2019 Fiscal Year Annual Research Report
多孔質電極の能動的不均一化による高電流密度SOFC
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19H02077
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岩井 裕 京都大学, 工学研究科, 教授 (00314229)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸本 将史 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (10757636)
吉田 英生 京都大学, 工学研究科, 教授 (50166964)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 固体酸化物形燃料電池 / 多孔質電極 / ガス拡散 / 造孔材 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度であるH31(R1)年度はまず、拡散実験装置の設計・製作から開始した。実験では密閉可能なチャンバ内を固体酸化物形燃料電池の燃料極を模した多孔質体サンプルによってふたつの空間領域に分離して、それぞれの空間に異なるガス種を供給したのち、両空間の全圧とガス種の分圧を時系列で測定する。設計にあたって、実験系の非定常１次元解析モデルを構築し数値解析を行うことで、チャンバ容積や多孔質体のサンプルサイズ等を決定するとともに測定系を選定した。実験装置の設計・製作と並行して、メゾスケール空隙を制御した多孔質サンプルの作製プロセスを確立した。セラミックス粉末の成形にはプレス成形およびテープキャスト法を採用した。これまでの経験に基づきセラミックス粉末の粒子径と焼成条件をひとまず固定した。そのうえで異なる粒子径(φ1～8 ミクロン)をもつ造孔材を混合することで、メゾスケール空隙をもつ多孔質サンプルを作製した。なお混合する造孔材のセラミックス粉末に対する質量割合も制御パラメータとした。作製した数種類の多孔質サンプルを用いて実験を行った。第一段階としてガス種には水素-窒素系を選択し常温で両空間の全圧を時系列で測定したところ、多孔質サンプルを挟んで全圧差の発生とその後の緩和を測定することに成功した。造孔材の有無や種類および量が最大全圧差に影響を与えることがわかった。実験後の多孔質サンプルを取り出し、その断面をSEMで観察することで得られた２次元画像から多孔質体の微構造を定量化した。
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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
実験装置におけるガス漏れ対策などに当初の想定よりも時間を要したが、全圧差の時系列データの取得に成功したことで、考案した実験手法に確信を得ることができた。今後、濃度計測のためのセンサー設置とそれに適したガス種の選定が必要であるが、初年度の延長で対応できる見込みである。また実験装置設計の補助として作成した非定常１次元数値モデルは、本研究後半に予定している詳細数値解析への準備にもなった。全体としておおむね順調に進展したと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き拡散実験を実施する。試験対象の多孔質体サンプルによって、実験中は密閉されるチャンバ内をふたつの空間領域に分離する。多孔質サンプルによって仕切られた両側の空間に分子量の異なるガスをそれぞれ供給し、両空間の全圧とガス濃度を時系列で測定することで多孔質両側表面の面平均モル流束の時間変化等の情報を得る。初年度は水素-窒素系において全圧差の時間変化が得られたので、R2年度はいっぽうのガスに酸素や二酸化炭素を使用することでガス濃度の時間変化をあわせて測定する。そのために初年度の実験装置で得たノウハウを活かし、改良版の実験装置を設計・作製する。前年度に確立した多孔質サンプルの作製プロセスによって、造孔材の粒子径と量が異なる種々の多孔質サンプルを自作して実験に供する。また、実験後の多孔質体について、その３次元微構造をFIB-SEMで観察するこで構造データを取得し、空隙率、比表面積密度、屈曲度ファクター等の微構造パラメータを定量化する。FIB-SEMによる詳細な３次元構造解析はそのプロセスに時間がかかることから、大面積の２次元SEM画像をもとに構造を簡易的に推定する手法の確立にも取り組む。次年度に本格的に取り組む計画であるガス拡散の数値解析に繋げるため、そのプログラム開発を開始する。
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