成果報告書詳細
管理番号20100000001422
タイトル平成17年度-平成21年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発 実用化技術開発 長寿命・超軽量なセパレータの研究開発
公開日2010/10/26
報告書年度2005 - 2009
委託先名日立電線株式会社 株式会社日立製作所
プロジェクト番号P05011
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約日立電線株式会社は、主にアルミニウム(Al)を主体とした軽金属薄肉セパレータ素材(TAT材)とセパレータ製造技術の開発を担当した。一方、株式会社日立製作所は、開発したセパレータ材料の電池化技術と寿命評価を担当し、2社共同で本開発を推進した。 1.軽金属薄肉セパレータ素材の開発(日立電線株式会社) (1)軽金属薄肉セパレータ素材の活用:薄肉TAT材は、0.3t、0.2tと段階を踏んで開発を進めた。最終目標の板厚0.2tのTAT材は、接着層材料の見直し等により、引張強度273MPa(目標200MPa)の製作が可能になった。 (2)軽金属薄肉セパレータの製造技術: TAT材のプレス加工技術の開発により、燃料電池用セパレータを製作して発電特性評価に供した。 (3)軽金属薄肉セパレータの簡易評価:燃料電池用セパレータ材の簡易評価には、接触抵抗の評価が有効である。OCV環境下において、初期7.2mオーム・cm2であった接触抵抗は、100時間保持後も7.6mオーム・cm2と殆ど変化せず、良好な導電性を保持した。 (4)量産化技術:量産化技術として長尺材の連続導電表面処理技術を開発した。TAT長尺材(長さ30m)に本表面処理を行い、接触抵抗が初めから終わりまで10mオーム・cm2以下と低抵抗で安定して処理できるようになった。また、表面処理の低コスト化に向けて貴金属使用量の低減技術を開発した。当初の3/10の貴金属使用量でも低接触抵抗かつ高信頼であることを確認し、目標の貴金属使用量1/2を達成した。 2.軽金属薄肉セパレータの電池化と寿命評価 (株式会社日立製作所) TAT材料の構成金属であるAIの電池劣化に対する影響把握と燃料電池用セパレータとしての実用性を検証するために、TAT材料の電池化を試み、単セルおよびスタックによる電池特性、連続発電寿命を評価した。 (1)構成金属の電池劣化への影響評価:AI合金を用いたセパレータの発電寿命評価により、次の結果を得た。a.電圧低下の主要因は、酸化皮膜成長に伴う抵抗上昇である。b.セパレータから溶出したAIは電極触媒を被毒しない。c.溶出したAIは電解質膜分解を促進しない。d.電解質膜のAIイオン捕捉による抵抗上昇は僅少である。 (2)開発材料の電池化技術:成形法の検討とスタック化のTAT材料への影響評価を目的に電極面積25cm2の小型セパレータを開発し、単セル特性を評価した。5セルスタックでは平均セル電圧0.76V at 0.2A/cm2、0.43V at 1.0A/cm2の発電特性が得られ、自主目標を達成した。次のステップとして実用規模の電極面積158cm2セパレータを開発し、小型セルと同様に単セルと5セルスタックの特性を評価した。その結果、5セルスタックにおいて平均セル電圧0.77V at 0.2A/cm2、0.60V at 1.0A/cm2が得られた。実用規模のセパレータでは、単セル試験を上回る初期発電特性が得られた。 (3)発電寿命試験: TAT材料が電池劣化に与える影響を評価するために、小型単セルを用いて定電流連続発電寿命と負荷変動発電寿命を評価した。連続発電試験では5,000時間以上の連続発電を実証し、最終目標の3,000時間以上を達成した。また、負荷変動発電試験では、3,000時間以上の連続発電を実証し、カソードの厚さが約1/2となる厳しい試験条件でも、セパレータの接触抵抗がほとんど増加しないことを実証した。
英文要約Title: Strategic Development of PEFC Technologies for Practical Application Development of Basic Production Technology Development of Long Life and Lightweight Bipolar Plate FY2005-FY2009 Annual Report: Hitachi Cable, Ltd. and Hitachi, Ltd. have been jointly developed a lightweight metal bipolar plate that can contribute to the long life and reduced size and weight of PEFC stacks. The lightweight metal in this project is a kind of clad metal consisting of an aluminum substrate and titanium cover layers (TAT). Hitachi Cable, Ltd. has been developed lightweight metals for use as thin bipolar plate materials based on aluminum as the core metal. On the other hand, Hitachi, Ltd., has developed a fuel cell made of bipolar plate materials for which the same technology is shared. There are four technical issues for achieving a longer life bipolar plate and lighter material: (1) utilization of the material, (2) manufacturing technology, (3) simplified evaluation of the thinness of a light metal, and (4) mass production technology. The precious metals were applied the surface coat layer to decrease contact resistance. In order to reduce the cost, it was a target to make thickness of the precious metals layer (M-coat layer) into a half. The reduction techniques of the amount of the precious metals used in M-coat was developed. The quantity of precious metals in M-coat was reduced to 3/10 by the developed technology. The low precious metals M-coat was reliable and stable for fuel cell condition, and then its resistance was low. The TAT clad bipolar plate is adopted aluminum alloy as a substrate material. The influence of aluminum alloy for fuel cell component degradation, especially MEA, was evaluated at first. Then, small size and practical size TAT clad bipolar plates were developed and evaluated. We clarified the following results. (1)The influence of aluminum alloy for degradation: The prime factor of cell voltage degradation was growth of oxide layer on the aluminum surface. An eluted aluminum had no adverse effect on catalyst poisoning and polymer electrolyte membrane degradation. The resistance increase due to captured aluminum ion in membrane was very little. (2)Manufacturing of TAT clad bipolar plate: The press formability of clad material was evaluated by small size bipolar plate. The practical size bipolar plates were manufactured after obtaining satisfactory results. An assembled 5 cell stack indicated the average cell voltage of 0.77 V at 0.2 A/cm2 and 0.60 V at 1.0 A/cm2. (3)Durability: The TAT clad bipolar plate cell was able to operate more than 5,000 hours. Load change evaluation was carried out over 3,000 hours and the contact resistance increased very little under the condition such as the cathode thickness decreased by half.
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