成果報告書詳細
管理番号20150000000072
タイトル平成20年度-平成24年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発 基礎的・共通的課題のための研究開発 耐久性・信頼性向上に関する基礎研究
公開日2016/1/26
報告書年度2008 - 2012
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所 TOTO株式会社 国立大学法人九州大学 国立大学法人名古屋大学 国立大学法人岐阜大学 国立大学法人東北大学 国立大学法人京都大学 国立大学法人東京大学 一般財団法人電力中央研究所 三菱重工業株式会社
プロジェクト番号P08004
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成20年度-平成24年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発事業「基礎的・共通的課題のための研究開発/耐久性・信頼性向上に関する基礎研究」

 前期では5スタック(中温筒状平板形、中温筒状横縞形、中温円形平板形、高温円筒縦縞形、および高温円筒横縞形)についての長期耐久性ならびに起動停止における信頼性を実験的に検証するとともに見出された劣化現象の機構解明を行い改善の指針を得た。特に劣化部位あるいは微構造が変化した部位がセル製造手順と強い相関があることが見出された。最後に製膜される部位(電極)で変化が起こる場合には、比較的短期間で改善が施された。他方、電解質に重要な変化が生じると、製造技術としては基礎にまで立ち戻る必要があることが見出された。特に発電部と非発電部との境界領域で酸素ポテンシャル分布が大きく変動することが劣化に大きく寄与していることが明らかになった。
 後期では4スタック(中温筒状平板形、中温筒状横縞形、中温小型円筒形、高温円筒横縞形)についての検討を進めた。劣化現象の解析・改善のなかから燃料電池の運転条件(過電圧、温度、燃料利用率など)が重要な要因であることが明らかになった。最も顕著に表れたのは、円筒横縞形の空気極微構造の改良に伴う過電圧の大幅な低下とクロム被毒に対する大幅な耐性の向上である。このことによりハイブリッド機における実際の空気の配管材料からのクロム汚染は問題にならないことが明らかになった。筒状平板形などで見出されたSrZrO3の生成挙動は当初想定していたよりも複雑な様相を示すことが解った。このことは加速試験がそのまま単純に適用できるわけではなく、より高度なシミュレーション技術と連動させる必要があることを示している。電解質の劣化要因の一つとして広く認識されてきたYSZ系電解質の立方晶から正方晶への相変態に起因する伝導度の低下は、実際に長時間運転した後の電解質のイオン配位状況をラマンで観測することにより大きな寄与していないこと、運転条件が把握できれば、その寄与を定量的に把握できる可能性があることが明らかになった。小型円筒形での集学的劣化機構解明も進み、特に空気極の改良が進んだ。この結果、4万時間の耐久ならびに250回の起動停止に関する信頼性を見通す事ができた。また、加速試験法のSOFCにおける特徴を明らかにし、適用できる劣化現象と他の高度な取り扱いをすべき現象とに分かれることが明らかになった。
英文要約Title:.evelopment of System and Elemental Technology on Soli Oxide Fuel Cell (SOFC) /Basic research for improving durability and reliability (FY2008-FY2012) Final Report

During the first half of the project, five stacks (intermediate-temperature(IT) flatten tube cells, IT segment-in-series cells on flatten tube, IT disk-type planar cells, high-temperature(HT) seal-less tubular cells and HT segment-in-series cells) have been tested for durability during long operations and reliability during start-up and down processes and extracted degradation phenomena have been examined in details, resulting in overcoming the degradations. It has been found that degraded parts are strongly correlated with fabrication sequence. When changes happened in those parts (electrodes) fabricated in the last of cell fabrications, interestingly it did not take long time to improve them. On contrary, when serious changes happened inside electrolytes, it needed to reconsider the whole story of cell fabrications. In some cases, the oxygen potential distribution is changed significantly within borders between electricity-generating and non-generating regions, and this causes serious effects on degradations. During the second half of the project, four stacks (the IT flatten tube cells, the IT segment-in-series cells on flatten tube, IT small tubular cells and the HT segment-in-series cells) have been examined. The operation conditions such as temperature, electrode overpotential and fuel utilization were quite important factors of controlling degradation or improving it. Most apparent effects are significant decreases in cathode overpotential in the segment-in-series cells and this causes a drastic change in chromium poisoning on the manganite-based cathode. This makes it clear that contamination of chromium from alloys used in tubing for air flows will not be serious at all in practical hybrid systems. The SrZrO3 formation in the flatten tubular cells exhibits more complicated than expected earlier. This indicates that the acceleration method will not be able to apply in a simplified manner but it will be needed to be cooperated with more advanced simulations. About the ionic conductivity decrease on transformation from the high temperature cubic phase to the tetragonal one in the YSZ electrolytes, Raman spectroscopy on those electrolytes operated for a long period of time has revealed that this effect is not serious and also that it will be possible to quantitatively evaluate the effect depending on various operation conditions. Cooperative investigations on degradations of the small tubular cells are made successfully, leading to improvement of, in particular, its cathode performance degradation. Those results prove that the durability in the 40,000 h range and the reliability for 250 cycles of start-up and down can be established. Furthermore, characteristic features of accelerating methods for SOFC degradations have been clarified and this provides differences between those degradations to be applied successfully by the accelerated methods and those degradations which should be examined in more advanced ways.
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