SOFC長寿命化に貢献する強弾性構成モデルの提案と次世代型燃料電池設計指針の確立

• 研究課題/領域番号: 16K17977
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 慶應義塾大学 (2018); 東北大学 (2016-2017)
• 研究代表者: 村松 眞由 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (20609036)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2016年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: SOFC / 強弾性 / Phase-field / 固体酸化物燃料電池 / 均質化法 / 機械材料・材料力学

研究成果の概要

本研究では，固体酸化物燃料電池(SOFC)の空気極となるランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)の微視組織の発展を考慮し，SOFCにおける強弾性現象を表現可能な数理モデルを開発した．Phase-field場と変形場の連成解析プログラムを実装し，マクロな力学特性を算出するとともに，外部応力場において形成される組織に関する考察も行った．また，多結晶材料における解析を実施した．その結果初期核生成サイトおよび結晶方位に依存して異なるバリアントおよび方位のラメラ組織が形成される様子を再現した．さらに連成型均質化法における解析より，強弾性相の成長中に生じるマクロ変形を示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでのSOFC性能評価にはもっぱら熱力学的もしくは電気化学的解析が行われてきたが，SOFC長期健全性予測のためには，長期稼動中の組織変化を考慮した変形シミュレーションこそが必要な数値解析となる．本研究は，実験に基づいて材料ダイナミクスレベルで強弾性の構成モデルを提案した．本解析技術によって，強弾性による特異な力学挙動が反映された長期耐久性解析結果を得ることができると予想され，次世代SOFC設計の指針策定がより簡便になる．これはSOFC内で生じる現象を明らかとする基礎研究の点でも，次世代SOFCの耐久性向上においても大きな意義があると考えている．

研究成果

• [雑誌論文] Simulation of Ferroelastic Phase Formation Using Phase-field Model (2018)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M., Yashiro, K., Kawada, T. and Terada, K.
  • 雑誌名: International Journal of Mechanical Sciences 巻: - ページ: 462-474
  • DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2017.12.027
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent Achievements of NEDO Durability Project with an Emphasis on Correlation Between Cathode Overpotential and Ohmic Loss (2017)
  • 著者名/発表者名: Yokokawa, H., Hori, H., Shigehisa, T., Suzuki, M., Inoue, S., Suto, T., Tomida, K., Shimazu, M., Kawakami, A., Sumi, H., Ohmori, M., Mori, N., Iha, T., Yamaji, K., Kishimoto, H., Develos-Bagarinao, K., Sasaki, K., Taniguchi, S., Kawada, T., Muramatsu, M., Terada, et al.
  • 雑誌名: Fuel Cells 巻: 17 号: 4 ページ: 473-497
  • DOI: 10.1002/fuce.201600186
  • 査読あり
• [雑誌論文] 板状デバイスの非線形マルチスケール解析に対する数値平板試験 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤維美，村松眞由，松原成志朗，西紳之介，寺田賢二郎，八代圭司，川田達也
  • 雑誌名: 土木学会論文集Ａ２（応用力学） 巻: 73 号: 2 ページ: I_283-I_294
  • DOI: 10.2208/jscejam.73.I_283
  • NAID: 130006329822
  • ISSN: 2185-4661
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shape Deformation Analysis of Anode-supported Solid Oxide Fuel Cell by Electro-chemo-mechanical Simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M., Sato, M., Terada, K., Watanabe, S., Yashiro, K., Kawada, T., Iguchi, F. and Yokokawa, H.
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 319 ページ: 194-202
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2018.01.027
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Simulation of Ferroelastic Phase Formation by Using Phase Field Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M., Kawada, T. and Terada, T.
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 巻: 725 ページ: 208-213
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.725.208
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical simulations of non-stationary distributions of electrochemical potentials in SOFC (2017)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M., Yashiro, K., Kawada, T. and Terada, K.
  • 雑誌名: Engineering Computations 巻: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation Technology on SOFC Durability with an Emphasis on Conductivity Degradation of ZrO2-base Electrolyte (2017)
  • 著者名/発表者名: Yokokawa, H., Kishimoto, H., Yamaji, K., Muramatsu, M., Terada, K., Yashiro, K. and Kawada, T.
  • 雑誌名: Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage 巻: 14 号: 1
  • DOI: 10.1115/1.4036038
  • 査読あり
• [雑誌論文] 汎用 FEM ソフトウェアをプラットフォームとする固体酸化物形燃料電池の非定常電気化学-力学連成解析システムの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤維美，村松眞由，寺田賢二郎，渡辺智，八代圭司，川田達也，横川晴美
  • 雑誌名: 日本計算工学会論文集 巻: 2017 号: 0 ページ: 20170004-20170004
  • DOI: 10.11421/jsces.2017.20170004
  • NAID: 130005450288
  • ISSN: 1347-8826
  • 査読あり
• [学会発表] Electrochemical Potential Simulation of Solid Oxide Fuel Cell Considering Phase Transformation of Zirconium Oxide (2018)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M., Ishiyama, T., Kishimoto, H., Yamaji, K., Yahiro, K., Kawada, T., Terada, K. and Yokokawa, H.
  • 学会等名: 6th European Conference on Computational Mechanics (ECCM 6)-7th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD 7)
  • 国際学会
• [学会発表] An Analysis of Formation of Ferroelastic Phase in Metallic Oxide LSCF in Solid Oxide Fuel Cell (2018)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M., Kawada, T. and Terada, K.
  • 学会等名: 13th World Congress on Computational Mechanics (WCCM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Substitution Approach for De-coupled Two-scale Analysis of Composite Plates (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato, M., Muramatsu, M., Terada, K., Kawada, T.
  • 学会等名: 13th World Congress on Computational Mechanics (WCCM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] A Simulation of Cubic to Rhombohedral Ferroelastic Phase Transformation of LSCF Based on Phase-field Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M.*
  • 学会等名: 4th Japanese-German Workshop on Computational Mechanics
  • 発表場所: Sendai, Tohoku university
  • 年月日: 2017-03-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A Simulation of Ferroelastic Phase Formation in LSCF Polycrystal Based on Phase-field Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M.
  • 学会等名: 5th International Conference on Material Modeling (ICMM5)
  • 国際学会
• [学会発表] A Large Scale Electro-chemo-mechanical Analysis of Solid Oxide Fuel Cell Considering Creep Deformation Under Operation (2017)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M.
  • 学会等名: 21st International Conference on Solid State Ionics (SSI2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] isualization of Potential Distribution in the YSZ Electrolyte under SOFC operation (2017)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto, H.
  • 学会等名: 21st International Conference on Solid State Ionics (SSI2017)
  • 国際学会
• [学会発表] A Simulation of Ferroelastic Phase Formation by Using Phase-field Model (2016)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M.*, Kawada, T. and Terada, K.
  • 学会等名: 13th Asia-Pacific Symposium on Engineering Plasticity and Its Applications
  • 発表場所: Hiroshima, Higashi Hiroshima Arts & Culture Hall Kurara
  • 年月日: 2016-12-05
  • 国際学会
• [学会発表] 固体酸化物燃料電池材料LSCFの相変態-変形連成シミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 村松眞由*, 八代圭司, 川田達也, 寺田賢二郎
  • 学会等名: 第29回日本機械学会計算力学講演会
  • 発表場所: 名古屋, 名古屋大学
  • 年月日: 2016-09-22
• [学会発表] An Analysis of Formation of Ferroelastic Phase in Metallic Oxide LSCF in Solid Oxide Fuel Cell (2016)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M.*, Kawada, T. and Terada, K.
  • 学会等名: 12th World Congress on Computational Mechanics
  • 発表場所: Korea, Coex Convention & Exhibition Center
  • 年月日: 2016-07-29
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochemical Potential Analysis of Solid Oxide Fuel Cell Based on Reaction-diffusion Equations Considering Phase Transformation of Zirconium Oxide (2016)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, M.*, Kishimoto, H., Yamaji, K., Yahiro, K., Kawada, T., Terada, K. and Yokokawa, H.
  • 学会等名: VII European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering
  • 発表場所: Greece, Creta Maris Conference Centre
  • 年月日: 2016-06-06
  • 国際学会
• [学会発表] 強弾性相の発展を伴うLSCFのマルチスケールシミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 村松眞由* 川田達也, 寺田賢二郎
  • 学会等名: 第21回計算工学講演会
  • 発表場所: 新潟, 朱鷺メッセ 新潟コンベンションセンター
  • 年月日: 2016-06-01