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

• 研究課題/領域番号: 24686017
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 一永 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50422077)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 26,520千円 (直接経費: 20,400千円、間接経費: 6,120千円); 2014年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2013年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円); 2012年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
• キーワード: 固体酸化物燃料電池 / メカノエレクトロケミストリー / 性能 / 信頼性 / 耐久性 / 不定比性 / 化学ポテンシャル / その場観察 / 機械・電気・化学連成効果 / ナノ欠陥 / 高信頼性 / 高性能 / 機械・電気・化学的連成効果 / 酸素不定比性 / 酸素ポテンシャル / 応力解析 / 非破壊検査 / 環境強度

研究成果の概要

本研究では，固体酸化物燃料電池の構成材料であるセリア，ジルコニア系材料の力学電気化学(Mechano-electro-chemistry（メカノエレクトロケミストリー）:MECh) 特性に関する研究を中心に遂行した．特に,運転条件である酸化/還元勾配下での電池やスタックの機械的特性を実験・計算科学の両面から予測することに成功した．応力・変形解析では化学誘起膨張による応力を解析することに成功し，破壊の起点を簡便に知ることができた．本研究での目的である力学・電気化学連成効果を正確に予測することに成功し，研究の目的を達成できた．また，アクチュエータをはじめとする分野に応用展開を見いだすことができた．

研究成果

• [雑誌論文] Multi-nanoparticle model simulations of the porosity effect on sintering processes in Ni/YSZ and Ni/ScSZ by the molecular dynamics method (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Xu,, S. Bai, Y. Higuchi, N. Ozawa, K. Sato, T. Hashida, M. Kubo
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 3 号: 43 ページ: 21518-21527
  • DOI: 10.1039/c5ta05575j
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High Temperature Strength and Elastic Properties of Doped Ceria under Various Oxygen Partial Pressures Electrolyte Materials, Fabrication and Performance (2015)
  • 著者名/発表者名: T.Taguchi, S. Watanabe, K. Sato, T. Hashida
  • 雑誌名: ECS Trans 巻: 68 ページ: 375-385
  • 査読あり
• [雑誌論文] Different behavior of Young’s modulus and fracture strength of CeO2: Density functional theory calculations (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Sakanoi, T. Shimazaki, J. Xu, Y. Higuchi, N. Ozawa, K. Sato, T. Hashida, M. Kubo
  • 雑誌名: THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 巻: 140 号: 12 ページ: 121102-121102
  • DOI: 10.1063/1.4869515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure and thermal expansion behavior of oxygen stoichiometric lanthanum strontium manganite at high temperature (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshikazu Shirai, Shin-ichi Hashimoto, Kazuhisa Sato, Keiji Yashiro, Koji Amezawa, Junichiro Mizusaki, Tatsuya Kawada
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: 256 ページ: 83-88
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.12.042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermo-chemical lattice expansion in La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3-delta (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Kuhn, S. Hashimoto, K. Sato, K. Yashiro, J. Mizusaki
  • 雑誌名: SOLID STATE IONICS 巻: 241 ページ: 12-16
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.03.023
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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) Materials (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Kuhn, Y. Fukuda, S. Hashimoto, K. Sato, K. Yashiro, J. Mizusaki
  • 雑誌名: JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 巻: 160 号: 1 ページ: F34-F42
  • DOI: 10.1149/2.050301jes
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen nonstoichiometry and thermo-chemical stability of La0.6Sr0.4CoO3 (-) (delta) (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Kuhn, S. Hashimoto, K. Sato, K. Yashiro, J. Mizusaki
  • 雑誌名: JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY 巻: 197 ページ: 38-45
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2012.08.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulation of Ni Nanoparticles Sintering Process in Ni/YSZ Multi-Nanoparticle System (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Xu, , R. Sakanoi, Y. Higuchi, N. Ozawa, K. Sato, T. Hashida, M. Kubo
  • 雑誌名: JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C 巻: 117 号: 19 ページ: 9663-9672
  • DOI: 10.1021/jp310920d
  • 査読あり
• [雑誌論文] SOFCの耐久性.信頼性向上のための構成材料の機械的基礎物性研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一永、渡辺智、雨澤浩史、川田達也、橋田俊之
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 48[3] ページ: 159-164
  • NAID: 10031155646
  • 査読あり
• [雑誌論文] 固体酸化物形燃料電池材料の機械的特性の in situ 測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 雨澤浩史,佐藤一永,橋田俊之,川田達也
  • 雑誌名: 熱測定(Netsu Sokutei) 巻: 40 ページ: 23-29
  • 査読あり
• [学会発表] Mechanical and Thermal Properties of Anode Materials for SOFCs under Redox Cycle Conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuhisa SATO
  • 学会等名: 13th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells (SOFC): Materials, Science and Technology
  • 発表場所: USA、デイトナビーチ
  • 年月日: 2016-01-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 燃料電池における高温強度研究の必要性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一永
  • 学会等名: 材料学会高温強度部門委員会
  • 発表場所: 米沢、山形大学工学部
  • 年月日: 2015-05-22
  • 招待講演
• [学会発表] 固体電池開発における高温その場観察と情報処理技術の必要性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一永
  • 学会等名: 安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測技術シンポジウム
  • 発表場所: 那覇（青年会館）
  • 年月日: 2015-03-16
  • 招待講演
• [学会発表] 固体酸化物形燃料電池における酸素不定比性酸化物の 高温・酸素分圧制御下における強度特性変化に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田口昂宏
  • 学会等名: 日本機械学会東北支部 第50期総会・講演会
  • 発表場所: 仙台（東北大学）
  • 年月日: 2015-03-13
• [学会発表] Stress Variations of Solid Oxide Fuel Cells under Operating Conditions (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazuhisa SATO
  • 学会等名: 2015 ELyt lab Workshop
  • 発表場所: 松島（松島センチュリーホテル）
  • 年月日: 2015-02-19 – 2015-02-21
• [学会発表] Comparison between effects of aerial oxidation and electrochemical oxidation of Ni for Ni-YSZ cermets (2015)
  • 著者名/発表者名: Michiyoshi Sato
  • 学会等名: 2015 ELyt lab Workshop
  • 発表場所: 松島（松島センチュリーホテル）
  • 年月日: 2015-02-19
• [学会発表] Nano-scale Design of Solid Oxide Fuel Cells for Improvement of Reliability and Durability (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuhisa SATO
  • 学会等名: Nano-S&T 2014 - BIT's 4th Annual World Congress of Nano Science & Technology 2014 for Nano Science & Technology
  • 発表場所: 青島
  • 年月日: 2014-10-31
  • 招待講演
• [学会発表] 固体電池の開発における材料強度学と情報科学の必要性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一永
  • 学会等名: 最先端電池基盤技術コンソーシアム燃料電池分科会セミナー
  • 発表場所: 仙台（東北大学）
  • 年月日: 2014-10-03
  • 招待講演
• [学会発表] 発電環境下における固体酸化物燃料電池の応力変化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 榎本翔太
  • 学会等名: 日本機械学会 2014年度年次大会
  • 発表場所: 東京（東京電機大学）
  • 年月日: 2014-09-09
• [学会発表] 信頼性向上のための全個体電池のその場観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一永
  • 学会等名: 日本機械学会M&M2014カンファレンス
  • 発表場所: 福島（福島大学）
  • 年月日: 2014-07-21
• [学会発表] 固体酸化物燃料電池における不定比性酸化物の力学的特性解明に関する研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田口昂宏
  • 学会等名: 資源素材学会東北支部春季大会
  • 発表場所: 仙台（東北大学）
  • 年月日: 2014-06-17
• [学会発表] Mechanical Analysis to Improve Reliability and Durability of Solid oxide fuel cells (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuhisa SATO
  • 学会等名: ELyT Workshop 2014
  • 発表場所: フランス、フレジュス
  • 招待講演
• [学会発表] 固体酸化物燃料電池用構成材料の機械的基礎物性研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一永
  • 学会等名: 日本熱測定学会第49解熱測定討論会
  • 発表場所: 千葉
  • 招待講演
• [学会発表] Evaluation of Elastic and Strength Properties of Ni-YSZ cermets for Solid Oxide Fuel Cells under Redox Cycling (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhisa SATO
  • 学会等名: 13th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells
  • 発表場所: 沖縄
• [学会発表] 機能性酸化物の酸素不定比性ならびに導電特性変調に対するひずみ効果 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一永
  • 学会等名: 日本機械学会2013年度年次大会大会
  • 発表場所: 岡山