成果報告書詳細
管理番号20130000001045
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) 高効率リバーシブル燃料電池(SORC)の開発
公開日2013/12/25
報告書年度2010 - 2011
委託先名株式会社デンケン 国立大学法人九州大学 国立大学法人横浜国立大学
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) 「高効率リバーシブル燃料電池(SORC)の開発」

(1)サーメット化により、電解特性が大きく向上し、高電流域まで過電圧の低い電極の開発が行えた。特に燃料極としてNi-Fe/Sm添加CeO2(SDC)やNi-Fe/La(Sr)Fe(Mn)O3(LSFM)などが比較的良好な電極特性を示し、これらの電極では電解モードで100mA/cm2において70mV(800℃)及び80mV(600℃)の過電圧と小さかった。一方、Ba(La)CoO3(BLC)系酸化物の過電圧は100mA/cm2では7mV(800℃)であり、目標より遙かに小さくなった。また燃料電池モードの過電圧は100mA/cm2において、Ni-Fe/SDC電極で74mV(800℃)、BLC電極では5mV(800℃)程度となり、目標を達成した。運転条件においてはキャリアガスや水蒸気量を変化させた場合、SOECにおいては大きな特性の変化は無かったが、SOFCでは水蒸気量が多いと特性が若干低下した。そこで水蒸気量を適量にすることでサイクル繰り返しても大きな特性の低下がないことを見出し、目標である50サイクルを達成した。よって水蒸気量の制御が重要な運転条件であることが分かった。また2インチ電解質用のセル構造の設計を行い、リバーシブル動作できるよう改良した。このセルを用いてリバーシブル動作させ、従来のΦ20mmサイズの電解質と同等の性能を確認し、従来から問題となっていたガスのシール性等が新セルでは改善できていることを確認した。しかしSOFCにおいて高電流密度域でガスの供給不足が原因と考えられる性能低下が生じた為、ガス流路などをもう少し改良する必要があり、セル構造の課題が明確になった。 (2)効率向上の為の熱電素子の開発においては、静電磁場下で電磁浮遊により浮遊させた1at%のBをドープしたSi0.8Ge0.2試料の77Kの過冷却融液からトリガーにより凝固した試料の静電磁場の方向と同じ面の組織は、熱電特性に異方性が見られた。静電磁場印加電磁浮遊装置では、1at%のBをドープしたp-Si0.8Ge0.2の作製を行い、静磁場印加方向に平行な面のZTは1000Kで0.707となった。1at%Pドープn-Si0.7Ge0.3を2m-落下塔で組織制御を行った結果、800KでZTは1.061、1000KでZTは1.627となり、既知の0.55-0.75と比較して大きく増大し、目標であるZT=1.0以上を達成した。 (3)ベンチモデル装置として燃料電池出力100Wクラスのスタック(15セル)を作製し、評価を行った。発電を開始したところ、一部でガスの供給不足が原因と思われる出力低下を生じ、スタックとしては最大50W程度の出力となった。またその後SOEC動作時の特性を評価したところ、水素の生成を確認したが、動作途中で電解質の破損が生じたため、理論量の水素量は得られなかった。よって今回のベンチモデル試験においては、スタック試験を行う十分な時間がなく、目標の100Wには到達しなかったが、スタック測定の為のノウハウを取得する事が出来た。 (4)事業化に向けた取り組みとして、ユーザー候補である企業と意見交換を行い、水素電力貯蔵の導入可能性等の情報収集を行い、製品化に向けた具体的なビジネスプランを策定した。
英文要約Title:New Energy Technology Research Development / New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Fuel Cells and Batteries)/The development of the high efficiency reversible fuel cell (SORC)(FY2010-FY2011)Final Report

(1) This part is to develop a new active catalyst in fuel cell and electrolyzer mode. The aimed values are overpotential for fuel and air electrode smaller than 130 mV and 70 mV at 100 mA/cm2 for the reversible cell. It was found that Ni-Fe/SDC show the small overpotential for SOFC anode as well as SOEC cathode at 600-800℃. Therefore, among the examined composite anode, Ni-Fe/SDC seems to be the most active and suitable for SORC system. On the other hand, in case of air electrode, we examined the several oxides and oxide composites and it was found that Ba(La)CoO3 shows the smallest overpotential that is smaller than 60 mV at 100 mA/cm2 for SOFC and SOEC. Therefore, we achieved the objective value. In the operating condition, the objective of this part is to achieve 50 cycles reversible operation. Since we developed Ni-Fe/SDC, highly active for SOFC and SOEC, cycle operation of SOFC and SOEC was studied and it was found that cell stably operated over 50 cycles. In order to show the concept of SORC, we aimed to develop a 100 W class small stack of SORC. For the first step, we developed single cell equipped in the stack container and at 800 ℃, the cell develop shows the almost theoretical OCV and 0.6 W/cm2 in SOFC mode. This result suggests that reasonable tight gas seal and high power density is achieved. On the other hand, for SOEC mode, we observed the H2 formation rate which is corresponded to the Faradays' law. (2) In order to increase the energy conversion efficiency, we will apply the thermoelectric device with the developed SORC cell, however, conversion efficiency of the current thermoelectric device is low. In this study, by controlling the metallurgical structure, the thermoelectric materials with high dimensionless figure-of-merit (ZT) will be developed. We mainly focuse SiGe system for intermediate temperature theomoelectric device and SiGe with dendrite structure was studied. By using the electromagnetic levitation method, p-Si0.2Ge0.8 with dendrite structure was successfully prepared and the obtained the SiGe sample showed ZT value was 0.77 at 1000K, although the maximum ZT was 0.5 in the previous report. n-Si0.7Ge0.3 with dendrite structure was successfully prepared by unidirectional solidification in microgravity and the ZT at 1000K of the sample was 1.627 at 1000K, although the maximum ZT was 0.75 in the previous report. (3) In this study is to manufacture the stack of the 100W class for fuel cell output . However, as a result, It was able to confirm only the output of 50W. (4)We surveyed customers and met technicians in several companies which show interest on our SORC technology. In particularly, we exchange idea and opinion with company on SORC. We calculate the cost and set price for the single cell and also cell stack. Finally, we made a business plan and road map for the industrialization of SORC technology.
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