SOFC（固体酸化物形燃料電池）とは？さらなる普及に向けた研究開発
SOFC（固体酸化物形燃料電池）とは、セラミックを電解質として用いて、水素と酸素の化学反応によって電気を生み出す燃料電池の一種です。
Solid Oxide Fuel Cellの頭文字を取って、SOFCと呼ばれています。
燃料電池は使用する電解質によって種類が分けられており、SOFCの他には、PEFC（固体高分子形燃料電池）、PAFC（リン酸形燃料電池）などがあります。
ここではSOFCについて、基礎情報やこれからの研究開発において適用可能性のあるソリューションをご紹介いたします。
SOFCについて
まずはSOFCの基本情報をご紹介いたします。
SOFCの仕組み
SOFCの発電のコア部分である「セル」は、３つの主要要素で構成されています。
中央に電解質、その両側に空気極（カソード）と燃料極（アノード）を配置します。
電解質には一般的に、セラミックのイットリア安定化ジルコニア（YSZ）が用いられます。
また、空気極にはランタンストロンチウムマンガナイト（LSM）をはじめとする電子伝導性酸化物が、燃料極にはニッケル系（Ni）材料がそれぞれ用いられます。
空気極からは酸素が、燃料極からは水素が供給され、セル内部で化学反応を起こすことで発電します。
また、これらのセルを集めて積み重ねる（スタック化）ことで、最終的に燃料電池を作ります。
SOFCの強み
他の種類の燃料電池と比較したSOFCの特長は、発電効率の高さです。
そのため、家庭用エネファームとして既に実用されています。
同じくエネファームとして普及しているPEFCに比べ、SOFCは構成要素に高価な貴金属を使用しないことから、コスト面で強みがあります。
しかし、燃料電池はどの種類においても研究開発が日々進められており、「どの燃料電池が優れている」と一概には言えません。
また、これまでにない電解質材料を用いた新たな燃料電池の登場も期待されています。
SOFCの課題
どの燃料電池も、さらなる活用・普及のためには解決しなければならない課題を抱えています。
SOFCにおいては、より出力の大きい産業用での活用が求められていますが、「長寿命化」と「低コスト化」が課題となっています。
これらを解決するために様々な研究が行われています。あらゆるアプローチ方法の中から、一部をご紹介いたします。
低温化
SOFCの弱みとして運転温度の高さがあり、一般的に700~1000℃ほどで作動するとされています。
運転温度が高温であることにより、セルが劣化しやすく長寿命化が難しい現状です。また、使用できる材料も高温環境に耐えられるものに限られます。
運転温度を下げるために様々な方法が研究されていますが、中でも有効とされているのは電解質の薄化です。
電解質の厚みを薄くすることで電解質抵抗を小さくし、発電効率を下げずに運転温度を下げることが可能です。
近年では実際に、700℃を下回る温度での発電について研究成果が発表されています。
より低い運転温度を実現するため、いろいろな方法を用いて㎛単位での薄化が進められています。
セルスタックの最適化
SOFCの耐久性向上に関わる要素として、セルのスタック方式が挙げられます。
セルをスタック化する際に、どのように積み重ねるかによって様々な方式があります。
具体的には、板型セルを積み重ねる「平板形」、円筒型セルを格子状に配置する「円筒縦縞形」、円筒型セルを扁平化して積層する「筒状平板縦縞形」など、様々な方式が開発されています。
より性能の高いセルスタックを実現するために必要なのは、スタック方式の開発だけではありません。
板型以外の形状でも発電効率が低下しないセルの製造方法や、スタックする際にセル同士を繋げる仕組みの開発なども併せて研究が進められています。
触媒の有効化
触媒は、電解質と各電極の間にそれぞれ塗布することで、発電を促進させることができます。
例としてPEFCでは、白金などの貴金属を材料とした触媒の塗布が必要です。
一方SOFCは、触媒を必要とせずに発電を行うことが可能です。
しかし研究の進展により、SOFCにも触媒を活用することで、低温化や耐久性の向上に繋がることが分かってきました。
そこで、有効な触媒材料の選定や開発、触媒塗布方法の確立のため、研究が行われています。
また、製造に使用する材料が増えることによるコスト増加の抑制なども取り組みの一つです。
SOFCの研究に適用可能性のある塗布装置
さらなる普及に向けた研究が進められているSOFCについて、課題解決に活用できる可能性のあるソリューションとして超音波スプレーがあります。
超音波スプレーは、超音波振動により液体を霧化させ、非常に薄い塗膜を形成する塗布装置です。
中でもSono-Tekの超音波スプレーは、燃料電池や水電解装置のMEA製造に活用されています。
SOFCの研究においても、Sono-Tekの超音波スプレーが活用できる可能性があります。
電解質の形成
SOFCの電解質は、低温化のため薄く緻密であることが求められます。
Sono-Tekの超音波スプレーは、薄いだけでなく、厚みが均一な塗膜を形成することができます。
また、周波数とノズルを切り替えることにより、液滴サイズや流量の調節も可能です。
インターコネクタのコーティング
インターコネクタとは、セルのスタック化において、セル同士を接合するための構成要素です。インターコネクタは、製造時にコーティング層を設けることがあります。
コーティング層は、塗布材料が均一に分散していることや、量産性の高さが求められます。
Sono-Tekの超音波スプレーは、厚みだけでなく材料性質も均一な塗布を実現します。
例として、沈殿しやすい塗布材料を使用する際、噴射前にシリンジポンプ内に超音波振動を加え、沈殿していた粒子が均一に分散されるよう撹拌を行う機構を持っています。
さらに、研究開発用の小型のモデルから、量産に対応できるモデルまで幅広いラインナップを取り揃えており、量産フェーズを見据えた展開も可能です。
触媒の塗布
触媒に高価な材料を使用する場合、より薄く塗布を行うことによるコスト削減が求められます。
また、SOFCではない燃料電池において、触媒の厚みに傾斜構造を付与することで性能が向上するという例もありました。
Sono-Tekの超音波スプレーは、非常に薄く緻密な塗膜を局所的に重ねるなど、傾斜構造も実現することができます。
SOFCに新たな触媒材料が導入される場合、超音波スプレーによる塗布が有効な可能性があります。
SOFCだけでなく燃料電池は、クリーンエネルギーとして注目されており、その研究開発も盛んに行われています。
超音波スプレーの適用可能性についてのご質問や、より詳しい情報を知りたいなどございましたら、ぜひお気軽にお問い合わせください。
