2019 Fiscal Year Annual Research Report
固体酸化物形燃料電池の電極電解質一体焼成プロセスの解明と制御
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17H03149
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| Research Institution | Chiba Institute of Technology |
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Principal Investigator |
原 祥太郎 千葉工業大学, 工学部, 准教授 (10401134)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鹿園 直毅 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30345087)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 焼結 / 固体酸化物形燃料電池 / キネティックモンテカルロ / 微細構造 / 多孔質 / 有限要素法 / 離散要素法 / FIB-SEM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，昨年度取得した，空気極材料LSCFと電解質材料GDC一体焼結させたサンプルならびに，GDC基板上にLSCFを拘束焼結させたサンプルの収束イオンビーム走査電子顕微鏡（FIB-SEM）三次元再構築像について，焼結体界面近傍の空隙構造の三次元的な配向性を定量化した．まず，空隙の形状配向性を評価するため，SNOWアルゴリズムを用いて，空隙の三次元セグメンテーションを行った．セグメンテーション後，分割された数百から数千の空隙に対し，三次元楕円近似を施し，空隙配向性を統計的に見積もったところ，拘束焼結においては，界面並行方向に働く引張り応力の影響で，同方向の収縮率が低下するため，空隙が界面に対して垂直方向に延びた形状をすることが明らかとなった．一方で，一体焼結においては，逆に圧縮応力の影響で，空隙が界面に対して並行方向に延びた形状をすることがわかった．この傾向は，焼結が進展するほど顕著となることが明らかとなった．
さらに，三次元数値解析を用いた多孔構造体の機械的特性を定量的に予測する手法を提案した．具体的には，離散要素法（DEM）による粉末充填シミュレーションとキネティックモンテカルロ法（KMC法）による焼結シミュレーションを用いて，焼結後の多孔構造データを生成する．つづいて，得られた多孔構造体に対し三次元有限要素法（FEM）モデルを作成し，多孔構造体の機械的特性を算出した．ここではまず，FIB-SEMから得られた多孔質構造体の実構造データを用いて，ヤング率取得法の妥当性を検証した．また，初期充填時に配向性のある微構造の弾性的特性は，低密度時は異方的であるものの，焼結が進みその密度が80％を超えると異方性が失われることを明らかにした．本研究ではさらに，上記の解析や焼結実験から得た物性値をもとに，二層化した一体焼結体の変形量を予測できる有限要素法解析のプロトタイプ構築に成功した．
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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