2015 Fiscal Year Annual Research Report
超高電流密度SOFC発電へ向けた電極間相互作用と最適セル構造の研究
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15H03930
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岩井 裕 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00314229)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 英生 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50166964)
齋藤 元浩 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90314236)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 燃料電池 / 電極微構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度であったH27年度は，研究計画の第1段階として極薄電解質を使用する固体酸化物形燃料電池（SOFC）の電極間相互作用についての検討を行った．まず，燃料極，空気極と極薄電解質におけるガス種や電荷の輸送現象と電気化学反応を連成して同時に考慮するセル過電圧数値解析手法を確立した．これは，開発済みであった燃料極を対象とした数値解析プログラムを出発点とし，電解質と空気極まで統合的に扱うように改良したものである．その際，これまで電気ポテンシャルで記述してきた電子とイオンの輸送について，電気化学ポテンシャルに変更することで，計算結果としてセル内の酸素ポテンシャル分布が得られるようにした．
燃料極と空気極は多孔質であり，その微構造がセルの性能に大きな影響を与える．そのため，数値解析の精度と信頼性をあげるためには，実際の両電極の3次元微構造データを取得する必要がある．SOFCで一般的であるNi-YSZ燃料極とLSM空気極をそれぞれYSZ電解質板上に自作した．集束イオンビームを備えた電子顕微鏡を活用し，自作した電極の表面を少しずつ削りながら観察することで多孔質微構造データを取得し，これをコンピュータ内で擬似的に再構築した．取得した電極微構造データを上記の数値解析に適用した．電解質については完全に平坦な表面を持つYSZ板を仮定し，厚さを任意に設定して数値解析を実施した．電極微構造のスケールが電解質厚さに比して大きいとき，電解質内の局所電流密度分布の非一様性が顕著となることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では，実験において電極支持型のSOFCセルを使用することを考えていた．燃料極に薄膜電解質がついた燃料極支持型ハーフセルを購入し，これに空気極を焼成して試験用セルを自作することを試みたが，このセルを使用した発電実験では開回路電圧が理論値に達しなかった．空気極とハーフセルの熱膨張率の違いにより薄膜電解質に微小な亀裂が生じてガスが漏れているなどの可能性があるが，原因の明確な特定には至っていない．そこで，厚さ500ミクロンの電解質板に両電極を自作する手法に切り替え，電解質の薄膜化の影響は数値解析により検討することにした．実験において若干の時間的ロスがあったものの，初年度の主な課題であった数値解析プログラムの開発が順調であったため，全体としてはおおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に開発した数値解析プログラムを活用し，電極微構造のスケールと電極厚さを系統的に変化させてそれぞれが結果に与える影響を明確化する．酸素ポテンシャル分布から予測される電解質のイオン伝導度の低下の影響を調べる．電極性能の向上をめざし，計画の第2段階である最適化計算手法の開発を開始する．
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Research Products
(6 results)
