成果報告書詳細
管理番号20150000000277
タイトル平成25年度‐平成26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 (高耐久性CO選択メタン化触媒の開発)
公開日2015/11/21
報告書年度2013 - 2014
委託先名パナソニック株式会社 国立大学法人山梨大学 三井金属鉱業株式会社 東京濾器株式会社
プロジェクト番号P10001
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成25年度‐平成26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 「高耐久性CO選択メタン化触媒の開発」

 本研究では、”家庭用燃料電池システムのコストダウンに大きく寄与できる「CO選択メタン化触媒」について、その耐久性を実用レベルまで改善し、現行CO選択酸化触媒を代替するCO除去システムの目途を得る”ことを目標とした。この目標を達成するため、パナソニック、山梨大学、三井金属鉱業、東京濾器は共同で材料基礎から実用化に亘る広範な研究開発を実施し、以下の成果を得た。
1. 燃料改質システムの研究開発 (パナソニック)
 山梨大学で高耐久化を図ったNi-Fe添加メソポーラスシリカ(MS)被覆触媒に対し実機条件での耐久評価を行った。その結果、実機条件下では初期および耐久後の出口CO濃度が目標の10ppm以下に達せず、CO除去性能がやや不足していた。しかし、本触媒の耐久性は高く、出口CO濃度の基準を40ppmとすれば、連続6万時間後もCO濃度40ppm以下を維持できる見通しを得た。更に熱流体解析シミュレーションにより、本触媒を設置した燃料改質器構成での初期および耐久後の熱バランス成立性の検討を行った。解析の結果、燃料改質器のCO除去システムとしては、熱バランスを維持しつつ触媒単独耐久試験と同等の性能を再現することを確認した。
2. 高濃度CO耐久触媒の研究開発 (山梨大学)
 触媒の高耐久化に先立ち、ベース触媒であるMS被覆触媒の劣化が炭素種析出によることを明らかにし、併せて触媒の寿命予測法を確立した。この知見を基に、炭素種析出の抑制効果の高いNi-FeをMS被覆層に添加したNi-Fe添加MS被覆触媒を開発した。本触媒は、入口CO濃度0.50%、SV4800 h-1の連続耐久試験により、元の触媒に対して300倍の耐久性向上が図れたことを示した。パナソニックの実機条件での結果を受け改善策を検討した結果、入口CO濃度の0.2%への低減や共存水蒸気濃度の低減など運転条件を最適化すれば、CO濃度10ppm以下-6万時間の達成が可能なことを示した。
3. 粉末/粒状触媒の量産技術開発 (三井金属鉱業)
 本研究では、山梨大学で開発したMS被覆触媒について中規模量産技術の開発を行った。MS被覆触媒の製造プロセスを解析し最適制御することで2kg/バッチの中規模量産スケールで作製したMS被覆触媒は、ラボスケール品と同様の触媒性能を示した。また、MS被覆触媒の製造プロセスの簡略化と一層の低コスト化を図るため、Al2O3担体を使用せず微細NiO(コア)に直接V担持とシリカ被覆層(シェル)を形成した新規構造の「コアシェル触媒」を開発した。コアシェル触媒は、CO 0.5%、SV4800 h-1において3000h経過後もCO濃度10ppm以下を示し、MS被覆触媒の約5倍の寿命を示した。
4. メタルハニカム触媒の研究開発 (東京濾器)
 CO選択メタン化触媒のメタルハニカム化を実施した。メタルハニカムは粒状触媒よりガスとの接触が不十分であることから、改善のためマイクロホールハニカムを採用し、従来のメタルハニカム触媒より高活性を得る事に成功した。高濃度CO用触媒としてNi-Fe/SiO2メタルハニカム触媒の検討を行い、CO=0.5%, SV=10000h-1において適応可能性を得た。また製造プロセス検討として、コート層のムラの抑制、コート回数低減をラボレベルで可能とした。コスト評価としては、MS被覆触媒をコートしたメタルハニカム触媒について目標コストに対して1割超過分の価格まで削減できた。
英文要約Title: Strategic Development of PEFC Technologies for Practical Application/ Development of Fundamental Technology/ Performance Improvement of Membrane Electrode Assembly (MEA) of PEFC for Cost Reduction of Stationary Co-generation Systems/ Development of high durability selective CO methanation catalyst (FY2013-FY2014) Final Report

The main aim of this study is the improvement of the durability of the selective CO methanation catalyst, which is a promising candidate for a low cost hydrogen purification process of the residential fuel cell systems. In order to overcome the obstacle, the detailed investigations were carried out by the research collaborative group consists of Panasonic, University of Yamanashi, Mitsui Mining & Smelting, Tokyo Roki.
(1) Development of the fuel processing system (Panasonic)
In order to develop the fuel processing system (FPS) using the selective CO methanation (SCM) catalyst, durability of the catalyst developed by University of Yamanashi on continuous and start-up/shut-down operation tests, and thermal analysis of the FPS were studied. The results of durability test showed that the catalyst had an excellent durability and the outlet CO concentration was maintained less than 40 ppm for 6000 h of operating period. The results of thermal analysis showed that a comparative performance of the catalyst with the lab. scale test and satisfactory heat balance of the reactor could be achieved in the real size reformer.
(2) Development of highly durable catalyst in high concentration CO (Univ. Yamanashi)
The catalyst deactivation mechanism was clarified and the catalyst life prediction evaluation method was successfully established. Fe addition to the mesoporous silica (MS) coated catalyst was effective for suppression of hydrocarbon accumulation and the catalyst life was extended by a factor of 300. When the inlet concentration of CO was less than 0.2%, the catalyst life became longer than 60000 h.
(3) Development of large scale production of catalysts(Mitsui Mining & Smelting)
The middle scale mass production process for the MS-coated catalyst developed by the University was studied. By the optimization of the manufacturing process, the sample possessing the comparative catalyst performance with the lab. scale was successfully synthesized in 2 kg-scale. In order to develop the highly active and durable catalyst with lower cost, the core shell catalyst prepared by the simplified process without using Al2O3 support was developed. The core-shell catalyst showed excellent activity and durability.
(4) Development of metal-honeycomb catalyst(Tokyo Roki)
The selective CO methanation catalyst coated on the metal-honeycomb was developed. By the employing of the metal-honeycomb with boring holes on the cell-walls, CO diffusion and the catalyst activity were significantly improved compared with the conventional metal-honeycomb catalyst. In order to apply the catalyst under high CO-concentration conditions, Ni-Fe/SiO2 coated metal-honeycomb catalyst was developed. By the improvement of the coating process in the lab. scale, the uniform coating layer was successfully obtained using smaller number of the coating cycles. By the improvement of the manufacturing process, the manufacturing cost was successfully lowered to 10% excess of the final target cost.
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