成果報告書詳細
管理番号20110000001027
タイトル平成21年度成果報告書 エコイノベーション推進事業「ナノ電解質膜による燃料電池中温作動化の調査研究」
公開日2011/7/2
報告書年度2009 - 2009
委託先名株式会社ナノメンブレン
プロジェクト番号P07026
部署名研究開発推進部
和文要約燃料電池は、低炭素社会構築のための新エネルギー産業分野の柱となる技術であり、幅広い分野への本格普及が強く期待されているが、コストの大幅な低減や耐久性の向上など解決すべき課題が残されている。 この様な状況で、全固体形でありかつ中温(200~400℃)作動という二つの基本的な特徴を併せ持つ燃料電池は、現在の低温型(PEFC)や高温型(SOFC)の燃料電池に比べ、燃料の多様性、システムの簡素化、コスト削減などの優位性を持つと知られ、本格普及のためのブレ~クスルー技術と期待されている。本調査研究では、ナノ電解質膜を用いた全固体型中温作動燃料電池SAFC(Solid Acid Fuel Cell)の技術的な優位性を、具体的なシステムについて確認し、製品化の可能性を見通すことを目標とした。
 (株)ナノメンブレンが平成21年6月~22年2月の期間に実施した本調査研究の成果は次のとおりである。
(1) 1kW級燃料電池コジェネレーション装置の概念設計を行った結果、都市ガスを燃料とした場合、スタック作動温度は350℃程度であれば熱自立運転が可能であり、発電中は燃料の追いだきは不要である。また、PEFCと同程度のセル電圧および電流密度が得られれば、SAFCシステムの発電効率は、計算上、49.5%(発電端、LHV)であり、排熱効率41.4%、および総合効率90.9%の高効率が得られる。
(2) 家庭用燃料電池としては、発生する電力と熱の比がほぼ1:1程度であり、バランスのとれた熱電比と高効率が得られるため、PEFCに比べ熱過剰が起きにくい。また、スタックの中温作動化により、1)排熱回収装置の小型化が可能であること、2)スタックの耐CO性が高いため、CO除去器(選択酸化器)やCO変成のための低温シフト反応器が不要となり、PEFCに比べて燃料処理システムの大幅な簡素化につながること、3)スタックは無加湿運転が可能であり、加湿器や水の管理が不要となること、など簡素化された安価なシステムを構築できる。
(3) ナノMEAの評価検討の対象として、ハンドリングを考慮してPd箔を電極として選定した。回転塗布法によりPd箔上に均一、無欠陥のアルミノシリケート膜を作成し、インピーダンス測定から膜と電極の接合性は充分であることがわかった。また、PtやNi金属層を中間層として挿入すると接合性が向上した。中温作動に適した新しい冶具を開発し、水素燃料による発電実験を行った。Pd箔電極を直接使用した場合は、膜・電極接合面の劣化が見られた。中間メタル層を含むナノMEAでは理論値よりも低いOCVが観測された。リン酸ジルコニウム電解質膜では、1Vの理論値に対応するOCVならびに1mW/cm2程度の明らかな発電性能が得られた。膜・電極接合面の改良により、実用化に向けたナノMEAの開発が可能となる。
(4) ナノ電解質膜を用いた中温作動燃料電池SAFCを実現するには、今後、ナノMEAを構成する電極材料や電極構造の最適化および実用レベルの性能を有する発電セルの開発研究が重要となる。しかしながら、
1) システムを構成するスッタク以外の主要機器や補機類は、現在進められているPEFCやSOFC用機器類の開発成果を十分に反映できること
2) SAFCの製品価格は、他の燃料電池形式に比べ、システム簡素化により大幅な低減が期待できること
などから考えて、SAFCの製品化は十分可能であると考えられる。中温作動の全固体型燃料電池を実現することにより、将来、コンパクトで低価格、高効率の燃料電池を家庭用や業務用としては勿論、車載用など多くの用途に利用できるようになり、環境・エネルギー分野を中心とする社会的、経済的な波及効果は極めて大きいと考えられる。
英文要約Fuel cells are expected to play a major role in new energy industry for the coming low-carbon society, and its wide-spread uses in various areas are strongly desired. However, drastic cost reduction and improved durability still remain as intrinsic technical hurdle for this purpose. Under this situation, a novel fuel cell system that are characterized with two fundamental features~all-solid and operable at intermediate temperatures(200-400~C), is considered to possess advantages in fuel flexibility, concise systems and low cost, as compared with conventional PEFC and SOFC, and may serve as breakthrough technology for full-fledged applications. In the present project, we examine technical advantages of all-solid, intermediate-temperature fuel cell systems (solid acid type) based on nanomembrane electrolyte, and their potentials as practical product.
NanoMembrane Ltd. conducted the present study during the period of June, 2009 to February 2010. Major results are as follows.
(1) Concept design of the cogeneration system with 1 kW fuel cell
・ Suitable operation temperature of the fuel cell stack is 350~C for city gas as fuel.
・ Estimated values are 49.5 %(LHV) for the system efficiency, 41.4% for the exhaust efficiency, and a high figure of 90.9% for the total efficiency at given cell voltage and current density.
・ Since the combustion energy of the anode offgas including CO is large, thermally-sustainable operation is possible, and auxiliary combustion of fuel gas is not needed during fuel cell operation. The energy ratio of electricity and heat is 1:1, a well-balanced number for a home-use fuel cell. The excess thermal energy is avoidable, unlike the case of PEFC, and hot steam in addition to warm water may be provided as heat source for air conditioning.
・ Due to fuel cell operation at higher temperatures, the stack is robust against CO poisoning, and the CO concentration may not be as low as that in PEFC. As a result, CO removal (selective oxidation reactor) and water-shift reactor are not required, and auxiliary systems are much reduced. Furthermore, the FC stack is operated under dry conditions, and humidifier and water management are not necessary.
(2) Development of nanoMEA prototype and its evaluation
・ Solid-acid nanomembranes(aluminosilicate and zirconium phosphate) are formed on Pd foil(metal electrode) to provide an integrated preparation of nanomembrane-electrode assembly(nanoMEA).
・ A specific device used for evaluation of impedance measurement and electricity generation at intermediate temperatures was developed.
・ The prototype nanoMEA was used to measure impedance spectroscopy from room temperature to 400~C, with the results that Pt/Al-SiOx/Pd assembly was satisfactorily junctioned as FC unit.
・ Pt/ZrP3Ox/Ni/Pd assembly gives an open circuit voltage of theoretical 1.0V. This indicates that amorphous ZrP3Ox membrane is gas-tight and gas leakage through defects is negligible. However, the power output is only 1.0 mW/cm2, and much improvement is desired.
(3) From these results, it is possible to realize solid-acid FC operating at intermediate temperature range on the basis of nanomembrane electrolyte.
・ devices other than FC stacks and auxiliary elements will be common in principle to those currently employed for PEFC and SOFC. They do not constitute any obstacle for development of practical SAFC.
・ The cost of such SAFC will be much reduced from other FC systems due to systems simplification.
・ However, materials and organization of nanoMEA need to be optimized, in order to attain practical performance. In particular, fine tuning of electrode surface is required to design high-performance junction structures.
(4) Intermediate-temperature, all-solid FC, compact and low-cost, will be used in the future for many applications at homes, on board of vehicles and as stationary systems. Their social and economical implications can be quite large in terms of environment and energy.
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