2020 Fiscal Year Research-status Report
高耐熱光ファイバプローブを用いた高温燃料電池のその場レーザ分光計測と物質輸送制御
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19K04238
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
西田 耕介 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (00397043)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 燃料電池 / レーザ計測 / 吸収分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体酸化物形燃料電池（SOFC）の耐久性の向上を図るためには、実作動状態の電池内部で生じている反応や物質輸送現象を包括的に解明することが不可欠である。そこで本研究課題では、高耐熱光ファイバプローブを導入した高感度なレーザ分光計測システムを開発することにより、従来実測が困難であった高温作動環境下でのSOFCセル内の生成ガス（水蒸気、二酸化炭素）の濃度分布を高速・高精度かつin-situ（その場）で定量測定できるようにすることを目的とした。
2020年度は昨年度に引き続き、レーザ分光法により高温燃料電池内のガス濃度測定を直接行えるようにするため、「高耐熱光ファイバプローブ（第２次試作機）」の設計・製作を進めた。本プローブは１本の投光用ファイバと６本の受光用ファイバが同軸上に一体化された構造であり、ファイバ素材には1000℃でも良好な光伝送特性を有する石英ガラス系ファイバが採用されている。また、熱膨張によるプローブの破損を防ぐため、プローブ外周部の保護管には高温域でも熱膨張率が低いアルミナ管を使用している。
上記で試作した光ファイバプローブの耐熱性・耐久性を評価するため、高温環境下に設置した非発電状態SOFCセルのガス流路内における水蒸気のレーザ分光計測を実施した。セル温度を600℃まで上昇させると水分の吸収スペクトルの信号レベルが大幅に低下しているのが確認された。また、温度が700℃に達すると吸収スペクトル信号が大きく乱れ始めた。これは、プローブを構成している光ファイバ素線とファイバを被覆しているメタライズコートとの間の熱膨張率差により、ファイバの断線が発生したためと考えられる。500℃以上の高温環境下で光ファイバプローブを長期連続使用できるようにするためには、ファイバ素線のコーティング方法を見直す必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
レーザ分光法による高温燃料電池内のガス濃度測定を実現させるためには、電池内部に直接挿入することが可能な「高耐熱光ファイバプローブ」の開発が不可欠である。本研究課題では、高温環境（800℃）下で使用可能な光ファイバプローブの設計・製作を進めているが、プローブ構成材料の耐熱温度の制約により現状では耐熱性・耐久性は十分とは言い難い。プローブの設計の見直しが必要であることがから、研究はやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
高温燃料電池内の水蒸気、二酸化炭素濃度を高速・高精度かつin-situで分析する手法として、波長可変半導体レーザ吸収分光法（TDLAS法）を応用した「光ファイバプローブ型レーザガス分析システム」を開発する。この計測システムは、2019年度から開発・改良を進めてきた高耐熱光ファイバプローブを搭載しており、高温状態（800℃）で稼働している電池内部でもガス濃度の定量分析を“その場”で行うことが可能である。また、発振波長の異なる半導体レーザを切り替えるのみで複数のガス種を迅速かつ簡単にセンシングできる点に特長があり、１台の計測システムのみで反応ガスの多成分測定が行える。本研究では、高速・高感度なレーザ吸収分光法である「波長変調分光法（WMS法）」を採用し、加えて複数の出力信号を合成する独自のノイズ除去技術を導入することにより、実作動状態SOFCの狭小流路内における各ガス成分の濃度分布を100msの時間分解能かつ±1.0 mol％以内の高精度で定量測定できるようにする。それにより、供給ガス流量や電流密度等の運転条件や電池の流路形状がSOFC内のガス流動現象や反応プロセスにどのような影響を及ぼすのかを明らかにし、発電性能向上のための最適な電池構造の設計指針について議論する。
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| Causes of Carryover |
次年度（2021年度）に購入する予定である半導体レーザや光学部品等の価格が上昇しているため、今年度の助成金の一部を次年度に繰り越し、次年度の助成金と合わせて使用する計画である。
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