固体酸化物形電解セル＝SOECとは？技術的内容と各社の開発・商用化動向

固体酸化物形電解セル（SOEC）は、固体酸化物イオン伝導体を用いた水電解セルだ。高温で電気分解するため高いエネルギー効率が期待され、水から水素を作る方法の中で実用的な技術の一つと目されている。

本稿では、高温プロセスによってエネルギー効率が向上する仕組みや、本技術に関連する研究開発、商用化へ向けた動向を紹介する。

水素生産のための固体酸化物形電解セル

水素は、燃焼時に二酸化炭素（CO₂）を排出しない燃料（エネルギーキャリア）としての利用に向けた技術開発が、進められてきた。

水素の生産には電力を要し、その電力を生産する際にはCO₂が発生する。ただし、CO₂排出源が広く分散するガソリン燃料と異なり、発電所からはCO₂がまとめて放出されるため、これらを回収しやすいというメリットがある。加えて、再生可能エネルギーを用いた水素生産が普及していけば、CO₂を一切排出せずに自動車用燃料を生産できるようになるだろう。

また、水素の用途は燃料に限らない。アンモニアは化学肥料として無くてはならない工業製品だが、ハーバーボッシュ法によるアンモニア生産には水素が必須となる。化学肥料は大きな需要があるために水素の消費量も多く、水素生産におけるエネルギー消費が少しでも抑えられれば、全体として大きな温暖化抑制効果が期待できる。

国内では、アンモニアの発電利用へ向けた研究開発も進められてきた。水素と比べて、保存容器の腐食が小さく、常温で発火の危険がないアンモニアは、より安全なエネルギーキャリアとなり得る。アンモニアは燃えにくい物質だが、燃焼炉内に渦状の火炎を形成することによって燃焼を持続させる技術が開発されている。アンモニア発電、および、水素の利用について、詳しくは以下の記事を参照していただきたい。

参考記事：アンモニア発電とその関連技術の動向

参考記事：開発が進む水素関連技術の動向（水素貯蔵編）

電解セルとは、原義的には電池や燃料電池の構成物の最小単位であるが、ことSOECに関しては水素を生産するために利用される水の電気分解装置だ。中学校の理科の授業で習う通り、電気伝導性を高めた液体の水に通電すると、陽極、陰極ではそれぞれ以下の化学反応が進行し、陰極側から水素が得られる。

陽極　2O^2- → O₂ + 4^e-

陰極　H₂O + 2e^- → H₂ + O^2-

全体　2H₂O → 2H₂ + O₂

これを水の電気分解反応と呼ぶ。電気分解反応には、陽極、陰極、電解質という要素が必要だ。陽極、陰極とは電気を流しやすい金属板を指す。

電解質は溶媒に溶解した際に陽イオンと陰イオンに電離し、電荷を輸送する媒体となる。従来の水電気分解では水酸化カリウムなどが電解質として用いられるため、この方法をアルカリ水電解と呼ぶ。

本稿のメイントピックである固体酸化物形電解セル（Solid Oxide Electrolysis Cell、SOEC）は、水の電気分解セルではあるが、電荷の輸送に固体電解質であるセラミックが用いられることが特徴だ。アルカリ水電解のように、セル全体が水で満たされているわけではなく、高温に加熱した水蒸気を陰極側に通過させ、電気分解反応を進行させる。

固体電解質とは外部電界を印加することにより、内部でイオンが移動する固体のことだ。アルカリ水電界セルにおいては水と電解質がイオン輸送の役割を担っていたが、固体酸化物形電解セルでは、セラミックがこの役割を担う。固体電解質は全固体電池にも用いられており、当該分野で利用されるために、近年での技術進展が著しい。

SOECの一例（中部大学プレスリリースより）

液体と気体という違いはあるものの、化学反応式自体はアルカリ水電解の場合と変わりない。高温に熱せられた水蒸気は陰極で反応し、酸素イオンと水素に分解される。酸素イオンは固体電解質を通過して陽極に到達、陽極で電子を受け取り酸素となる。

固体電解質を用いるメリットは

固体電解質を用いる場合、電気分解する水は気体のものを利用できる。そして、水の電気分解には一定以上のエネルギーが必要となるが、エネルギーは液体の水と比べて気体の水の方が小さくて済む。

水の電気分解が進行するかどうかは、ギブスエネルギー差とエントロピー項の和の形で測られるが、このエネルギーは温度に依存せずほぼ一定であり、液体の水で約286キロジュール／モル、気体の水で約249キロジュール／モルだ。

また、固体電解質を用いる場合、熱エネルギーを有効利用できるという利点もある。

アルカリ水電解の場合、水の温度が100度を超えると沸騰してしまうため、ジュール熱として生じた熱は水を適切に循環させることで排熱する。この場合、ジュール熱は単なるエネルギーロスだ。

一方、SOECでは高温領域で動作するために加熱が必要であり、電気分解で生じた熱エネルギーはセルの温度を高く保つために利用できる。電流量を増やしていくと必要な熱量を電解から生じるジュール熱だけで補えるケースもある、との試算もなされている。電流量とセル温度を上手くバランスさせれば、外部からの加熱が不要となり、高い効率で水素を生産できる。

日英4社の研究開発動向

ここからは、SOECの開発を進める企業や研究機関について、取り上げる。

Ceres｜Shellにシステム納入、デンソーにはライセンス供与

英Ceres Power Holdingsは2001年設立で、SOECを中心にクリーンエネルギーの生産設備を開発する。

2022年からShellとパートナーシップを締結。当初は、インドにあるShellの研究開発施設に1メガワットクラスのSOECシステムを納入した。そして2024年6月には、第2段階として規模を拡大したSOECモジュールの設計を受注している。

CeresがShellに納入したSOECシステム（Ceresプレスリリースより）

なお、後述するデンソーとはSOECシステム製造のライセンスを供与する契約を2024年8月、締結した。

Daigasグループ｜メタネーションにおける熱再利用

大阪ガス（Daigas）グループでは固体酸化物形電解セルとメタン合成プロセスを組み合わせ、高い効率でメタンを生産する仕組みの開発を進めてきた。Daigasのメタン合成プロセスでは水素と一酸化炭素を用いるが、これらはSOEC共電解から生産される。

SOEC共電解とは水蒸気とCO₂を同時に電気分解するプロセスで、全体の反応は以下の反応式で表される。

CO₂ + 3H₂O → CO + 3H₂

SOEC共電解は吸熱反応であるが、メタン合成プロセスで生じた熱をSOEC共電解に有効利用できる。Daigasによれば、SOEC共電解とメタン合成の一貫したプロセスによって、従来のメタン合成プロセスより30パーセントほど高い85〜90パーセント程度のエネルギー効率でメタン合成が行えるという。

2022年4月には、産業技術総合研究所（産総研）と新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が公募した「グリーンイノベーション基金事業／CO₂等を用いた燃料製造技術開発プロジェクト」の研究開発項目の一つである「合成メタン製造に係る革新的技術開発」に対して「SOECメタネーション技術革新事業」を提案し、採択された。

本事業は2022年度から2030年度の9年間を予定しており、2024年度にはラボスケール試験装置を完成させ、試験を開始した。2025年度から2027年度にはベンチスケール試験、2028年度から2030年度にパイロットスケール試験を行う予定となっている。

DaigasのSOECによるメタン生産のプロセス（同社プレスリリースより）

デンソー｜セラミック材料開発

デンソーでは2023年6月、SOEC試験設備を広瀬製作所（愛知県）内に設置し、実証を開始した。部品製造のはんだ付け工程において酸化物を除去し、接合性を向上させるための還元剤として用いる水素を生産する。

自動車部品を製造してきたデンソーでは、SOEC内の温度を適切に管理する熱マネジメント技術、高温で動作するセラミック材料開発、無駄なく水蒸気を装置内で再循環させるエジェクター技術などに蓄積があり、こうした分野で独自の技術開発を目指す。

東芝グループ｜劣化機構の解明

東芝では水素製造に関するNEDOの委託業務などの中で、電極材料開発やSOEC劣化プロセスの解明を進めてきた。断面の顕微鏡観察や元素分析からは、水素極／電解質界面に空隙が生じている様子、組成が変化する様子などが観察された。ラマン測定からは電解質が正方晶化することで伝導度が低下する様子も観測されている。

東芝の特徴としては、水素の利用や電力系統との接続、CO₂電解セルなども含め、上流から下流までの開発が行われている。2020年7月に稼働した福島水素エネルギーフィールドは、水素の製造・貯蔵・供給に関して幅広い研究を推進する施設だ。

水素への期待はまだ薄れていない

水素の電源、エネルギー源としての利用は、エネルギーを生み出すのに必要とされる量から悲観的な見方をされる場合もある。しかし、本稿前半で述べたように自然に存在する物質からカーボンニュートラルな形で生産が可能であり、また太陽光や風力といったエネルギーと異なり気候に影響されることもない。

例えば、水素を利用した大規模な発電はハードルが高くても、地域単位の電源として利用するというような使い道が考えられる。

その前提からすると、SOECの実用化はもとより、さらなる効率的なエネルギー生産が求められそうだ。

参考文献：
※1：固体酸化物形電解セルによる高温水蒸気電解, 渡邉久夫他, 『水素エネルギーシステム』41巻1号（2016）（リンク）
※2：Ceres signs contract with Shell for green hydrogen, Ceres（リンク）
※3：Ceres confirms Denso as the latest licence partner, Ceres（リンク）
※4：世界最高レベルのエネルギー変換効率を目指すＳＯＥＣメタネーション, Daigasグループ（リンク）
※5：SOECメタネーションとC_2-4成分併産への挑戦, 大西久男（リンク）
※6：SOECメタネーションに関するグリーンイノベーション基金事業の採択について～世界最高効率の合成メタン製造技術の開発に挑戦～, Daigas（リンク）
※7：グリーンイノベーション基金事業におけるSOECメタネーションのラボスケール試験装置の完成と試験実施について～世界最高効率のe-メタン製造技術の開発に挑戦～, Daigas（リンク）
※8：デンソー、SOECを用いて水素を製造し、モノづくりに活用する実証を広瀬製作所にて開始, デンソー（リンク）
※9：SOECを用いた高効率水素製造システムへ期待と課題, 長田憲和（リンク）
※10：水素利用社会に向けた東芝エネルギーシステムズの取り組みと P2Cソリューションについて -CO2電解セルスタックの開発-, 柳康介（リンク）

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