成果報告書詳細
管理番号20100000002277
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 固体高分子形燃料電池ステンレス箔セパレータ量産化技術開発
公開日2012/1/11
報告書年度2005 - 2009
委託先名住友金属工業株式会社
プロジェクト番号P05011
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約ステンレス鋼は不動態皮膜により優れた耐食性を有しているが、不動態皮膜そのものが高い電気抵抗を有しているために、表面処理なしでは固体高分子形燃料電池セパレータには不向きである。鋼中に析出する導電性金属析出物を、鋼板表面の不動態皮膜を貫通、露出させて“電気の通り道”にする考え方に基づいた新しいステンレス鋼を提案し、燃料電池内での適用検討評価とステンレス鋼量産ラインでの低コスト製造技術開発を行なった。平成17年度以降5年間に亘る本共同開発成果は下記の通りである。(1)高性能燃料電池セパレータ用低コスト高成形性ステンレス箔材料生産技術の確立:保有する最大規模量産設備を用いる提案材箔生産技術を確立した。当社最大規模ステンレス鋼専用精錬炉を用いて75ton規模溶解を実施し、200mm厚の連続鋳造スラブ(完鋳:実績51.3m)とした後に、8ton超え熱間圧延用スラブ試作4本(総重量33.5ton)、熱間圧延コイル3本(総重量25.4ton)、冷間圧延箔(総重量14ton)試作を完了した。0.2mm厚箔材の伸びEl=46.8%を達成し、プレス成形セパレータ加工用素材として十分な性能であることを確認した。導電性金属析出物を表面に露出させる本格量産ライン処理も確立した。(2)順送方式ステンレス箔プレス成形燃料電池セパレータ低コスト量産方法の確立:累積216,912枚のプレス成形試作を完了した。適正な超硬材製抜き刃物を適用することにより、提案材プレス順送成形金型無手入れ耐久寿命として20万枚超えの技術を確立した。100万枚~200万枚超えの金型一代寿命を見通せる金型設計が可能となった。また、提案材の重ね合わせシーム溶接技術開発を行い、Yb半導体レーザ適用により、溶接部接合強度ならびに接合部耐食性に問題のない実用性能を確認した。EPDM製専用ガスケットとタックPENシートを組み合わせることで多段セル積層スタック組み上げ技術を確立した。 (3) ステンレス箔プレス成形セパレータ燃料電池10,000時間耐久性の確認(途中、ステンレス箔セパレータ取り出しなし、交換なし、ならびに、MEA交換なし):単セル燃料電池(有効流路部 70mm×140mm≒100cm2、電流密度 =0.5A/cm2一定)9,300時間超え運転を完了し、セパレータ機能に劣化のないことを確認した。多段セル積層スタックでの燃料電池耐久性評価(電流密度0.5A/cm2、ガス流路面積≒100cm2)を繰り返し実施した。OCVは時間とともにわずかに低下する傾向がみられたが、提案材製セパレータからの不動態化状態における溶出金属イオンの顕著な影響は認められなかった。 (4) 電池性能向上のための固体高分子形燃料電池反応解析:燃料電池内反応を考慮した有限体積法解析を行った。21セル構成の燃料電池運転を行い、有限体積法解析で得られた解析結果の妥当性を確認した。(5)極微量溶出金属イオンと電池性能劣化相関評価: Pt/C表面で進行するカソード触媒電極反応では、Cr3+イオン、Ni2+イオン(1ppm~100ppm)が共存すると、カソード活性への影響は小さいながらも過酸化水素の副生が増える傾向があることを確認した。金属イオンは触媒とナフィオンが接する界面に影響し、過酸化水素の副生を助長している可能性がある。XAFS法にてPt周辺局所構造を電位制御下(in-Situ)で評価し、Niイオン存在下でPt局所構造に変化があることを確認した。
英文要約The passive film on the surface of the stainless steel originally exhibits high electrical resistance. Conventional stainless steels are, therefore, not suitable for such electrically conductive elements as bipolar plates of polymer electrolyte fuel cells. This final report with NEDO in FY2005-FY2009 represents that a newly-developed austenitic stainless steel is extremely suitable for bipolar plates of polymer electrolyte fuel cells. Exposed conductive metallic inclusions on the surface of stainless steels provide a function of electrical surface connections with membrane electrode assemblies so as to keep resistance low and improve conductivity high in PEM fuel cells. The followings are summary of results obtained in this project. (1) Mass production technologies of newly-developed austenitic stainless steel thin foil coils with <0.2 millimeters thick, >700 millimeters wide and >7 tons weight have entirely established in large-scale production. Manufactured trial thin foil coils in conventional commercial production line exhibit favorable performance of fuel cell bipolar plates. (2)Two hundred thousands of bipolar plates with 100 cm2 flow passage area were stamped in die assembly durability test at rates of 60 pieces per minute by means of progressive die forming progress. Die assemblies of cemented carbide alloys exhibited exceptional durability without maintenance grinding. A specific type of WC-Co alloy exhibited the best durability for use in the die assemblies for punching of newly developed austenitic stainless thin foil. (3) Performances of the newly developed austenitic stainless steel in the PEFC were confirmed in over thousands of hour fuel cell tests under the condition of the fixed output current density at 0.5A/cm2. The newly developed austenitic stainless steel bipolar plates exhibited favorable performance in the long-term tests. Typical metal ions solving out from the passive metal surface in the fuel cell have no significant adverse effects on the performance of fuel cells. (4)Single fuel cell stack test in over 9,300 hours under the condition of the fixed output current density at 0.5A/cm2 exhibited that output voltage was declined very slowly at a rate of nearly 2.8μV/hour. Surface appearance of the bipolar plates proved enough corrosion resistance in the fuel cell. (5)Multiple fuel cell stack tests in over 500hr under the condition of the daily-start-and-stop operation exhibited that output voltage was declined slowly at a rate of nearly 80μV/hour. Surface appearance of the bipolar plates, however, proved enough corrosion resistance in the fuel cell. Typical metal ions solving out from the metal separator surface had no significant adverse effects on the performance of fuel cells.
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