成果報告書詳細
管理番号20130000000608
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発 基盤技術開発 定置用燃料電池システムの低コスト化のためのMEA高性能化
公開日2013/10/29
報告書年度2010 - 2012
委託先名パナソニック株式会社 東芝燃料電池システム株式会社  株式会社ENEOSセルテック JX日鉱日石エネルギー株式会社 東京瓦斯株式会社  旭化成イーマテリアルズ株式会社 旭硝子株式会社 日本ゴア株式会社 JSR株式会社 住友化学株式会社 東レ株式会社 学校法人大同学園 国立大学法人東京工業大学 国立大学法人山梨大学 国立大学法人北海道大学 国立大学法人筑波大学 独立行政法人産業技術総合研究所 出光興産株式会社 日揮ユニバーサル株式会社 国立大学法人東京大学 学校法人成蹊学園
プロジェクト番号P10001
部署名新エネルギー部
和文要約定置用固体高分子形燃料電池システム(エネファーム)の本格普及に求められるシステムの低コスト化と性能、耐久性を主とする商品性を両立するため、「高温低加湿条件で耐久性を確保できる電池スタック部材(高性能電解質材料)」、「改質器における選択酸化に変わる低廉なCO低減機構の採用(高濃度CO耐性アノード触媒、高耐久性CO変成触媒およびCO選択メタン化触媒)」、「電池スタックに混入する不純物の影響度の評価法」の開発を推進した。
電解質材料メーカーは、高温低加湿条件(セル温度80℃、アノード加湿温度60℃、カソード無加湿、、0.25A/cm2)においてセル性能および6万時間の耐久性を確保できるよう、それぞれの電解質材料をベースとして材料組成、膜厚、補強等を中心とした改良開発を行った。その結果、現行運転条件と同等(0.75V以上)のセル電圧、6万時間耐久性が見通せる電解質材料の開発に成功した。また、電解質材料メーカー、システムメーカー、エネルギー事業者は、高温低加湿条件において材料の性能および耐久性を評価するための、評価手法、評価条件、プロトコルを共通化し、標準評価法として整理した。
アノード触媒開発グループは、既存の触媒よりもCO耐性の高いアノード触媒と、CO耐性を高く維持できるような運転方法を開発し、これらを組み合わせた結果として500 ppmのCOを含む改質燃料ガスを用いた際の電圧低下の初期値を20 mV以下に抑制できるように研究開発を行った。その結果、高濃度CO存在下において、既存触媒よりCO耐性の高い数種のアノード触媒を開発し、作用機構を解析できた。システムメーカーでは開発触媒のMEA化とそれに適した運転条件を検討し、高温高加湿条件、あるいは空気ブリード併用条件で目標値を達成する運転方法を開発できた。また、高濃度CO存在下における触媒の劣化機構を解明し、これに基づいた劣化加速試験法を構築した。そして、開発触媒が既存触媒に対して高い耐久性を有していることを見出した。
 CO変成触媒開発グループは、低温活性向上、高耐久化、低コスト化を目指した材料組成および製造プロセスの改良に取り組み、触媒出口でCO濃度を2000ppm以下を6万時間以上維持できる触媒を開発した。CO選択メタン化触媒開発グループは、幅広い温度範囲で出口CO濃度を低減できるような触媒組成の検討を行い、特殊なTiO2(P25)に活性種である、NiとRuを最適組成比で担持することにより、広い温度範囲で触媒出口CO濃度500ppm以下、CH4生成1%以下を可能とする触媒を開発した。また、東芝燃料電池システムは原理試作改質器を設計し、運転全負荷にて、改質器出口CO濃度500ppm以下、CH4生成量1%以下を達成できることを実証した。
 大同大学および東京工業大学は、発電データ等に基づく不純物種による影響度予測手法、パラメータに基づく影響度予測手法、影響機構に基づく影響軽減指針を開発することにより、不純物影響度予測手法の体系化を実現した。
英文要約 Significant cost reduction is required for the full-fledged commercialization of residential PEFC co-generation systems. To solve this subject, besides a mass production, some innovative developments to simplify the system are necessory. In this project, material development organizations (material suppliers, universities and national laboratories), system manufacturers and energy supplyers promoted the developments of durable electrolyte materials, CO tolerant anode catalysts, durable CO shift and PROX catalysts, and a method to estimate the influence of impurities on fuel cell performance.
 Electrolyte material suppliers improved the performance and the durability under the high temperature and low humidity condition by the design of the electrolyte membrane such as the control of the structure of the polymer, membrane manufacturing technology. The ionic resistance of the membrens were lowered less than 100mΩcm2 and the estimated life of the membranes were more than 60000h. We have also prepared the standard test protocols to estimate the performances and the durability of the materials.
The catalyst development group has succeeded in preparing new anode catalysts having higher CO-tolerance than the conventional commercial one. The CO-tolerant mechanism has been analyzed. The system makers have examined these catalysts in MEAs, and found appropriate operation conditions, such as high temperature and high humidity or with air-bleeding, which enabled the cell operation with a voltage loss less than 20 mV in a reformate containing 500 ppm CO. We have analyzed the degradation mechanism of the catalysts under high concentration CO, and established an accelerated test protocol. It was found that new MEAs exhibited lower voltage loss and higher durability.
The water-gas-shift catalyst development group studied about Cu/Zn/Al ratio and the manufacturing process for the performance improvement and the manufacturing cost decrease and has succeeded to produce a catalyst which is expected CO concentration below 2,000ppm at exit of the catalyst and durability over 60,000 hr. The selective methanation of CO catalyst development group studied about Ni/Ru ratio on unique TiO2 carrier (P25) and has succeeded to produce a catalyst which is expected CO concentration below 500ppm, CH4 formation below 1% at wide temperature range. A system maker designed a principal experimental reformer and has showed by means of evidence that the reformer achieve CO concentration below 500ppm,CH4 formation below 1% at all load range.
The contamination group studied about the effects of impurities under various conditions and categorized the effects according to the type and amount of the impurities, type and amount of the catalysts and operating conditions.
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