ＳＯＦＣの超高電流密度発電へむけた多孔質電極における輸送現象解明と微構造最適化

阐明 SOFC 超高电流密度发电多孔电极的输运现象和微观结构优化

• 批准号: 14J05308
• 负责人: 三好 航太
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J05308/
• 关键词: SOFC; 交換電流密度; 微細構造; FIB-SEM; LSM; 数値解析; 電気化学; 三相界面; 固体酸化物形燃料電池

SOFC(Solid oxide fuel cell)は，空気極と燃料極間の酸素ポテンシャル差で駆動する濃淡電池である。近年，FIB-SEM (Dual beam focused ion beam-scanning electron microscope)を用いてSOFC電極の微構造を3次元的に観察して微構造パラメータを抽出し，数値計算で電極性能を予測する手法が確立されつつある．しかし、その計算に必須な単位反応場あたりの交換電流密度式の情報が乏しい．そこで前年度までに一般的なSOFC空気極材料であるLSM-YSZでの単位三相界面あたりの交換電流密度を正確に見積もった．今年度は，この手法をその他の一般的な電極材料にも適用した．具体的には，一般的な燃料極材料であるNi-YSZの単位三相界面あたりの交換電流密度式とLSCFの単位二相界面あたりの交換電流密度式を定式化した．その結果，従来の式よりも正確に実験結果を再現できる式を導出することができた．さらにこの式を使用することで，空気極，電解質，燃料極で構成される単セル全体の性能を，電極の微細構造データからより正確に過電圧特性を見積もることが可能になった．これにより，電極微構造の最適設計を行う際に重要な基礎的な知見を得ることができたといえる．また，三相界面あたりの交換電流密度を求めることにより，LSMにおける二相界面あたりの反応量を見積もること，そして電極内部の過電圧等に依存するような不純物による劣化現象を詳細に見積もることができるようになった．そこで，LSMパターン電極における二相界面の影響に関する考察とLSM空気極におけるCr被毒現象の時間変化についても研究を行った．これにより電極内部でどのように劣化現象が進行しているのかが明らかになった．

SOFC（固体氧化物燃料电池）是一种利用空气电极和燃料电极之间氧势差驱动的浓差电池。近年来，人们建立了一种利用FIB-SEM（双束聚焦离子束扫描电子显微镜）三维观察SOFC电极微观结构，提取微观结构参数，并通过数值计算预测电极性能的方法。正在完成。然而，关于每单位反应场的交换电流密度方程的信息很少，而这对于该计算至关重要。因此，在前一年，我们准确估算了常见SOFC空气电极材料LSM-YSZ中单位三相界面的交换电流密度。今年，我们将这种方法应用到了其他常见的电极材料上。具体来说，我们制定了常见燃料电极材料Ni-YSZ的单位三相界面的交换电流密度方程和LSCF的单位两相界面的交换电流密度方程。因此，我们能够推导出一个比传统公式更准确地再现实验结果的公式。此外，通过使用该公式，可以根据电极的微观结构数据更准确地估计由空气电极、电解质和燃料电极组成的整个单电池的过电压特性。可以说，我们在进行电极微观结构的优化设计时获得了重要的基础知识。此外，通过确定每个三相界面的交换电流密度，可以估计LSM中每个两相界面的反应量，并详细估计取决于电极内部过电压的杂质引起的劣化现象就变成这样了。因此，我们还考虑了LSM图案电极中两相界面的影响，并研究了LSM空气电极中Cr中毒现象的时间变化。这揭示了劣化现象如何在电极内部进行。

项目成果

SOFC 用 LSM 空気極の多孔質微構造にもとづく交換電流密度の定式化

基于固体氧化物燃料电池LSM空气电极多孔微结构的交换电流密度公式

• 发表时间: 2015
• 作者: 三好航太;宮前卓磨;岩井裕;齋藤元浩;吉田英生
• 通讯作者: 吉田英生