成果報告書詳細
管理番号20130000000781
タイトル平成22年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池) 中温作動型全固体燃料電池の技術開発
公開日2013/12/17
報告書年度2010 - 2011
委託先名株式会社ナノメンブレン
プロジェクト番号P10020
部署名技術開発推進部
和文要約件名:平成22年度-平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池・蓄電池)「中温作動型全固体燃料電池の技術開発」

「MEA化技術の開発」:Pd薄膜電極ならびにナノカーボン薄膜電極上(電極面積約5cm2)に厚さ100nm程度のナノ電解質膜(アルミノシリケート膜)を製膜するプロセスの検討を実施した。その結果、回転塗布方式によって電極表面上に、均一かつ無欠陥のナノ電解質膜形成が走査型電子顕微鏡での直接観察により確認された。またこの基板にPt電極を配置し、中温領域(200-400度)でのインピーダンス測定によって、この温度領域で電極と電解質膜が剥離せず電気的に安定接合されていることが実証された。ナノ電解質膜の広面積化では、同様の回転塗布方式で面積約20cm2の電極基板上での製膜実施並びに接合性の評価を行った。その結果、基板サイズ5cm2と同様に均一かつ無欠陥で中温域でも良好な電気的接合性をもつ電極・ナノ電解質一体膜が作製されていることが実証された。:「MEAの試作と性能評価」:ナノ電解質膜の電気的性能の長時間耐久性を直接評価するため、耐熱導電性ガラス基板上にナノ電解質膜を製膜したナノMEA(電極面積5cm2)を試作した。これを使って定常運転作動温度300℃、400時間での連続運転においてもナノ電解質膜面積抵抗変化率が5%以内と極めて安定し、膜形態にも変化がないことが確認された。薄膜電極のナノMEAを使った発電セルを用い、水素ガス燃料を使って発電性能評価を行った。その結果中温度域での開放電圧(OCV)がほぼ理論性能値である約1.0ボルトを達成した。この結果はナノMEAがガスリークなく中温で発電可能であることを強く示唆する。しかしながらナノMEAの支持基材として使用して多孔質アルミナ系膜基材を使用した場合、予想以上に脆弱であり、発電性能評価中の破断が多発したため、目標値である0.1W/cm2の出力確認までには至らなかった。:「セル構成部材の検討評価」既存の燃料電池PEFC並びにSOFCで利用されている部材について調査並びにナノMEAと組み合わせた実証評価を行った。ガスシールについてはSOFCで利用さているバーミキュライトを主要材質とするものが中温領域においても良好なガスシール効果を示した。ガス拡散層については、市販の多孔質アルミナ系膜基材について適用可能性を検討した。この基材上で電極薄膜とナノ電解質膜の一体成膜は可能であることが確認されたが、発電評価の際の安定性に課題が残ることが明らかとなった。:「評価試験技術の開発」既存の単セル試験用冶具の改良を行い、ナノMEAを両側から挟み込む形式を採用した。MEA-05型での発電試験結果と合わせて、大型化された冶具への開発課題を整理した。この結果を踏まえてMEA-25型の単セル用試験治具を設計作成した。:「ビジネスプランの策定」中温作動型全固体燃料電池の応用可能性を評価するため、最近の各種市場情報や既存の文献類を調査分析し、燃料形式や用途に応じて中温型燃料電池が多くの分野で適用可能性を有することを明らかにした。さらに、商品化対象の一つとして早期の実用化が期待される、1kW級メタノール燃料適用のポータブル電源システムについて設計検討を行い、その商品化可能性を評価した。また、中温作動SAFCの技術的優位性に基づいて、他の代表的な燃料電池形式と比較評価するとともに、定置用か車載用かの用途判断を含めてMEAの事業化可能性を見通し、開発計画作成とビジネスプランの策定を行った。
英文要約Title: New Energy Venture Business Technology Innovation Program/ New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Fuel Cells and Batteries)/ Technical Development of Intermediate-Temperature, All-Solid Fuel Cell (FY2010-FY2011) FY2010 Final Report

[Object]: Currently-commercialized models of PEFC and SOFC cannot be relieved with technical problems arising from their specific temperature ranges of operation. All-solid, intermediate-temperature (200-400 C degree) FC’s should be effective for solving some of these problems. In the present project, we employed proton-conducting solid-acid membranes in order to fabricate novel intermediate-temperature FC. [nanoMEA Fabrication] Precursor mixtures of aluminosilicate were applied by spin coating to surfaces of Pd foil and nano-carbon films to obtain uniform, defect-free electrolyte membranes of ca. 100-nm thickness. By the ac impedance spectroscopy measurement at the range of 200-400 C degree indicated that electrode and electrolyte membrane were tightly bound. [Durability of Electrolyte Nano-membrane and Characterization of NanoMEA] Nano-electrolyte membrane (5 cm2) was maintained at 300 C degree for 400 hr . Repeated measurement of ac impedance spectra at this temperature gave a constant area-specific resistance within 5% fluctuation. SEM observation confirmed the identical morphology before and after the thermal treatment. Long-term stability of the electrolyte nano-membrane at the high operating temperature was confirmed. FC single cells were constructed from nanoMEA’s of thin films of Pd or carbon materials, and electricity generation was tested at intermediate temperature by using hydrogen gas as fuel. The resulting open circuit voltage on Pd foil was close to the theoretical value of ca. 1.0 V, showing the absence of cross-over (leakage) of fuel gas and oxygen gas. However, the porous alumina support of nanoMEA tends to break during the test, and we could not confirm the target capacity of 0.1 W/cm2. Other porous supports should be tested. [Examination of FC Components] Currently-available FC components were examined for their use in combination with nanoMEA. Gas sealing was satisfactory with a vermiculite seal, and a porous alumina membrane was tested as constituent of gas diffusion layer. Tight, stable physical assembly of these components and nanoMEA was possible. [Construction of FC Test Apparatuses] Single-cell test apparatus was improved by adopting a new set-up in which nanoMEA was placed in-between glass tubes. Based on such experience, we successfully designed FC apparatus for larger nanoMEA (20 cm2). : [Business Plan] We analyzed market information and related literatures, and concluded that this type of FC would find wide applications. A preliminary design of 1 kW portable power supply with methanol fuel was conducted and its commercial feasibility was evaluated. The technical advantage of the designed FC was compared with those of other representative FC’s.
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