2020 Fiscal Year Research-status Report
Degradation mechanism of solid oxide cell electrodes during reversible operation between fuel cell and electrolysis cell modes
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20K14663
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
志村 敬彬 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (70814143)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 固体酸化物形燃料電池 / 固体酸化物形電解セル / 三次元電極微細構造 / 格子ボルツマン法 / 酸素同位体交換 / 二次イオン質量分析法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体酸化物形セルの燃料電池(SOFC)および電気分解(SOEC)モードのリバーシブル運転における劣化メカニズムの解明を目的とし，電極の実構造の三次元定量評価と，それを用いた数値計算を行った．100時間のリバーシブル運転を，燃料極の代表的材料であるNi-YSZおよびNi-GDCコンポジット電極で行い，運転後の電極構造を用いて集束イオンビーム-走査型電子顕微鏡を用いて連続断面画像を取得した．今後，得られた連続断面画像を画像処理することにより，Ni，YSZまたはGDC,空隙の三相に区別し，三次元電極構造の定量評価を行う予定である．また，代表的な空気極材料であるLSM-YSZコンポジット電極の三次元微細構造を用いて，実電極内部の電気化学反応を再現する数値計算を行った．数値計算には格子ボルツマン法を用い，本計算ではLSM内部のイオン伝導率が電極内部の反応に依存することをモデル化して計算コードに付加した．以前に同一の電極を用いて750℃における運転中に行った酸素同位体交換試験の結果を比較し，実際の電極においては電極内部における化学反応は不均一に分布して起こっていることが示唆される一方，数値計算の結果からは不均一な分布は見られなかった．今後，計算によって求められた運転状態の電極内部のポテンシャル分布を用いて，同位体の拡散を数値計算により再現し，実験で得られた同位体分布と直接比較することにより，実電極における反応メカニズムをさらに検証する予定である．
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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
2020年度は関連研究室の活動レベルの制約のため，リバーシブル運転における運転温度やガス条件などを系統的に変化させる実験を行うことが出来なかった．代わりに，本研究テーマに関連するすでに計測済みであった実験の検証のための準備を進めた．一方，同位体交換試験に基づく反応メカニズムの解明は順調に進めることができている．今後の研究実施期間で，必要な実験を行うことは十分可能であると考えており，本研究の目的達成には支障ないと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度以降は実験も再開できる見通しが立っており，当初計画していたNi-YSZおよびNi-GDC燃料極のリバーシブル実験を徐々に実施する予定である．様々な条件で運転を行い，電気化学性能データを取得した後，電極の三次元微細構造を再構築し，構造パラメータの定量評価を行う．また，リバーシブル運転後の電極構造を用いた電気化学数値計算を実施するために格子ボルツマン法の計算コードの改造を行い，電極劣化メカニズムの検証を行う．また，LSM-YSZ空気極の反応メカニズムの検証のため，同位体拡散計算を行う予定である．
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| Causes of Carryover |
2020年度は，共同実施機関の活動レベルの制約のため，予定していた実験，計測を十分に行うことができなかった．また，参加を予定していた国際会議がオンライン開催に切り替えられた．このような理由から，交付額を全て執行するに至らなかった．
2021年度からは，実験を再開し，新たな計測条件における実験を計画している．昨年度の繰り越し分と合わせ，主に実験に関係する消耗品や，外部機関の装置利用費を予定している．また，新たな計測装置の購入を予定している．また，オンライン開催の国際会議の参加費に支出を予定している．
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Research Products
(7 results)
