2013 Fiscal Year Annual Research Report
水素環境誘起ナノ欠陥の材料強度学的評価の体系化と燃料電池の信頼性向上に関する研究
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24686017
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐藤 一永 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50422077)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 固体酸化物燃料電池 / 酸素不定比性 / 酸素ポテンシャル / 応力解析 / 非破壊検査 / 信頼性 |
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| Research Abstract |
本年度は昨年度の酸素欠陥ならび機械的特性の定式化に加え、第一原理計算による強度予測コードを開発した(業績4)。これにより、セリアをベースとした限られた材料ではあるが、低酸素濃度下で酸素欠陥が誘起されるセラミックスの弾性特性や破壊特性を推定するモデルを提案することができた。これにより、低酸素に加えて水分の影響も世界に先駆けて数値シミュレーションでの評価が可能となった。
また、本年度はジルコニア系、ランタンガレート系、セリア系等の様々な材料系ならびに発電・ガス環境に対応した電解質内部のポテンシャル分布を数値解析で計算した結果を簡便に可視化することに成功した。これにより、電池研究を行っている企業研究者や今後、応力解析を実施する研究者が簡単に性能ならびに信頼性・耐久性を予測することが可能になる。
加えて、前述した酸素ポテンシャル分布を利用して機械・電気化学的因子の相互作用を考慮した応力解析コードを世界に先駆けて構築することに成功した。ただし、電極反応は現段階では未完成のため、来年度に展開する。電極反応も考慮することにより、定量的な応力の議論が可能となる。
最後に、アコースティックエミッションを用いた破壊過程の追跡では、これまでの平板型ボタンセルに加えて、円筒形など様々な形状での評価も可能になり、想定以上のデータを取得することに成功した。今後、実験の結果を基に形状なども考慮した解析コードを開発する予定である。
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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
本年度は第一原理計算を基にした強度予測コードを開発することができ、 (業績4)研究計画書通りの成果を見いだすことができた。一方、産業界への応用を考えた時、まだ、限られた材料でのコードであるので、今年度は、使用される可能性のある多くの材料に拡張したい。
また、計画書作成段階では計画していなかったイオン伝導体、混合伝導体をベースとした様々な材料系ならびに各種材料系の発電状態を変えた場合の電解質内部のポテンシャル分布を可視化することに成功した。これは、計画以上の成果である。
加えて、酸素ポテンシャル分布を活用した応力解析コードを計画通りに世界に先駆けて構築することに成功した。ただし、研究を進めている段階で当初の研究計画には記載していなかった電極反応について、ポテンシャル分布をより正確に行い、定量的な議論を行うために重要であることがわかった。そのため、来年度には電極反応を考慮した解析を進める。
最後に、アコースティックエミッションを用いた破壊過程の追跡では、計画書に記載の平板型ボタンセルに加えて、円筒形など様々な形状での評価を行うことが可能になり、想定以上のデータを取得することに成功した。
全体では研究計画通りに進んでいるが、一部でそれを上回る結果が出ており、来年度は計画を大幅に上回るように研究を推進する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方針について以下に記載する。
1. 酸素不定比性を考慮した電気性能・強度予測モデルをベースに第一原理計算を中心とした性能予測コードを開発する。その際、産業界への応用を考慮し多くの材料に適用可能な万能コードに拡張したい。
2. 電池の電気的性能や応力の定量議論のため、電極反応を考慮したた解析を進める。
3. アコースティックエミッションを用いた破壊過程の追跡では、様々な形状での評価を推進する。また、能動的に破壊過程・変形や発電性能を評価する手法を開発し、燃料電池以外の分野にも応用できるような基盤を構築する予定である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初、計画していた自作の装置開発費用が大幅に圧縮することができたことと、消耗品支出も大幅に減らすことができたため、基金分を次年度に繰り越した。
当初想定していた自作装置一台を25年度に費用圧縮した分で自作装置を３台に増やす。これにより、最終年度である26年度の研究スピードを大幅に加速し、計画以上の成果を挙げる予定である。
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Research Products
(9 results)
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[Journal Article] Oxygen Nonstoichiometry and Thermo-Chemical Stability of Perovskite-Type La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3-delta (y=0, 0.2, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8, 1) Materials2013
Author(s)
M. Kuhn, Y. Fukuda, S. Hashimoto, K. Sato, K. Yashiro, J. Mizusaki
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Journal Title
JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY
Volume: 160
Pages: F34-F42
DOI
Peer Reviewed
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