粉末冶金技術を用いた金属支持による固体酸化物形燃料電池(SOFC)を開発

強靭な多孔質ステンレス鋼基板上にSOFCを積層することで、モビリティへの適用が可能に

産総研

ポイント

・燃(ran)料拡散性と機械強度を両立(li)したSOFC用多孔(kong)質ステンレス鋼基板を開発

・電解質ナノ粒子を添加することによって、電解質のガスバリア性を向上

・SOFC基板(ban)の強(qiang)靭化によって、自動(dong)車やドローンなどのモビリティへ適用(yong)可能に

 

 

概 要 

ポーライト株式会社(以下「ポーライト」という)と国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下「産総研」という)極限機能材料研究部門 固体イオニクス材料グループ 山口 祐貴 主任研究員、鷲見 裕史 研究グループ長は、粉末冶金技術を用いた多孔質ステンレス鋼基板上に、固体酸化物形燃(ran)料電池(chi)(SOFCを積層した金(jin)属支持SOFCを開発しました。

 

従来のSOFCは、電解質(zhi)または燃料極を支持体としていましたが、いずれもセラミックスであるため、もろくて割れやすく、振動や熱衝撃に弱い問題がありました。この支持体を多孔質ステンレス鋼基板に変えることで強靭化が実現し、自動車やドローンなどのモビリティに適用できるようになります。ポーライトは、小型モーター用軸受、機械構造部品などの焼結部品製造で培った粉末冶金技術を応用して、燃料拡散性と機械強度を両立した多孔質ステンレス鋼基板を開発しました。一方、産総研は、電解質ナノ粒子を開(kai)発(fa)(fa)し、電解(jie)質のガスバリア性を向上することに成功しました。ポーライトが開(kai)発(fa)(fa)した多孔質ステンレス鋼基板と産総研(yan)が開(kai)発(fa)(fa)した電解(jie)質ナノ粒子を組み合(he)わせて、実用(yong)サイズの5 cm角金属支持(chi)SOFCを試作・実証(zheng)しました。

 

この技術の詳細(xi)は、2023年12月14〜15日に開催される「第32回(hui)SOFC研(yan)究発表会」にて発表予(yu)定です。

 

下線部は【用語解説】参照

 

※本プレスリリースでは、化学式や単位記号の上付き・下付き文字を、通常の文字と同じ大きさで表記しております。 正式な表記でご覧になりたい方は、産総研WEBページ()をご覧ください。

 

開発の社会的背景

SOFCは600~900 ℃の高(gao)温で作(zuo)動(dong)し、燃料電池の中で最も高(gao)い発電効率が期待されています。国(guo)内(nei)では、家庭用(yong)熱電併給(コージェネレーション)システムとして商品化され、普及が進(jin)んでいます。SOFCはさまざまな用(yong)途への適用(yong)も期待されていますが、現状(zhuang)では定(ding)置(zhi)用(yong)以外の開発が進(jin)んでいません。

 

SOFCは電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)や電(dian)(dian)極(ji)が固体(ti)であるため、図1に示すようにさまざまな構造を取(qu)ることができます。これまで、 ジルコニア(ZrO2) などの緻密質(zhi)(zhi)電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)を支(zhi)持(chi)(chi)体(ti)とした電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)支(zhi)持(chi)(chi)SOFCや、電(dian)(dian)気抵抗が大きい電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)を薄膜化し、ニッケル触媒と電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)の混合物から成る多孔(kong)質(zhi)(zhi)燃料極(ji)を支(zhi)持(chi)(chi)体(ti)とした燃料極(ji)支(zhi)持(chi)(chi)SOFCが開発(fa)されてきました。しかし、電(dian)(dian)解(jie)(jie)質(zhi)(zhi)や電(dian)(dian)極(ji)にはセラミックスが含まれるため、もろくて割れやすい欠(qian)点があります。定置用以外の用途としては自動(dong)車やドローンなどのモビリティがありますが、振動(dong)や熱衝撃に耐(nai)えうる機械強度が求(qiu)められることから、これまでSOFCの適用は難しいとされてきました。モビリティにSOFCを適用するためには、セラミックスよりも高強度・高靭性(xing)を有する多孔(kong)質(zhi)(zhi)ステンレス鋼を支(zhi)持(chi)(chi)体(ti)とした金属支(zhi)持(chi)(chi)SOFCなどの開発(fa)が求(qiu)められています。

 

 

 

研究の経緯

ポーライトは、これまでに粉末冶金技術を用いてSOFC用クロム基合金インターコネクターを開発し、SOFCメーカーに供給しています。インターコネクターは、燃料と空気を分離して供給する役割と、上下のセルを電気的に接続する役割があります。インターコネクターにはガスバリア性が求められるため、孔が空いていない緻密質の金(jin)(jin)属が用(yong)(yong)いられます。このクロム基合金(jin)(jin)インターコネクターが使(shi)用(yong)(yong)されている250 kW SOFCシステムを2017年に導入し、ポーライト熊谷第二工場の電力需要の約50%を賄っています。一方、孔(kong)(kong)が空いている多(duo)孔(kong)(kong)質(zhi)の金(jin)(jin)属も、粉末(mo)冶(ye)金(jin)(jin)技(ji)(ji)術(shu)で作ることができます。ポーライトは、産(chan)総研と共同で中小企(qi)業庁「戦略的(de)基盤技(ji)(ji)術(shu)高度化支援(yuan)事業」に参画し、粉末(mo)冶(ye)金(jin)(jin)技(ji)(ji)術(shu)を用(yong)(yong)いた金(jin)(jin)属支持SOFC用(yong)(yong)多(duo)孔(kong)(kong)質(zhi)金(jin)(jin)属基板の製造プロセスを確(que)立しました。

 

産総研(yan)(yan)は、LPGカセットボンベで発(fa)(fa)(fa)電できる「ハンディ燃(ran)料電池システム」()や「コンパクトハイパワー燃(ran)料電池システム」()などのポータブルSOFCシステムを開(kai)(kai)発(fa)(fa)(fa)しました。また、「SOFCドローン」を開(kai)(kai)発(fa)(fa)(fa)、長時間飛(fei)行(xing)を実(shi)証(zheng)し()、SOFCがモビリティに適用(yong)できることを示(shi)しました。一方、モビリティ用(yong)SOFCの信頼性確保のためには、強靭(ren)化が不可欠(qian)です。産総研(yan)(yan)は国立研(yan)(yan)究開(kai)(kai)発(fa)(fa)(fa)法人 新(xin)エネルギー・産業(ye)技(ji)術総合(he)開(kai)(kai)発(fa)(fa)(fa)機構(gou)(NEDO)の事業(ye)を通じて、金属(shu)支持SOFCの製造プロセスについて検討を行(xing)いました。今回(hui)、ポーライトが開(kai)(kai)発(fa)(fa)(fa)した多孔質金属(shu)基板と、産総研(yan)(yan)が開(kai)(kai)発(fa)(fa)(fa)したSOFC製造プロセスを組み合(he)わせて、実(shi)用(yong)サイズの金属(shu)支持SOFCを開(kai)(kai)発(fa)(fa)(fa)しました。

 

なお、ポーライトの研(yan)(yan)究開発は、「戦(zhan)略的基(ji)盤(pan)技術高(gao)度化(hua)支援(yuan)事(shi)業/固体酸(suan)化(hua)物形(xing)燃料(liao)電池(SOFC)の高(gao)強度化(hua)のための多孔質金属(shu)基(ji)板の開発」(2020~2022年度)、産総研(yan)(yan)の研(yan)(yan)究開発はNEDO「燃料(liao)電池等利用の飛(fei)躍(yue)的拡大に向けた共通課題解決型(xing)産学官(guan)連(lian)携研(yan)(yan)究開発事(shi)業/固体酸(suan)化(hua)物形(xing)燃料(liao)電池強靭化(hua)技術の開発」(2020~2022年度)による支援(yuan)を受けました。

 

研究の内容

多(duo)孔質(zhi)金(jin)属(shu)はフィルターなどさまざまな用途(tu)で使(shi)われていますが、金(jin)属(shu)支持SOFCでは基(ji)板上に粒径1 μm程度(du)の金(jin)属(shu)触媒-セラミックス混合(he)物(wu)から成(cheng)る多(duo)孔質(zhi)電極が積層されるため、金(jin)属(shu)粒子や多(duo)孔質(zhi)金(jin)属(shu)の孔の径をSOFC用に制御する必要があります。また、600 ℃以上の高温で用いられるSOFCでは、基(ji)板と電極および電解質(zhi)とのあいだで熱(re)膨張係数(shu)を合(he)わせることが求められます。

 

ポーライトは、電解質材(cai)料のジルコニアと熱(re)膨張係数(shu)が同程度(du)のフェライト系ステンレス鋼(gang)を原料として、粉(fen)末(mo)冶金(jin)技術を用(yong)いて多(duo)孔(kong)質ステンレス鋼(gang)基(ji)板を製造するプロセスを確(que)立しました。図(tu)2は、開発(fa)した金(jin)属支(zhi)持SOFC用(yong)多(duo)孔(kong)質ステンレス鋼(gang)基(ji)板の表(biao)面(mian)走査型電子顕(xian)微鏡(SEM)写真(zhen)です。原料のステンレス鋼(gang)粒(li)子の粒(li)径は約20~50 μmですが、基(ji)板表(biao)面(mian)の孔(kong)の大きさを図(tu)2(a)の約50 μmから(b)の約10 μmまで任意(yi)に制御(yu)することによって、さまざまな多(duo)孔(kong)質電極の積層に対応できます。基(ji)板全(quan)体の気(qi)孔(kong)率はいずれも約50%であり、良(liang)好なガス拡散性を示します。

 

 

従来のSOFCの電解(jie)質(zhi)は、1300 ℃以上の高(gao)(gao)温(wen)で焼(shao)(shao)(shao)結することによって、水素などの燃料(liao)に対するガスバリア性に優れた緻(zhi)密質(zhi)のセラミックスを得(de)ていました。しかし、多孔(kong)質(zhi)ステンレス鋼基(ji)(ji)板はセラミックスよりも耐(nai)熱性が低(di)いため、高(gao)(gao)温(wen)で焼(shao)(shao)(shao)結することができません。図3は、多孔(kong)質(zhi)ステンレス鋼基(ji)(ji)板上に積(ji)層したジルコニア電解(jie)質(zhi)の表面(mian)SEM写真(zhen)です。1000~1200 ℃まで焼(shao)(shao)(shao)結温(wen)度を下げると、図3(a)のようにセラミックスの焼(shao)(shao)(shao)結不足で孔(kong)が空いてしまい、供(gong)給(gei)した燃料(liao)が空気側へ漏れてしまいます。

産総研は、温度を下げても焼結を促(cu)進(jin)させることができる、平均粒径(jing)が70~150 nmから成るジルコニア電(dian)解質(zhi)ナノ粒子を開(kai)発しました。電(dian)解質(zhi)ナノ粒子を添加した図3(b)では、焼結温度を下げても電(dian)解質(zhi)内の貫(guan)通孔(kong)が激減し、ガスバリア性が向上しました。これによって燃料の漏れが起こらなくなり、供(gong)給した燃料を全て発電(dian)に用いることができるようになりました。

 

 

ポーライトが開発した多孔質金属基板と、産総研が開発したSOFC製造プロセスを組み合わせて、実用サイズの金属支持SOFCを開発しました。図4は、開発した5 cm角金属支持SOFCの外観写真です。多孔質ステンレス鋼基板の上に、ニッケル触媒と電解質から成る燃料極と、ジルコニア電解質、導電性セラミックスから成る空気極などが、テープ成形やスクリーン印(yin)刷などの湿式法によって積層されています。ステンレス鋼基(ji)板の酸(suan)化を抑制するため、低(di)(di)酸(suan)素分圧下、かつ従(cong)来のSOFCより低(di)(di)い温(wen)度で焼結(jie)を行(xing)うことによって作製(zhi)しました。今回(hui)は5 cm角の金属支(zhi)持(chi)SOFCを試作しましたが、多孔質ステンレス鋼基(ji)板のプレス成形機のスケールアップによって、さらなる大(da)型化も可能です。

 

 

図5は、図4の金属支持SOFCの一部分を用いて、電解質の上に直径6 mmの空気側電極を積層して評価した550~750 ℃における燃料電池特性です。左軸の電圧(白抜きの印)と横軸の電流密度の積が、右軸の出力密度(塗りつぶしの印)になり、出力密度が大きいほど燃料電池の性能が良いことを表しています。図5(a)の電解質ナノ粒子無添加のセルでは、電流密度 0 A/cm2 における開回路電(dian)圧(OCVは0.9 V以下と理(li)論起(qi)電力(li)(1.0~1.1 V)より低く、燃料の一部が空気側(ce)へ漏(lou)れていることを示しています。図(tu)5(b)の電解(jie)質ナノ粒子添加のセルでは、OCVが1 V以上となり、750 ℃において実(shi)用(yong)(yong)レベルである0.6 W/cm2の出力(li)密度を得ることに成功しました。この金属支持SOFCは、今(jin)後モビリティなどさまざまな用(yong)(yong)途で用(yong)(yong)いられることが期待されます。

 

 

今後の予定

自動(dong)車やドローンなどのモビリティでは、SOFC強靭(ren)化(hua)に加えて、急速起(qi)動(dong)性も求められます。今(jin)回開発した金属支持(chi)SOFCは、750 ℃で0.6 W/cm2の出(chu)力密(mi)度が得(de)られましたが、より低温で同程度の性能が得(de)られれば、昇温にかかる時(shi)間を短縮(suo)することができます。また、コストを下げるためには、電極材料などの長(chang)寿命化(hua)が不可欠です。今(jin)後は、電極の改良などによって、長(chang)寿命で、低温でも高出(chu)力密(mi)度が実現する金属支持(chi)SOFCを開発するとともに、大型(xing)化(hua)・量産(chan)化(hua)に向けた検(jian)討(tao)を行います。

 

用語解説

粉末冶金

金属(shu)の粉末を金型に入れて圧縮して成形し、高(gao)温で焼結して精(jing)度(du)の高(gao)い部(bu)品を作る技術。セラミックスも同様の方法で作製(zhi)されることが多いため、金属(shu)の上にセラミックスを積層する金属(shu)支持SOFCに適した製(zhi)法といえる。

 

多孔質

細(xi)孔が非常に多(duo)く空いている状(zhuang)態(tai)。金(jin)属支持SOFCでは、金(jin)属基板の上に積(ji)層した電(dian)極まで燃料(liao)ガスなどを供給する必要があるため、多(duo)孔質であることが求められる。

 

固体酸化物形燃料電池(SOFC

ジルコニア(ZrO2)などセラミックスで構成される燃料電池。Solid Oxide Fuel Cellの略。温度が高(gao)いほどジルコニア電解質のイオン導(dao)電率が高(gao)いため、600~900 ℃の高(gao)温で作動し、他の燃料電池よりも高(gao)い発電効率が期待されている。

 

電解質

イオンが伝(yun)(yun)導する材(cai)料。SOFCの電(dian)(dian)解質は酸化物イオン(O2-)が伝(yun)(yun)導し、電(dian)(dian)子はほとんど伝(yun)(yun)導しない。燃料電(dian)(dian)池は、イオン化した際に放出された電(dian)(dian)子が外(wai)部回路を通ることによって発電(dian)(dian)することができる。

 

燃料極

SOFCにおいて、酸化物(wu)イオンと水素を反応(ying)させて水を生成するための材(cai)料。一般(ban)的にニッケル触媒とジルコニア電解質(zhi)の多孔(kong)質(zhi)混合材(cai)料が用いられる。

 

焼結

金属やセラミックス粉末原料などを圧縮などによって成(cheng)形体(ti)(ti)とし、融点以下の温度で熱(re)処理(li)することにより、粉体(ti)(ti)粒子同士が接合し、焼結体(ti)(ti)と呼(hu)ばれる一つの緻(zhi)密な固体(ti)(ti)になる現象。

 

ナノ粒子

数(shu)(shu)~数(shu)(shu)十ナノメートル(1ナノメートルは10億(yi)分の1メートル)の大きさをもつ粒子。SOFCの原料には数(shu)(shu)百ナノメートル~数(shu)(shu)マイクロメートル(1マイクロメートルは100万(wan)分の1メートル)の粒子が用いられることが多いが、これより小さな粒子を用いることによって、より緻密質な電(dian)解(jie)質が得られる。

 

インターコネクター

複(fu)数(shu)のセルを電気(qi)的に直列接続するとともに、燃(ran)料と空(kong)気(qi)を分けて供給するための部材。セパレーターとも呼ばれる。

 

緻密質

細孔が空いていない状態。供給(gei)した燃料(liao)と空気が直接燃焼することを避(bi)けるために、電解質は緻密質であることが求められる。

 

空気極

SOFCにおいて、酸素分子を酸化(hua)物(wu)イオンへ変化(hua)させるための材料。一(yi)般的に、ペロブスカイトと呼ばれる結(jie)晶構造をもつ(La,Sr)(Co,Fe)O3-δなどの導電性(xing)セラミックスが用いられる。

 

開回路電圧(OCV

外部負荷を接続していない時の電(dian)圧(ya)。Open Circuit Voltageの略。SOFCでは、燃(ran)料(liao)と空気に含まれる酸素の分圧(ya)差によってOCVが発生し、外部負荷を接続すると電(dian)流が取り出せるようになる。

 

プレスリリースの詳細はこちら

本プレスリリースは発表元が入力した原稿をそのまま掲載(zai)しております。また、プレスリリースへのお問い合わせは発表元に直(zhi)接お願いいたします。

プレスリリース添付画像

  • エリア
    東京都
  • キーワード
    研究開発、固体酸化物形燃料電池(SOFC)、金属支持、ナノ粒子、ステンレス鋼、粉末冶金
このプレスリリースには、報道機関向けの情報があります。

プレス会(hui)員登録を行うと、広報担当者(zhe)の連絡(luo)先(xian)や、イベント・記(ji)者(zhe)会(hui)見(jian)の情(qing)報など、報道機関だけに公開する情(qing)報が閲覧できるようになります。

プレスリリース受信に関するご案内

このプレスリリースを配信した企業・団体

  • 名(ming)称 国立研究開発法人産業技術総合研究所(suo)
  • 所(suo)在(zai)地(di) 茨城県
  • 業種(zhong) 政府・官(guan)公庁
  • URL
  • ※購読している企業の確認や削除はWebプッシュ通知設定画面で行なってください
  • SNSでも最(zui)新のプレスリリース情報をいち早く配信(xin)中