SOFC長寿命化に貢献する強弾性構成モデルの提案と次世代型燃料電池設計指針の確立

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K17977
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 村松 眞由 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (20609036)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 固体酸化物燃料電池 / 強弾性 / Phase-field / 均質化法

Outline of Annual Research Achievements

固体酸化物燃料電池(SOFC)の空気極となるランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)の微視組織の発展を考慮し，SOFCにおける強弾性現象を表現可能な数理モデルを開発するために，平成29年度は，前年度までに構築したフェーズフィールド法に基づく強弾性の数理モデルを実装したプログラムの修正，更新を行い，多結晶材料における解析結果を検討した．さらに均質化法を導入し，マクロな力学特性を算出した．
LSCFは荷重を与えると特異な相変態が起こり，力学特性が変化することから強弾性体と呼ばれ，SOFCの機械劣化に影響を与えると考えられている．LSCFの結晶構造は通常高温では立方晶，低温では菱面体晶となる．LSCFは約1273Kで焼成させた後，室温までの降温過程において一部の結晶構造が立方晶から菱面体晶へと変化する．このとき，結晶構造が変化したことにより，相変態が起こった領域では固有ひずみが発生し，さらなる相変態が進行する．このように形成された組織はラメラ状であることが知られているが，そのメカニズムは未解明な点も多い．また，強弾性材料の変形挙動を予測するには，解析的に組織を形成させてその組織に対する変形解析を実施すれば，材料組織に依存した力学特性の予測が可能となる．しかしながら，このようなLSCFの微視組織形成を考慮しつつ力学特性を評価する解析はこれまで行われてこなかった．
本研究では，前年度にプログラムへ実装した弾性エネルギーを考慮したフェーズフィールドモデルを用いて，多結晶体母相において，結晶粒によって異なるバリアントおよび方位のラメラ組織が形成される様子を再現した．また，前年度では擬似3次元解析であったのに対し，フル3次元モデルでの解析へと拡張した．さらに連成型および分離型の均質化法2種を実装し，これらに基づいた解析によって，強弾性組織形成中におけるマクロ特性を算出した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定に沿って均質化法を導入することができた．

Strategy for Future Research Activity

平成29年度にミクロおよびマクロの特性を算出した強弾性モデルを，さらに多結晶材を用いて詳細に検証を進める．周期境界条件の設定プログラムを見直し，ボロノイ分割で得られる様々な結晶粒径や結晶方位の初期ユニットセルモデルを，よりスムーズに作成できるように工夫する．さらに，強弾性組織形成後に外部応力を与えることにより，強弾性組織を有する材料の力学挙動を明らかにする．必要であれば強弾性モデルも修正する．

Causes of Carryover

外部荷重を与えた数値解析の実施に至らなかったため．

Research Products

• [Journal Article] Simulation of Ferroelastic Phase Formation Using Phase-field Model (2018)
  • Author(s): Muramatsu, M., Yashiro, K., Kawada, T. and Terada, K.
  • Journal Title: International Journal of Mechanical Sciences Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2017.12.027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent Achievements of NEDO Durability Project with an Emphasis on Correlation Between Cathode Overpotential and Ohmic Loss (2017)
  • Author(s): Yokokawa, H., Hori, H., Shigehisa, T., Suzuki, M., Inoue, S., Suto, T., Tomida, K., Shimazu, M., Kawakami, A., Sumi, H., Ohmori, M., Mori, N., Iha, T., Yamaji, K., Kishimoto, H., Develos-Bagarinao, K., Sasaki, K., Taniguchi, S., Kawada, T., Muramatsu, M., Terada, et al.
  • Journal Title: Fuel Cells Volume: 17 Pages: 473-497
  • DOI: 10.1002/fuce.201600186
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 板状デバイスの非線形マルチスケール解析に対する数値平板試験 (2017)
  • Author(s): 佐藤維美，村松眞由，松原成志朗，西紳之介，寺田賢二郎，八代圭司，川田達也
  • Journal Title: 応用力学論文集 Volume: 73 Pages: 283-294
  • DOI: 10.2208/jscejam.73.I_283
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shape Deformation Analysis of Anode-supported Solid Oxide Fuel Cell by Electro-chemo-mechanical Simulation (2017)
  • Author(s): Muramatsu, M., Sato, M., Terada, K., Watanabe, S., Yashiro, K., Kawada, T., Iguchi, F. and Yokokawa, H.
  • Journal Title: Solid State Ionics Volume: 319 Pages: 194-202
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2018.01.027
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A Simulation of Ferroelastic Phase Formation in LSCF Polycrystal Based on Phase-field Model (2017)
  • Author(s): Muramatsu, M.
  • Organizer: 5th International Conference on Material Modeling (ICMM5)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Large Scale Electro-chemo-mechanical Analysis of Solid Oxide Fuel Cell Considering Creep Deformation Under Operation (2017)
  • Author(s): Muramatsu, M.
  • Organizer: 21st International Conference on Solid State Ionics (SSI2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] isualization of Potential Distribution in the YSZ Electrolyte under SOFC operation (2017)
  • Author(s): Kishimoto, H.
  • Organizer: 21st International Conference on Solid State Ionics (SSI2017)
  • Int'l Joint Research