成果報告書詳細
管理番号20110000001745
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 要素技術開発 定置用燃料電池システムの低コスト化・高性能化のための電池スタック主要部材に関する基盤研究開発(電池スタック主要部材の高信頼化・高ロバスト化に関する研究開発)
公開日2012/1/11
報告書年度2005 - 2009
委託先名一般社団法人日本エネルギー学会 旭硝子株式会社 旭化成イーマテリアルズ株式会社 パナソニック株式会社 株式会社ENEOSセルテック JX日鉱日石エネルギー株式会社(旧:新日本石油株式会社) 東京瓦斯株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所 国立大学法人東京工業大学 学校法人大同学園  東芝燃料電池システム株式会社 住友化学株式会社
プロジェクト番号P05011
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムの本格普及(2012年度以降)に向け、最重点課題である低コスト化を実現し、さらに高性能化(回収排熱の高温化等)との両立を果たすため、電池スタック主要部材(電解質膜、MEA等)の高信頼化と高ロバスト化を推進した。旭化成イーマテリアルズ、ENEOSセルテック(平成19年度末までは三洋電機として参加)、新日本石油は、PFSA系電解質膜とMEAの高信頼化を優先し、突発劣化に対する電解質膜の耐性を従来の20倍以上に向上させるとともに、フル加湿に近い条件におけるセル電圧の経時的低下を1.6μV/hr以下に抑制した。この高信頼化MEAをベースに改良を加え、高温低加湿条件(Tcell=85℃、Tda=60℃、Tdc=75℃、0.2A/cm2)においても770mVのセル電圧を確保した。制御のゆらぎ、加湿器の削除、低廉材料の採用を試みた模擬低コスト化システムに、開発したMEAを搭載し、連続運転や屋外での起動停止&負荷変動運転による信頼性評価を実施した。旭硝子、パナソニック、東京瓦斯は、PFSA系電解質膜およびMEAの高ロバスト化を優先し、高温低加湿条件(Tcell=80℃、Tda=Tdc=65℃、0.16A/cm2)において780mVのセル電圧を確保し、かつ起動停止に起因するセル電圧低下を2μV/回、すなわち従来の1/3以下まで低減した。また、硫黄、ハロゲン等を含有する化学種の混入が電池スタックに与える影響は、低加湿条件になるほど増大することを確認するとともに、その影響の軽減策を提案した。平成20年度以降、両グループは高ロバスト化と高信頼化の同時実現を目指し、MEAの改良、電池スタック内の水管理の最適化、さらに起動(DSSあるいはWSS)制御シーケンスの工夫等を重ね、高温低加湿条件下におけるセル電圧の経時的低下を1.5μV/hr以下に抑制できる見通しを得た。平成20年度より本プロジェクトに加わった住友化学と東芝燃料電池システムは、耐熱性・ガス遮断性に優れる炭化水素系電解質膜を採用し、電解質膜の低加湿領域におけるプロトン伝導度やMEAの水分保持性能等を向上させることにより、高温低加湿条件(Tcell=80℃、Tda=Tdc=65℃、0.2A/cm2)において750mV以上のセル電圧を確保した。日本エネルギー学会は、システム低コスト化・高性能化のために電池スタック部材に求められる要件等を分析・整理し、高ロバスト・高信頼MEAの開発において優先すべき評価項目、開発目標値に係わる情報を提供した。電池スタックの高温運転においてはカソード触媒のカーボン担体の腐食が加速されることから、産業技術総合研究所では電子伝導性酸化物材料(還元チタン酸化物)を採用した高耐久触媒担体の開発、東京工業大学ではカーボンナノチューブの表面官能基制御による触媒担体の高耐久化、ならびに触媒層の微細構造変化の観察を実施した。また、システムの低コスト化のためには各種不純物の閾値(本報告書には公開しない)を把握する必要があることから、大同大学はシステムメーカーのサポートの下、燃料・大気・システム内から混入する可能性のある種々の不純物がセルに与える影響のデータベース化を進めた。大同大学と東京工業大学は、電池スタックへの影響の大きい化学種について影響メカニズムの解析を実施し、不純物の影響を軽減するための知見を提供した。
英文要約Title: Strategic Development of PEFC Technologies for Practical Application / Development of Elemental Technology / R&D on PEMFC Stack Components for Reducing Cost and Improving Performance of Stationary Co-generation Systems (FY2005-FY2009) Final Report
In FY2009, five thousand of PEMFC CHP systems (ENE-FARM)have been marketed for residential uses in Japan, but a significant cost reduction was still required for full-fledged commercialization. The objectives of this ROBUST Project were to improve reliability and robustness of the PEMFC stack components, which contribute to the simplification and cost-reduction of the whole CHP system. Asahi Kasei E-materials, ENEOS Celltech (Sanyo Electric before FY2007) and Nippon Oil made efforts to improve the reliability of MEAs by using newly developed PFSA membranes. The period to sudden degradation of the membrane was extended to 20-fold longer. The cell voltage decay rate of the improved MEA was reduced to 1.6µV/hour under a near-saturated humidification. The initial cell voltage ascended up to 770mV @ 0.2A/cm2 under a condition of Tcell=85°C, Tda=60°C, Tdc=75°C. Asahi Glass, Panasonic and Tokyo Gas made efforts to increase the robustness of MEAs by using newly selected PFSA polymers and improved catalyst layers. Under the condition of Tcell=80°C, Tda=Tdc=65°C as well as under the saturated humidification (Tcell=Tda=Tdc=65°C), the initial cell voltages ascended up to 780mV @ 0.16A/cm2. The cell voltage decay caused by start and shutdown cycles was also reduced to 2µV/cycle. Injection of SO2 or H2S into cathode inlet gas caused a larger and irreversible cell voltage drop, especially under higher temperature and lower humidity conditions. Addition of temporary over-humidification (Tcell
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