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2020 年度 実施状況報告書

固体酸化物形燃料電池/電気分解リバーシブルセル電極性能劣化メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K14663
研究機関東京農工大学

研究代表者

志村 敬彬  東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (70814143)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード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
研究実績の概要

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.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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.

今後の研究の推進方策

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.

次年度使用額が生じた理由

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.

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Ni-GDC and Ni-YSZ electrodes operated in solid oxide electrolysis and fuel cell modes2021

    • 著者名/発表者名
      SCIAZKO Anna、SHIMURA Takaaki、KOMATSU Yosuke、SHIKAZONO Naoki
    • 雑誌名

      Journal of Thermal Science and Technology

      巻: 16 ページ: JTST0013

    • DOI

      10.1299/jtst.2021jtst0013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiscale microstructural evolutions of nickel-gadolinium doped ceria in solid oxide fuel cell anode2020

    • 著者名/発表者名
      Sciazko Anna、Komatsu Yosuke、Shimura Takaaki、Shikazono Naoki
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 478 ページ: 228710~228710

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2020.228710

    • 査読あり
  • [学会発表] LSM/YSZコンポジット電極の三次元構造を用いた電気化学シミュレーションと酸素同位体分布の比較による電極内反応メカニズムの検証2020

    • 著者名/発表者名
      志村 敬彬,長澤 剛,鹿園 直毅,花村 克悟
    • 学会等名
      第29回SOFC研究発表会
  • [学会発表] 酸素同位体ラベリングと三次元簿構造観察を組み合わせたLSM/YSZ コンポジット電極の反応場分布解析2020

    • 著者名/発表者名
      長澤 剛,志村 敬彬,鹿園 直毅,花村 克悟
    • 学会等名
      第29回SOFC研究発表会講演要旨集
  • [学会発表] Distribution of Electrochemical Reaction Sites in SOFC Composite Cathode Based on Isotope Labeling Coupled with Three-dimensional Electrochemical Simulation2020

    • 著者名/発表者名
      Shimura, T., Nagasawa, T., Shikazono, N. and Hanamura, K
    • 学会等名
      14th European SOFC and SOE Forum
    • 国際学会
  • [学会発表] Evolutions of microstructure and performance of Ni-GDC and Ni-YSZ fuel electrodes under reversible operation2020

    • 著者名/発表者名
      Sciazko, A., Shimura, T., Komatsu, Y. and Shikazono, N
    • 学会等名
      14th European SOFC and SOE Forum
    • 国際学会
  • [学会発表] 酸素同位体ラベリングと三次元微細構造解析を用いた固体酸化物燃料電池コンポジット空気極の活性反応場の評価2020

    • 著者名/発表者名
      志村敬彬,長澤 剛,鹿園直毅,花村 克悟
    • 学会等名
      第57回日本伝熱シンポジウム

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公開日: 2021-12-27  

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