成果報告書詳細
管理番号20110000000886
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/セルスタック原料・部材の低コスト化及び低コストセルスタック・モジュールの技術開発
公開日2011/12/13
報告書年度2008 - 2010
委託先名TOTO株式会社、三菱重工業株式会社、三菱マテリアル株式会社、共立マテリアル株式会社、AGCセイミケミカル株式会社
プロジェクト番号P08004
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成20~22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/セルスタック原料・部材の低コスト化及び低コストセルスタック・モジュールの技術開発」
前事業において、普及期に要求される高出力密度化を達成できる見通しを得たが、 SOFCを事業化し普及させるには、高出力タイプのセルの耐久性/信頼性を検証し課題を抽出すると共に、低コスト化を実現する必要がある。SOFCは大別してセルスタック、モジュール、システムから構成されるが、構成材料が全て固体のためにモジュールとシステムの設計思想に応じて様々な形状のセルスタックが開発されている。TOTO株式会社、三菱重工業株式会社および三菱マテリアル株式会社が開発しているスタックも円筒形あるいは平板形、高温形あるいは中温形と形状も作動温度も異なっている。しかし、適用している材料を比較検討した結果、空気極は全てぺロブスカイト系材料であり、燃料極も全てNiと蛍石型構造の材料の混合粉であった。これらの材料を可能な限り共通仕様にすることで、普及期の目標コスト(スタックコスト5万円/kW)を早期に達成できる見通しを立てることを目的とした。この目標を達成するため材料メーカー(共立マテリアル株式会社とAGCセイミケミカル株式会社)とスタックメーカー共同で、1)コスト分析を行うことで目標コストを決定し、2)材料メーカーが低コスト化材料を開発し、 3)スタックメーカーが材料を評価するとともに仕様共通化について検討した。1) コスト分析・目標コストの決定・スタックメーカーがスタックコスト、セル材料コストを分析し、目標を達成するために必要な空気極と燃料極それぞれの材料コストを決定した。・目標コストを実現するには、材料メーカーでは低価格出発原料の使用と製造工程改善が、スタックメーカーではセル高出力化、歩留向上、工数低減が必要であることが分かった。更に仕様共通化や製造工程の共有化によるコストダウンも必要であることがわかった。2) 低コスト化材料の開発・固相法(共立マテリアル)、液相法(AGCセイミケミカル)それぞれで低コスト化に取組み、材料を試作した。固相法では、主に低価格出発原料と媒体攪拌ミルの使用を検討し、液相法では、主に低価格出発原料と粉砕溶媒の低コスト化を検討した。・固相法、液相法ともに目標コスト達成の見通しを得た。各製法で製造工程共通化の見通しが得られた。・課題として、低価格原料に含まれる微量成分の影響を評価して許容値を把握すること、粒度調整粉の高密度化、粉砕工程の改善、仮焼条件の調整(低温度化、時間短縮)が抽出された。3) スタックメーカーによる材料評価、材料仕様共通化の検討・空気極材料のLSMとLSCMは基礎物性が良好であり、組成共通化の可能性を得た。SSCはセル評価で初期性能、耐久性ともに良好であり、LSCFも組成と製造条件を適正化することで焼結特性を合わせ込める見通しを得た。・空気極の出発原料と製造工程を共通化できる見通しを得た。・燃料極材料のNi-セリア系は初期性能は良好であり、出発原料の共通仕様化の可能性が見出された。Ni-YSZでは微量成分の影響による異常粒成長が観察されたが、出発原料の見直しにより、セルに適用できる見通しを得た。
英文要約Title: Element Technology Development for SOFC System
/Technology Development for foreseeing Practicality
/Cost Reduction Technology Development of SOFC cathode and anode materials (FY2008-FY2010) Final Report
TOTO, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) and Mitsubishi Materials Corporation(MMC) who are stack developers,
and KCM corporation(KCM) and AGC Seimi Chemical Co., Ltd (Seimi) who are material suppliers, have been
forming consortium for solving SOFC cost reduction problem in NEDO project since 2008. The objective is
to foresee \50,000/ kW(Production amount of around 0.2 million kW/ year) of stack price in fiscal 2012.
In this project, the stack developers and the material supplies made collaborative efforts for cost
reduction of both the electrodes through the following three steps;
(1) cost analysis and setting initial policy
(2) trials of manufacturing cost reduction materials
(3) evaluations of those materials and extraction of problems to lead to common specification.
As a result, the initial policy was determined by adding to premise condition that material suppliers were
to use low cost source material, improve the manufacturing processes and review how to purchase raw
materials and stack developers took improvement of cell performance, yield rate and manufacturing process
into consideration. The material suppliers have examined low cost manufacturing process and produced the
sample materials. KCM adopted low cost source materials and stirred media milling for solid state method.
Seimi also adopted low cost source material for coprecipitation method and tried low cost solvent for
milling. For each method, prospects to achieve target cost and to apply an identical manufacturing process
to all the kinds of cathode and anode materials were obtained. Problems extracted are to clarify the
effects and permissible levels of the subcomponents contained in each material, to increase density of
size controlled powders, to improve the milling process, and to adjust calcination conditions. The stack
developers have evaluated the sample materials manufactured by the material suppliers, performed sintering
tests, fabricated cells, and measured the electrochemical activity. Two types of cathode materials, LSM
and LSCM, showed favorable material properties and possibility of common specification. Cells using
another cathode material, SSC, have as high initial performance and long term durability as those of
the conventional cells. The other cathode material, LSCF, can be used by adjusting composition and
sintering characteristics. These results also indicated that the source materials and the manufacturing
processes can be shared for all the cathode materials examined in this project. One of the anode material,
Ni-ceria, showed high initial performance and the possibility of common specification. Huge crystal
grains were observed for the anode fabricated using low cost Ni-YSZ, and it was revealed that
subcomponents in the source materials caused the extraordinary grain growth. This problem has been cleared
by selection of the source material, and the improved Ni-YSZ showed the favorable sintering characteristics
applicable to cells.
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