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発表・掲載日:2006/10/31

ミクロハニカム構造の燃料電池の開発に成功

-急速起動・停止にも対応した省スペース燃料電池の実現に向けて-

ポイント

  • サブミリメーターサイズのハニカム構造の電極支持体型固体酸化物燃料電池(SOFC)を開発。
  • 体積1cm3当たりに250個以上のSOFCセルを製造するプロセスの実現。
  • 小型化により室温から数分以内の急速起動・停止という熱衝撃にも耐えるSOFCモジュールの実現も可能に。


概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】先進製造プロセス研究部門【部門長 三留 秀人】機能モジュール化研究グループの 山口 十志明 研究員らは、ファインセラミックス技術研究組合および日本ガイシ株式会社【代表取締役社長 松下 雋】と共同で、600℃程度の低温でも高出力が期待されるミクロハニカム構造の固体酸化物型燃料電池(SOFC)の製造プロセス技術の確立に成功した。

 SOFCは高効率で信頼性が高く、取り扱いも容易という優れた特徴があるが、これまでは800℃以上の高温で連続運転できる用途に限られていた。用途を拡大するためには、低温作動化や発電モジュールの省スペース化、及び急速起動・停止性能の付与などが望まれていた。今回開発された技術は、室温から数分以内の急速起動・停止運転にも対応でき、自動車の補助電源、小型コジェネ、あるいはポータブル電源等へ適用可能なSOFCの実現が見通せるようになった。

マンガン系ペロブスカイト材料ミクロハニカム全体/3層構造拡大写真
マンガン系ペロブスカイト材料(LSM)ミクロハニカム全体/3層構造拡大

 本成果は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 プロジェクト「セラミックリアクター開発」で得られたもので、2007年1月22日から米国フロリダ州で開催予定の“Cocoabeach Conference”他で発表される予定である。



開発の社会的背景

 電力を消費する家庭および工場、さらには自動車等の移動体において、必要な場所で必要な時に利用できる小型高効率のエネルギー変換システムとして燃料電池が注目されている。その中でもSOFCはトータルでのエネルギー変換効率が高く将来性が期待されている。しかし、材料の特性からSOFCは800-1000℃の高温での作動が必要であり、また複数のユニットセルを集積して用いるため、高温で連続運転する大型機器に用途が限られていた。家庭や自動車などの応用では、数分で急速作動と停止できる数KWレベルの小型で高効率のSOFCが必要であり、発電モジュールを小型化し、単位体積あたりの発電出力を向上させるための製造プロセス技術の確立が望まれていた。

研究の経緯

 セラミックハニカムはガス流体中での反応面積が大きいことと構造的な安定性より、自動車等の排ガス処理用の触媒坦持体として利用されている。セラミックハニカムの規則配列した空間へSOFCのような燃料電池セルを構築すれば、小型高密度なSOFC集積モジュールが製造可能である。従来、発電モジュールとしては、セルを1つ1つ製造し集積する工程が必要なため、製造時間は数週間が必要であった。一方、ハニカム型セラミック基材では多数の微細なチャンネルが規則配列した構造体を押出プロセスにより一度に形成できる。これを燃料電池に利用するには技術的な課題として、多数のチャンネルへSOFCとして必要なポーラス電極と緻密電解質の積層構造を高精度に作製することが重要である。これらの技術的課題の解決のために、押出法で作製したマンガン系ペロブスカイト材料(LSM)ポーラスハニカム基材へ様々な電解質ならびに電極を形成する高度スラリーコーティング技術を検討した。

研究の内容

 図1左図に示すような15x15mm角のマンガン系ペロブスカイト材料(LSM)ハニカム構造体を混練押出により製造した。スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)セリア系酸化物(GDC等)等の電解質スラリーにて特別な治具を用いてハニカム中の256個のサブミリ角チャンネルを同時にコートして乾燥後、1300℃で焼成した。その後、セリア系酸化物を含むニッケル(50vol%Ni-GDC)スラリーをコートし1100℃以上で焼成した。その結果、ポーラス電極ハニカム基材中のチャンネル壁面上へ厚さ20µmの緻密な電解質膜と、ポーラス電極としてNiO-GDC層が形成できた。256個のどの空間においても同様な構造が形成できた。形成したハニカムSOFCにおいて数分での急速加熱・冷却試験を行った結果、セル構造の破壊がみられず、急速加熱・冷却が可能であることが分かった。

LSMハニカム押出成形体およびSOFCセル構築後のミクロハニカム拡大写真
図1:LSMハニカム押出成形体およびSOFCセル構築後のミクロハニカム拡大写真

 製造したセルについて加湿水素での発電試験を行ったところ、LSM-GDC系で中温域における世界最高レベルの発電性能(単位面積当たり)0.23W/cm2(700℃)が実証でき、小型高密度のSOFCセルの形成技術として利用可能なことが分かった。

セルの出力密度の温度依存性の図
図2:セルの出力密度の温度依存性(単位面積当たりの出力密度)

今後の予定

 今回得られた、単一キューブユニットでの高性能化についてのさらなる向上を検討すると共に、ハニカム内での流体拡散制御や熱的制御の検討を進め、複数のキューブユニット連結時の電気エネルギー的な損失を抑制するための技術開発により、最終的に2kW/L以上の発電出力が可能なセラミックリアクターのプロトタイプモジュール創製を目指す。



用語の説明

◆ハニカム
ハニカムとは英語で「はちの巣」という意味であり、六角形や四角形等が隙間なく束ねられた構造をハニカム構造と呼ぶ。ハニカム構造は、丈夫であり、単位体積当たりの表面積を格段に増やすことができるため、構造材料や排ガス浄化用の触媒担体など広く適用されている。本研究では、ハニカム構造をリアクターの基本骨格として利用し、高集積されたサブミリサイズの細孔へSOFC構造を同時に作り込むことにより、大きなセル電極面積を有するリアクター製造に成功している。[参照元へ戻る]
◆固体酸化物型燃料電池(SOFC)
燃料電池は、水の電気分解の逆反応で、水素と酸素の電気化学反応から直接発電することができる高効率でクリーンな発電方法として、いくつかの方式について開発が進められている。なかでもSOFCは酸化物を用いているため高耐久性な燃料電池であり、600-1000℃において運転を行うことから高効率であり、さらに排熱を分散電源として利用することによって総合効率が非常に高くなるため、実用化が期待されている。[参照元へ戻る]
◆モジュール
モジュールとは目的の機能を発現する単位構造である。数個のセル(SOFC等)構造を積み重ね(スタック化)、燃料と空気の分離のための仕切り板(セパレータ)などを挟んでセル同士が直列に接続され、ガス通路などを確保しつつ集積されたものを指す。さらに要求される電力に見合った発電を行なうために集積したユニットを発電モジュールと呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆マンガン系ペロブスカイト材料(LSM)
LSMは、SOFC空気極用材料の一種であり、中でも長期安定性について複数報告されており、信頼性の高い材料としてWestinghouse社をはじめ広く使用されている。[参照元へ戻る]
◆スラリーコーティング
原料粉体を、分散剤やバインダー等の有機高分子とともに溶剤中に高分散させたスラリーを基材表面へ塗布し、コート膜を得る方法。[参照元へ戻る]
◆スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)
安定化ジルコニアとは、ジルコニア(ZrO2)に対し2価の金属(Mg,Ca)や3価の金属(希土類)を添加することにより、高温相の正方晶または立方晶が室温でも安定に存在するジルコニアの総称である。従来、イットリウム(Y)を添加したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)がSOFC用のイオン伝導体材料として多用されているが、YSZの低いイオン伝導率のためSOFC作動には1000℃程度の高温が必要とされてきた。その代替材料の一つとして注目されているのがスカンジウム(Sc)を添加したスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)であり、綿密な組成制御により低温での高イオン伝導体化に成功した材料である。[参照元へ戻る]
◆セリア系酸化物(GDC等)
セリア(CeO2)をベースにしたセラミックス。セリアにガドリニウム(Gd),サマリウム(Sm)などを添加することで、高いイオン伝導性を得ることができる。セリア系イオン伝導体はそれらの総称を指す。ガドリニウムを固溶した酸化セリウム(GDC)等は、比較的低い温度で利用できる酸化物イオン伝導体として注目されている。[参照元へ戻る]

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