成果報告書詳細
管理番号20110000000887
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発 基礎的・共通的課題のための研究開発 耐久性を改良した低コスト金属インターコネクタ材料の開発 
公開日2011/9/28
報告書年度2008 - 2010
委託先名日立金属株式会社
プロジェクト番号P08004
部署名新エネルギー部
和文要約実用性のある低コスト金属インターコネクタ材料を開発するためには、低コスト化と同時に耐久性の改良を進める必要がある。そこで普及時に低コスト化が可能な合金組成を前提に、金属インターコネクタ材料の耐久性改良を行うことによって、低コスト金属インターコネクタ材料を開発した。 (1)合金組成検討による金属インターコネクタ材料の改良 ・金属インターコネクタにおける電圧降下の抑制、つまり、金属の長時間酸化における接触抵抗増加率の抑制を目的として、現状材ZMG232Lをベースとした組成検討を行った。その結果、耐酸化性を向上させることで、抵抗成分となる合金表面の酸化皮膜を薄く形成するFe-Crフェライト系合金を開発した。接触抵抗低減に寄与する特定の合金元素量の影響を明らかにし、接触抵抗増加率を現状材の約8%(最終目標値)まで低減できる見通しを得た。 ・一方、酸化皮膜を薄くすると、燃料電池性能を劣化させるCr蒸発量の増大が課題として抽出された。このため、さらなる合金組成の検討により、酸化皮膜の改良を実施し、Cr蒸発量を現状材以下まで抑制した合金を開発した。 ・スタックコスト5万円/kWを満たすため、金属材料のコスト低減を検討し、上記で開発した、より薄板での使用を可能とした合金を用いたスタック当たりの使用量低減と、自社開発中の低コストプロセスの開発合金への適用により、目標コストを達成する見通しを得た。 (2)表面処理適用による金属インターコネクタ材料の改良 ・Cr蒸発抑制を主な目的として、MnCoスピネルの湿式コーティングを、当社現状材、および開発合金に対して実施した。その結果、Cr蒸発量の大幅な低減とともに、耐酸化性を向上できることを確認した。 ・また、発電試験の一部に、MnCoコーティングを実施した開発合金を提供し、特性評価を実施した。 (3)簡易耐久性評価技術の確立 ・複数台の大気中酸化試験装置、接触抵抗測定装置を導入することで、合金改良を迅速化すると同時に、750℃×40,000hに相当する加速試験条件として、850℃×4,000hを選定し、通常酸化の予測技術を確立した。 ・通電酸化試験装置を導入し、通電および電極材(集電材)等の接触による酸化皮膜の構造への影響を確認できた。なお、酸化に及ぼす通電の影響を東京工業大学にて検討した結果、低電位側の方が高電位側と比較して酸化皮膜が成長しやすい傾向を確認した。 ・雰囲気中酸化試験装置を導入し、加湿による耐酸化性、Cr蒸発への影響を確認した。また、Cr蒸発量が大気中の湿度の影響を受けることを確認できたため、安定したCr蒸発試験を実施する条件を見出すことができた。 ・昇降式酸化試験装置を導入し、当社現状材および開発合金は、熱サイクルによる酸化皮膜の剥離が生じないこと、また、等温連続酸化と同等の耐酸化性を維持することを確認した。 (4)発電試験による開発材料の特性評価 ・現状材、および4種の改良材を3タイプのスタックメーカに提供し、発電試験評価を実施した。 ・概ね全ての試験において、金属材料の接触抵抗増加率の低減が、金属インターコネクタでの電圧降下の低減につながること、および合金からのCr蒸発によりセル性能が劣化することが確認できた。 ・必ずしも合金のみの耐酸化性、Cr蒸発量が発電試験の傾向と一致しない場合もあることから、セル構成部材、あるいはスタックメーカそれぞれのコーティングと金属インターコネクタ材料との相性があることが示唆された。 (5)以上より、金属インターコネクタ材用の合金開発に取り組んだ結果、開発した新合金において、Cr蒸発のさらなる抑制、コーティングとの相性等の課題は残されているが、当初の耐久性、コストの目標を達成する見通しを得ることができた。
英文要約Title : Development of System and Elemental Technology on Solid Oxide Fuel Cell(SOFC)
/Basic Research for improving Durability and Reliability
/Development of low cost metallic interconnector material with improved durability」(FY2008-2010)Final Report
(1)Improvement of alloys by studying the effect of alloying elements : Effect of alloying elements of a
current alloy, ZMG232L, was investigated to reduce the electrical potential drop of the alloy, that is,
to reduce the increase of electrical contact resistance. As a result, Fe-Cr ferritic alloys with thin
oxide layer were developed. The effect of some alloying elements which contributed the reduction of
electrical contact resistance was clarified and prospects that electrical contact resistance of developed
alloys could be reduced to about 8% of that of the current alloy (final target value) were obtained.
Furthermore, oxide layer was improved by studying the effect of alloying elements on the Cr evaporation
and finally another new alloy was developed. As for cost reduction of these alloys, prospects that cost
target was achieved was obtained not only by using small amount of developed alloys as thin sheets in
stacks but also by applying the cost effective production process which had been developed in our company.
(2)Improvement of alloys by applying coating : Wet coating of MnCo spinel oxide was applied for a current
alloy and developed alloys mainly to reduce Cr evaporation. As a result, much reduction of Cr evaporation
and improvement of oxidation resistance were obtained. Moreover alloys with coating were supplied and
power generation test was performed.
(3)Establishment of simple evaluation test of durability : Oxidation test furnaces and electrical contact
resistance measurement apparatus were installed. An accelerated oxidation test condition at 850oC for
4,000 hours which corresponded to that at 750oC for 40,000 hours was chosen as a normal test condition.
An oxidation test apparatus with current flow was installed and the effect of current flow and contact
with cathode materials on microstructure of oxide layer was investigated. Moreover the effect of current
flow on oxidation was studied by Tokyo Institute of Technology and it was found that oxidation rate on
the low potential side was higher than that on the high side. An oxidation test furnace with controlled
atmosphere was installed and oxidation resistance and Cr evaporation in different humidity was
investigated. A stable test condition was chosen because it was found that amount of Cr evaporation
depended on the humidity in air. A thermal cycle oxidation test furnace was installed and it was found
that the exfoliation of oxide layer did not occur during thermal cycle test and oxidation resistance by
thermal cycle test was almost as same as that by continuous test.
(4)Evaluation of developed alloys by power generation test : A current alloy and four improved alloys
were supplied for three stack makers and power generation tests were performed. Almost all of test
results indicated that reduction of increasing rate of electrical contact resistance corresponded to
reduction of electrical potential drop at metallic interconnects and Cr evaporation caused degradation
of cell performance. Oxidation resistance and Cr evaporation of alloy did not always correspond to the
result of power generation tests. Therefore the compatibility between alloys for interconnects, and cell
materials and coating materials of different stack makers seems to affect the results.
(5)From these results, prospects that developed alloys achieved the target values of durability and cost
could be obtained, although some issues, that is, more reduction of Cr evaporation and compatibility
between alloys and coatings, still remain.
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