成果報告書詳細
管理番号20150000000496
タイトル平成22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 セル評価解析の共通基盤技術
公開日2015/11/21
報告書年度2010 - 2014
委託先名学校法人大同学園 学校法人立命館 国立大学法人東京工業大学 一般財団法人日本自動車研究所
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22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「セル評価解析の共通基盤技術」

本研究開発では、固体高分子形燃料電池(PEFC)の本格商用化に要求される、低コスト化および性能・耐久性向上を目指した新規MEA材料の開発を促進・加速するため、MEA材料のデータ比較・相互利用を可能とし、国際標準として共通に使える発電性能・耐久評価プロトコルを確立し、NEDO事業等で開発された新規材料の発電性能・耐久性を客観的に評価し、得られた結果(MEA仕様・作製方法、MEA性能・耐久性)と解析結果から評価材料の技術課題を提示することにより、さらなる材料開発に繋げることを目的とした。この目的を達成するため、「MEA作製手法の改良」、「MEA評価手法の確立」、「解析評価手法の開発」、「新規材料のセル評価」、「水素中不純物の影響評価」の5つのテーマを大同大学、立命館大学、東京工業大学と日本自動車研究所の4機関で分担、連携して進めた。(1)MEA作製手法の改良:新規材料評価の比較基準となる標準MEAの作製方法を策定し、評価用セルとして目的に合わせ、従来のJARI標準セル(5 x 5 cmセル)に加えて、2種類の標準セル(少量触媒評価用1 x 1 cmセル、電解質膜評価用3 x 5 cmセル)を開発し、多種多様な新規材料のMEA評価を可能とした。新規材料の評価を通して改良した各種新規材料のMEA作製手法を体系化し、新たに新規材料を評価する時のMEA化指針を示した。(2)MEA評価手法の確立:燃料電池実用化推進協議会(FCCJ)が平成23年に提案した『固体高分子形燃料電池の目標・研究開発課題と評価方法の提案』のMEA評価プロトコルを標準MEAを用いて検証し、途中診断、耐久終了条件等の詳細を検討加味し、本プロジェクトのMEA評価手法を策定した。そのMEA評価手法を実際の新規材料に適用し、その評価・解析課題を加味、標準的MEA評価手法を策定した。開発した標準的MEA評価手法の一般普及を目指して、小冊子『セル評価解析プロトコル』を発行・一般配布した。(3)解析評価手法の開発:電解質膜材料評価方法として、耐久前後の電解質膜の面内強度分布を穿孔試験機で測定し、膜劣化度をマップ化する技術を開発した。触媒層断面構造観察法は、FIB-SEMによる触媒層構造内細孔の数値化に向け、細孔内奥行き情報の検出低減を可能とする新細孔埋設材料と埋設手法を開発し、触媒層断面構造の各種形態特性の数値化データの取得、解析基礎を可能とした。MEA中水分移動解析評価法は、燃料電池性能に大きな影響を及ぼすMEA内の水管理に向け、電解質膜を介した水移動解析技術を確立した。(4)新規材料のセル評価:NEDO及びNEDO以外の新規材料を評価し、可能な限り材料開発者と評価結果の議論を行い材料改良の方向性を協議・提案した。新規材料評価・解析結果のフィードバックにより、開発材の立ち位置・開発の方向性・技術課題の明確化がなされ、材料開発に貢献できた。(5)水素中不純物の影響評価:燃料電池自動車の普及のため、水素燃料の品質規格(ISO14687-2)の改定案策定に必要な、水素中のCOが燃料電池の発電性能に及ぼす影響を評価した。燃料電池の実際のシステムと運転パターンを考慮したCO許容濃度(現状規格0.2 ppm)近辺での詳細な発電試験によってCOの被毒・回復現象を明らかにし、現象を支配する主な要因の影響を定量的に提示した。
英文要約Title:Development of PEFC Technologies aiming for Practical Application. Base Technology. Basic and common technology for cell evaluative analysis. (FY2010-FY2014) Final Report

In order to promote material technologies such as electro-catalysts and polymer electrolyte membranes that will contribute to cost reduction and reliability improvement required for commercial Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs), it is necessary to share knowledge and research results on fuel cells with other research laboratories. This includes sharing analytical results on deterioration factors for fuel cell performance and durability that were derived using standard cell evaluation analysis methods. NEDO has organized a project called “the PEFC Evaluation Project” which has the mission to establish a standard MEA evaluation method. The project has evaluated MEA materials which have been newly developed by NEDO and others and provided information to material developers on cell material. Four organizations, Daido University, the Japan Automobile Research Institute, Tokyo Institute of Technology and Ritsumeikan University have been cooperating and advancing the projects. The PEFC evaluation project has 5 research areas, which are; (1) How to make an MEA: The project has settled on manufacture method of standard MEA. Standard cells (1 x 1 cm cell for evaluating a small amount of catalyst and 3 x 5 cm cell for membrane evaluation) in addition to a JARI standard cell have been developed and then it is possible to evaluate a variety of new materials. (2) Fuel cell evaluation method: The validity of an evaluation method proposed by the Fuel Cell Commercialization Conference of Japan (FCCJ) was verified. A systematic MEA evaluation method was settled by using obtained knowledge to verify the validity of the FCCJ method. The protocol was distributed to the public as a booklet on a single cell evaluation and analysis protocol. (3) MEA analysis method and post analysis: A degradation analysis method for electrolyte membranes was developed using a nano-indenter and a basic technique to create a map of durability deterioration degree distribution for electrolyte membrane was developed. The effectiveness of MEA cross section observation was improved threefold compared to the conventional method by using FIB-SEM technology. A basic water transportation theory and a basic analytical technique for MEA performance for various electrolyte membranes were defined as MEA water transportation analytical techniques. (4) Evaluation of new materials: Evaluation of new materials that were newly developed by NEDO and others were carried out through the application of the evaluation methods in (1), (2) and (3) above and development challenges for each new material were identified based on the results. (5) The influence of impurities in the hydrogen on the performance degradation of the fuel cells: It is understood that the revision of the international standard for hydrogen quality specifications (ISO 14687-2) is needed in order to encourage broad use of FCEVs. Consequently, the influence of CO in the hydrogen fuel on the performance degradation of the fuel cells has been investigated. The poisoning and recovery phenomena of CO was carefully investigated utilizing condition which was close enough to the actual system and the driving pattern of FCEVs with the vicinity of CO specification (currently 0.2 ppm). Then, the effects of the primary factors governing these phenomena were quantitatively presented.
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