| 研究課題/領域番号 |
26420154
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| 研究機関 | 北九州市立大学 |
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研究代表者 |
泉 政明 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (50336939)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 燃料電池 / 物質移動 / 水素濃度 / レーザ干渉法 |
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| 研究実績の概要 |
固体酸化物形燃料電池（SOFC）の利便性と発電効率を高めるためには電力負荷追従性が求められる。しかし急激な負荷増加は燃料極にダメージを与える恐れがある。本研究では、急激な負荷変動時に発生する燃料極側の水素濃度分布の時間的変化を、燃料ガス流動場および燃料極内部の両方で同時計測し、水素ガス移動機構を明らかにする。その上で電気化学反応場の燃料極にダメージを与える負荷変動速度および供給水素流量等の限界条件を検討する。
平成26年度は、燃料極支持式SOFCの燃料ガス流動場の水素濃度分布をレーザ干渉法で計測する手法を構築した。具体的な内容および成果を下記する。
（１）SOFC発電実験装置の設計・作製
SOFCの作動温度である800～1000℃の温度場で、レーザ干渉による水素濃度計測を可能にするための発電実験装置を設計し作製した。SOFCの燃料極側に水素ガスを、また空気極側に空気を供給しつつ、レーザ光を測定部である燃料極表面近傍に入射し外部に取り出せるSOFCセッティング治具を設計し作製した。また、この治具全体の温度を維持する電気炉を作製した。
（２）レーザ干渉光学系の準備
水素濃度計測のためのレーザ干渉光学系（マッハ・ツェンダー干渉法）を組み立てた。レーザ光を測定に必要な直径約5mmまでレンズで拡大した後、ハーフミラーで2本のビームに分け、1本は測定部を通し、もう1本は温度、圧力、ガス組成が一定の光路を通して、再び2本のビームをハーフミラーで重ね合わせる。測定部の屈折率が均一な場合は、重ね合わせると等間隔で平行な直線の干渉縞が現れる。測定部にガス濃度の分布が発生すると、この干渉縞が移動すると共に変形を起こす。この干渉縞がガスの密度変化により移動することを室温において確認した。
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| 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
SOFC発電実験装置を設計・作製し、800℃まで昇温できることを確認した。また、SOFCの燃料ガス流動場の水素濃度分布をレーザ干渉法で測定するための光学系を組み立てた。室温においてであるが、ガスの密度変化時の干渉縞の移動を確認した。これらの実績から当初設定した目標をおおむね達成したと判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度は、燃料極支持式SOFCの燃料極内部の水素濃度計測法を構築する。具体的内容を下記する。
本計測法はセンサを燃料極内部に挿入してその部分の酸素濃度を測定し、この酸素分圧から水素濃度を求める方法である。センサ部と参照部（濃度一定）との間の電位差はこの両部の酸素の化学ポテンシャルの差、つまり両酸素分圧比の関数で表わされる。参照部の水素濃度を一定に保つことにより、この電位差を測定すればセンサ部の酸素分圧が求まる。センサは白金を核とし、その周囲を酸化ジルコニウムで覆った構造とし、燃料極の厚さ方向の種々の位置に埋設する。センサは直径約70μmとし、電気化学反応およびガス拡散に影響を及ぼさないよう配慮する。このセンサで測定した水素濃度の妥当性は、数値解析により求めた値と比較し検証する。
最終年度（平成28年度）は、レーザ干渉法による燃料ガス流動場の水素濃度計測と、センサによる燃料極内部の水素濃度計測を同時に行う。燃料ガス流動場と燃料極内部における負荷変動時の水素濃度分布の時間変化を調べ水素ガス移動機構を明らかにする。その上で電気化学反応場の燃料極にダメージを与える負荷変動速度および供給水素流量等の限界条件を明らかにする。
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