発生する排熱を利用したコジェネレーションシステムを導入することで、熱効率を一層向上させることも可能です。これにより、家庭用の分散電源や小型発電機としての利用が見込まれています。

課題

SOFCの主要な課題には、電極のガス反応度の向上や耐久性の確保などがあります。燃料極に炭素が固着することで性能が低下することがあり、これを避けるためには装置全体を加圧状態にする必要があります。また、高温下での運転は耐久性や強度を問われるため、運転温度を下げるための技術開発が進んでいます。特に600℃未満では燃料の改質ができないため、特別なアプローチが求められます。さらに、急速な起動と停止の許容に関する技術も重要な課題として挙げられます。

近年の進展

2009年、日本ガイシ株式会社は世界最高レベルの63%の発電効率を達成したSOFCを開発しました。2011年には、JX日鉱日石エネルギーが市販機として初めてのSOFC型エネファームをリリースしました。また2018年には、IHIがアンモニアを使用した燃料電池システムによる発電に成功し、環境への配慮も期待されています。

未来への展望

SOFCの技術は、エネルギーの持続可能性に寄与するための重要な手段として注目されています。特に小型化や性能向上により、様々な使用用途が見込まれ、新たな分野での展開が期待されます。国際的な研究開発が進む中で、より効率的で環境に優しいエネルギー供給が実現されることに大いに期待が寄せられています。

もう一度検索