高靭性な固体酸化物形燃料電池の電極製造に向けた新しい設計基盤の構築
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20H02033
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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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) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 燃料電池 / 破壊 / 焼結 / シミュレーション / 固体酸化物形燃料電池 / FIB-SEM / 微細構造 / 多孔質 / ペリダイナミクス |
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| Outline of Research at the Start |
固体酸化物形燃料電池（SOFC）は，発電効率が高く，市場への浸透が本命視される一方，セラミックス積層体で構成されるため，その脆性的な破壊を防止することが重要課題となっている．本研究では，電極の室温破壊特性を予測できる，新しいシミュレーション技術の確立を目指す．具体的には，SOFC電極を対象とし，① 最新の破壊理論を用いたセラミックス積層体の破壊シミュレーション法の開発，② 収束イオンビーム－走査型電子顕微鏡を用いた積層体内部のき裂進展経路の可視化，③ 室温破壊靭性実験による計算モデルの妥当性検証，を実施する．本研究を通して，高い発電性能と高い靭性とを両立できる電極構造の提示に取り組む．
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| Outline of Annual Research Achievements |
セラミックス材料が積層化されたSOFC電極の製造において，温度変化に伴う内部応力の発生と電極破損が大きな課題となっている．しかしながら，電極は多孔体構造であるため，内部応力発生に伴う電極破損のメカニズムは十分明らかでない．そこで初年度は，SOFCで使用される電極材料の初期破壊プロセスを予測することを目的とし，研究代表者が主体となり，ペリダイナミクス法を用いた破壊解析シミュレーターの開発に着手した．具体的には，ペリダイナミクス法の一種であるordinary stateペリダイナミクスモデルを採用し，二種以上の材料を同時に扱え，かつ熱応力を予測できるシミュレーターの基礎コードを開発した．開発コードを用いて，二層構造体の熱応力変形解析を行い，従来手法である有限要素法解との変位分布の一致を確認するとともに，ペリダイナミクスモデルの定式化や設定パラメータ（力の作用距離，質点間隔など）の妥当性を明らかにした．つづいて，別シミュレーションで準備した多孔体の構造データをペリダイナミクス解析に読み込み，多孔体の熱破壊解析を実施した．多孔体の微小クラック発生箇所の特定に成功し，比較的細長いネック部分において微小クラックが発生することがわかった．
計算技術の開発と並行して，研究分担者と協力し，セラミック多孔体の破壊実験に着手した．試料は，電気炉焼結で得た，異なる密度のNiO-YSZ多孔体とした．作製した試料に対し，超微小／マイクロビッカース押し込み試験を実施し，多孔体試料の破壊特性である破壊靭性値を求めた．さらに，き裂を導入した試験片に対し，表面き裂の進展方向に垂直な断面をFIB-SEMで観察し，多孔体内部でのき裂進展経路の観察に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
計算技術の開発については，当初の予定通り，コードの基礎開発ができ，妥当性検証を進めることができた．また，本シミュレーション技術によって，多孔体の微小クラック発生箇所を予測することも確認できた．一方，実験については，コロナウイルス感染症対策の影響により，焼結基礎実験の実施や微細構造観察装置の使用が大きく制約されたため，当初予定に比べ，実験による解析結果の検証は遅れをとった．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度に引き続き，SOFC多孔体の破壊プロセスの予測モデルの構築に取り組む．令和2年度に開発したペリダイナミクス破壊解析シミュレーターを用いて，多孔体の損傷評価と破壊シミュレーションを実施する．まず，離散要素法・キネティックモンテカルロ法の解析コードを用いて，異なる製造条件の多孔体構造を多数生成する．シミュレーターで得られた多孔体構造に対し，熱破壊シミュレーションを行い，製造条件と破壊特性との関係を明らかにする．また令和3年度は，積層体の破壊プロセスの予測にも取り組む．これらの解析は研究代表者が主体となって実施する．同時に，研究分担者と協力しながら，多孔体の破壊メカニズムの解明に向けた実験を行う．SOFC材料の微小押し込み試験を実施し，多孔質焼結体にき裂を導入後，試験片断面をFIB-SEMで観察する．FIB-SEM用の試験片作製は，研究分担者所有の装置を用いつつ，研究分担者と協力しながら実施する．令和3年度は，令和2年度とは密度・空隙サイズが異なる試料を準備した後，同様の実験を行い，多孔体内部での三次元的なき裂進展メカニズムを明らかにする．得られた結果を破壊シミュレーション結果と比較し，計算と実験の整合性について考察を行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
