成果報告書詳細
管理番号20150000000641
タイトル平成25年度ー平成26年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池等実用化推進技術開発 次世代技術開発 マイクロSOFC型小型発電機
公開日2016/12/9
報告書年度2013 - 2014
委託先名岩谷産業株式会社 岩尾磁器工業株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P13001
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成25年度ー平成26年度成果報告書 固体酸化物形燃料電池等実用化推進技術開発 次世代技術開発 マイクロSOFC型小型発電機

 本事業では、カートリッジガス(ブタン)を燃料とし産総研が開発した低温・急速起動形マイクロSOFCを用いたポータブル発電機を商品化するためのSOFCの量産製造技術および発電機として機能させるための各種要素技術の開発を行った。
 マイクロSOFCの製造技術開発については、産総研の技術指導のもと岩尾磁器にてチューブ状燃料極の押出し成形・切断工程の最適化、電解質・空気極・インターコネクターを均一にコーティングすることが可能な自動ディップコーター導入、チューブ内部へのコーティング液侵入を防止するマスキング方法の検討を行った。さらに発電特性を向上させるため空気極と電解質の中間層になるGDCおよび燃料極のインターコネクター層の膜厚の最適化、、集電特性を高めるための空気極にAGペーストを網目状に塗布するといった改善を行い、650度、0.75Vで0.3A/CM2の電流密度が得られるセルチューブを開発した。また、コーティング寸法誤差が0.5ミリメートル以内、不良率(寸法精度)は10パーセント以内で5,000本/日製造できる見通しを得た。
 続いて200W以上の出力を得るための発電ユニットの設計・製作を行った。650度では1本あたり0.59Wの出力のため、8×8=64本を直列につないだものをセルスタックとし、6セルスタックを搭載したものを発電機1台あたりの発電ユニットとした。セルスタックは、マイクロSOFCを64穴のプレス成型したフォルステライト製マニホールドに挿入・接着させ、マイクロSOFC間を金属部材で電気的に接続する構造とした。高温下でも配管やセルスタックの接合部でガス漏れを起こさないように開発した金属マニホールドにセルスタックを固定し水素を用いて600度雰囲気で発電させた結果、1セルスタックあたり16Wの出力が得られることを確認した。目標である35Wの出力を得るには650度に耐え得る発電ユニットの設計、燃料ガスがセルチューブへ均一に供給されるマニホールドの改良が必要であることが明らかとなった。
 カートリッジガスを用いて安定した発電を行うため空気中の酸素を用いて部分酸化改質し炭素析出を抑制することを検討した。触媒、空塔速度、02/C4比等の最適化検討および耐久試験を行い、カートリッジガスから炭素を析出せずに水素や一酸化炭素を主成分とした改質ガスを延べ100時間に渡り安定して得られる外部改質器を開発した。また、改質ガスの模擬ガスによる単セルの発電試験を実施し100時間後の電圧降下は初期電圧の10パーセント以内に収まり、試験後セル表面のSEM観察から炭素析出が無きことが確認され、部分酸化改質が耐久性向上に有効であることを明らかにした。さらに、小型かつ発電ユニットを急速昇温できる加熱システムを構築し、5分以内に発電ユニットを平均600度まで昇温・保温できることを確認した。200Wの出力を得るために必要なカートリッジガスは発電用54.4g/h、加熱保温用43.5g/hであり、カートリッジガス1本(250g)あたり2.5時間の運転が可能であることを実験的に確認した。また、カートリッジガスの脱硫、アノードオフガス中のCO除害の検討も行い、それぞれのシステムで延べ100時間の耐久性を実証したが、セルスタックでは接着部やセルチューブの破損により数回の起動で発電不可となった。急速昇温に対するセルスタック材料を中心とした改善が必要であるという認識に至った。以上の開発および最適化した要素技術を組み合わせた検証機を設計・製作し可搬性について評価した。ガス供給装置の簡素化、加熱炉の炉壁の薄肉化等でハンドキャリーできる程度に小型軽量化できる目処を得た。
英文要約Title: Technology Development for SOFC Commercialization Promotion Development of Next Generation Technology Small Electricity Generator using micro SOFC (FY2013-FY2014) FY2014 Repoert

Iwatani, Iwao Jiki Kogyo and National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) investigated elementary technologies for mass production of micro solid oxide fuel cells (SOFC) and commercialization of portable electricity generators using butane cartridge gas in this project.
Based on AIST technologies for micro SOFCs which enables rapid start-up and low temperature operation using hydrocarbon fuels, IWAO developed mass production technologies for micro SOFCs such as extrusion and cutting process of anode microtubes, and automatic dip-coating process for electrolyte, cathode and interconnector thin-films using new masking methods. To improve further performance, the thicknesses of Gd-doped ceria interlayer (to prevent chemical reaction between electrolyte and cathode) and interconnector (anode terminal) were optimized, and the pattern of silver current collector on cathode was modified. The current density was 0.3 A/cm2 at 0.75 V and 650 oC for the microtubular SOFCs made with mass production technologies. The dimensional error was within 0.5 mm for dip-coating, and the percentage of defective products was less than 10 %. The manufacturing ability of micro SOFCs was estimated to be 5000 cells per day.
In order to obtain an output of 200 W, a cell-stack of 64 cells (= 8 rows x 8 lines) that were connected in series with metallic parts was fabricated, and six cell-stacks were integrated to an SOFC unit (0.59 W/cell x 64 cells x 6 stacks > 200 W). The ceramic manifolds for the stack with 8 x 8 holes were made with forsterite by press forming. The cells were inserted into the holes of the manifold, and fixed with sealant. The cell-stack was set in another metallic manifold. The output power of 16 W/cell-stack was obtained at 600 oC using hydrogen fuel. It was confirmed that the cell-stack was easily manufactured in large numbers by the use of dispenser robot and assembling jigs.
Iwatani investigated partial oxidation (POx) reforming of cartridge gas to prevent carbon deposition for stable power generation. The reforming conditions (catalysts, space velocity and air/fuel ratio) were optimized. The reformate gas for 200 W power generation was obtained without carbon deposition from cartridge gas of 54.4g/h for 100 h with 25 start-up/shutdown cycles. The degradation rate of single cell was less than 10 % using the reformate gas for 100 h. POx reforming was confirmed to be effective for improving durability for butane usage, because no carbon deposition was observed after the test. A small furnace for rapid start up to 600 oC within 5 min was also developed only by the use of cartridge gas. The durability of a desulfurizer for cartridge gas and a detoxifier for exhaust gas was also examined for 100 h.
Finally, a proto-type portable SOFC electricity generator was designed using the above elementary technologies. It was also confirmed that the downsizing of the decive was possible by simplifying gas supplier and decreasing the thickness of thermal insulator.
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