成果報告書詳細
管理番号20100000002438
タイトル平成17年度-平成21年度成果報告書 セラミックリアクター開発
公開日2011/1/25
報告書年度2005 - 2009
委託先名ファインセラミックス技術研究組合 ホソカワミクロン株式会社 財団法人ファインセラミックスセンター 東邦瓦斯株式会社 株式会社デンソー
プロジェクト番号P05022
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約 セラミックリアクター開発プロジェクトは、材料技術と部材集積加工技術を融合した新たな製造プロセス技術を確立し、高付加価値材料産業の構築と国際的産業競争力の強化、及び水素エネルギー社会の実現に資するために実施されたものである。
 電気化学的に高効率の次世代型セラミックリアクターとして、小型高効率化、低温作動や頻繁な急速作動停止性能を実現するために、革新的な製造プロセス技術を開発し、プロトタイプモジュールの創製を目指したものである。
 研究開発目標として、平成21年度までに、従来に比べて飛躍的な低温作動(650℃以下)を可能とする電解質・電極材料の開発や界面構造の制御等による部材化、ミクロ(ミリメートル以下)の単位構造をセル-キューブ-モジュールへ配列・集積化するための製造プロセス技術の開発を行い、これらを総合したプロトタイプモジュールを構築し、主としてマイクロSOFCによる発電性能の飛躍的な向上を目指すと共に、水素製造・環境浄化等の具体的なニーズを想定した適用性実証を図った。
 材料開発-部材集積化プロセス開発-評価実証という研究展開に従って、(1)高性能材料部材化技術の開発、(2)集積化及びセルスタックモジュール化技術の開発、(3)析技術開発及びプロトタイプ実証の各研究開発項目の連携により実施し、以下の成果が得られた。
 1)能材料部材化技術の開発では、電極部材でのエネルギー損失を従来の1/10に低減し(500℃での性能が従来の650℃での性能とほぼ同等)、Ag系材料の適用が低温域での電極性能向上に効果があることを見出す等、造り込み技術に用いるための様々な材料・部材開発の成果を挙げた。650℃で0.5W/cm2の単位出力密度を達成し、また500℃でも目標以上の性能を達成、将来のさらなる低温作動化に向けた、実用的な電極及び電解質の開発と部材化にも見通しが得られた。
 2)ロ集積化及びセルスタックモジュール化技術の開発では、世界最高の低温高出力密度(1W/cm2@570℃)の発電が可能なサブミリチューブ型SOFCの開発に成功し、マイクロSOFCセルスタックとして作動させるための微細部材の集積化を行った。一方、ハニカム製造技術を高度化して適用することにより、1cm3当たり250以上のセルが集積したキューブの連続作製プロセスを確立した。また、室温からの急速起動試験では2分以内の定常作動化や起動停止のサイクル耐久性の実証にも成功した。さらに、550℃でも1cm3当たり3Wの小型高出力化が可能な、セル集積によるキューブの作製と出力実証に成功する一方、キューブ接続に必要なインターフェース用の導電性/絶縁性及びガスシール特性に優れた材料開発に成功する等、機能セラミック部材の微細な造り込み技術の開発を起点とした、様々な機能ユニット部材の製造プロセス技術に関する成果が得られた。
 3)解析技術開発及びプロトタイプ実証では、ミクロチューブを集積した発電キューブをさらにモジュールとして構築する製造プロセス技術を確立、プロトタイプモジュールによる発電実証を行い、650℃以下で200Wの発電出力、2kW/L以上の出力密度、発電効率40%、繰り返し加熱冷却条件における耐久性を確認した。また、これらの結果から、家庭用SOFCおよび自動車用APUへの適用性を検証した。
英文要約Title: Advanced Ceramic Reactor Project (FY2005-FY2009) Final Report
In the “Advanced Ceramic Reactor” project, we focused on the development of materials for electrodes and electrolyte that can lower the operating temperatures under 650 oC and the development of manufacturing process technology for sub-millimeter tubular cells as well as for arrangement and integration of such cells in the micro level.
The goals of this project were to fabricate high performance cube-type cell stack modules and to check the applicability of the modules for electrochemical reactors designed for an auxiliary power unit (APU) and a small power source system.
We focus on the development of innovative fabrication process technology for prototype modules that can realize 1) low temperature operation 2) management of operating temperatures (to add more reliability to the quick start-up/shut-down operation) 3) high volumetric power density. Following three research themes were carried out.
(1)Development of high performance materials and parts for reactors
(2)Development of manufacturing technologies for the integration of micro reactor modules
(3)Development of analytical and evaluation technology and verification of prototype modules
1. Development of high performance materials and parts for reactors
Fabrication technologies of materials and components for the advance ceramic reactors had been developed. The electrode materials which reduce energy loss to 1/10 had been obtained (performance formerly obtained at 650 oC could be achieved at 500 oC using the newly developed electrodes). It was also found that the addition of Ag to the cathode electrode can contribute to improve the cell performance effectively at lower temperatures. The composite technology of the electrode materials had successfully been developed to realize high performance electrodes.
2. Development of manufacturing technologies for micro integrated reactor modules
By optimizing the structures of the ceramic electrodes, we had achieved cell performance of 1 W/cm2 power density at 570oC, which is the world’s highest power density among SOFCs with ceria based electrolyte and investigated for fabricating micro SOFC stacks. Successive fabrication process for the cube which consists of over 250 cells in 1 cm3 had been established. Honey-comb type micro SOFCs which consist of sub-millimeter cells had been demonstrated first in the world, which shows high durability for quick start-up operation within 2 minutes and repeating start-up and shut-down operation. Stacking technology of the honey-comb type micro SOFCs had also been established. Furthermore, several promising results had been obtained, such as the cube cell performance of over 3 W per 1 cm3 at 550℃, which was realized by the new fine fabrication technology for functional ceramic components. The prototype module of 200 W class had also been fabricated.
3. Development of analytical evaluation technology and verification of prototype modules
To achieve the final goal of this project, fabrication technology of the module with micro-tubular cells were established. Smart designed prototype modules successfully showed the performance of power output of 200W class, power density of over 2kW per liter at under 650 oC, power generation efficiency of over 40 %, and high durability for rapid start-up operation. Based on the results, applicability of the developed module to power sources for domestic households and APUs for automobiles was explored.
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