12) バイオガス SOFC 用燃料極の流路加工技術に関する研究
平成 24 年度 JST 公募研究－研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）

古田祥知子
小型彫刻機を用いたバイオガス直接供給SOFCへの流路加工において、流路形成プロセスを最適化させるため、切削回数、被切削材の種類（生シート・仮焼シート・焼成シート）と工具の摩耗状況、焼成体の精度について評価を行った。生シートを切削した場合、ある一定枚数を超えると急激に工具の摩耗が進行し、切削面に負荷がかかって焼成時にセルの変形を誘発する要因となったが、仮焼シートを切削した場合には工具の摩耗が起こりにくく、焼成時のセルの変形量は小さくなった。

1. はじめに業製バインダーYB-154S）12%、水 20.5%加えて坏土を調バイオガス直接供給型 SOFC は、次世代の高効率燃料製し、厚さ 1.2mm のシート状に押出成形した。シートは乾電池として有望であるが、燃料ガス入口側で局所的に生燥コンベアを通した後、石膏ボードで上下から挟み、室温じるメタン改質反応時の強い吸熱効果によりセルに温度でゆっくりと乾燥させて生シートを作製した。乾燥後のシ勾配が生じ、耐久性が低下してしまうという問題がある。こート厚みは 1.1 ㎜となっていた。これを 65mm 角（R3mm）

れを解決するため、これまで我々は、NiO-YSZ 系の平板に切り出し、切削試験用の生シートとした。これを 1050℃

型燃料極表面にガス流路を施すことで吸熱反応が生じるで仮焼したもの、さらに 1400℃で焼成したものをそれぞ部位を分散させ、セルの温度勾配を緩和できるという可能れ切削試験用の仮焼シート、焼成シートとした。

1)性を見出した 。しかしながら、流路を形成したセルでは、流路を施した部位の裏側の面に凹みが生じてしまうという2.2 切削試験及び評価プロセス上の問題が生じた。今後、単セルの試験から次日進エンドミル MSRS230-R02（材質：超硬、刃数：2 枚、のステップであるスタックセルに進展させ、電池システム

刃径：3mm、先端 R：0.2mm）を用い、Roland 社製小型彫刻を構築していく上では流路付セルの精度を向上させるこ機 EGX350 で切削試験を行った。とが必要である。

生シート及び仮焼シートの切削試験用の流路パターン

本研究では、流路付新規燃料極材料の開発において、としては、幅7mm、長さ24mmの長方形（R4mm）を6か所、流路形成プロセスを精査し、精度を高めることで、スタック深さ 0.5mm で切削する溝パターン（図1）を用いた。これら化への展開可能な流路付燃料極材料の成形・加工技術の試験用シートを切削加工し、加工枚数の増加に伴うエを確立する。このことによりバイオガス直接供給型の燃料ンドミル先端の摩耗状況、切削後シートの表面及び断面電池の実現を目指す。

をデジタルマイクロスコープで計測した。
7mm

2. 実験方法
2.1 切削試験用アノードシート作製
切削試験用のアノードシートには、生シート、仮焼シート、焼成シートの 3 種類を用いた。アノードシート材料として

12mm
24mm

は、第一稀元素製イット リア安定化ジルコ ニア（8mol%Y2O3-92mol%ZrO2、以下 YSZ）と関東化学製特級酸化ニッケル（NiO）を質量比で 56:44 に配合したものを用いた。原料である NiO-YSZ 粉末に対し、増孔材（綜研化学製アクリルパウダーMX-500）を 15%、成形助剤（ユケン工

佐賀県窯業技術センター 平成２５年度 研究報告書

図 1 生シート及び仮焼シート用の切削試験パターン．

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生シートで切削試験を行った試料は 1050℃で仮焼し、

図 3 は生シートを 20 枚切削した後のエンドミルの先端切削面と反対側の面に電解質（YSZ）をスクリーン印刷しての状態を使用前と比較したものである。使用後のエンドミ

1400℃で焼成を行った後に流路加工部の焼成変形をデルは刃先が大きく摩耗し、丸くなっていた。デジタルマイジタルマイクロスコープで計測し、加工枚数、工具摩耗量

クロスコープで計測した刃先部外周の摩耗部分の長さとと焼成変形との関係を調べた。仮焼シートで切削試験を刃幅の比から、生シートを1～30枚切削したときのエンドミ行った試料についても 1400℃で焼成を行ったのちに同じル先端の摩耗量の変化を追跡した（図 4）。切削枚数が 15

くデジタルマイクロスコープで変形量を計測し、加工枚数、枚を超えた付近から刃先の摩耗量は急激に増加している

工具摩耗量と焼成変形との関係を調べた。のがわかる。これは、刃先の摩耗が進行すると、エンドミ

1400℃焼成シートの切削試験には幅 5 mm、長さ 18mm

ル先端がシート表面を押さえつけながら移動していくことの長方形（R3mm）を 6 か所、深さ 0.5mm で切削する溝パで、摩擦によってさらに摩耗が加速される結果につながターンを用い、切削後シートの表面をデジタルマイクロスったと考えられる。

コープで観察した。
使用前

切削後

3. 結果と考察
3.1 生シートにおける切削試験
生シートの切削枚数切削部の表面状態と工具の摩耗量及び焼成後の変形の関係を調べた。
図2 は切削した生シートの 1 枚目、10 枚目、20 枚目、30枚目の表面の拡大画像である。エンドミルが新しい状態である切削 1 枚目ではエンドミルが回転して面を削りなが摩耗部分ら進行していく軌跡がはっきりと観察され、溝の外周部分もシャープである。しかし切削回数が増えるにつれて表面層が剥離している様子が観察される。これは、刃先が刃幅摩耗して切削力が弱くなると、柔軟性のあるシート表面をエンドミルが押さえつけながら移動していくため、潰され

図 3 生シートを 20 枚切削したエンドミルの先端の拡大画像
及び使用前エンドミルとの比較．

た表面層が剥離しているものと考えられる。さらに切削 30枚目になると、溝の外周部分にもささくれが目立つようになった。
切削1 枚目

切削 10 枚目

切削 20 枚目

切削 30 枚目

図 4 生シートを 1～30 枚切削したエンドミルの摩耗量（刃幅に対する摩耗部分の長さの割合）の変化．

切削 1 枚目と 20 枚目の生シート及び焼成後シート断面
図 2 切削した生シートの表面．

56を図 5 に示す。切削 1 枚目のシートでは切削条件どおり

佐賀県窯業技術センター 平成２５年度 研究報告書

0.5mm 切削されているのに対し、20 枚目では同じ設定値

がって急激に切削力が弱くなり、焼成時のシートの変形であるにかかわらず、所定の切削深さが得られておらず、の要因となることが分かった。なお、エンドミルの形状、回エンドミル先端の摩耗により切削力が低下したことが明ら

転速度や送り速度を変化させた切削試験も実施したが、かとなった。また切削 1 枚目のシートでは焼成後の変形エンドミルの消耗の早さ及びシートの変形の傾向に大きがほとんど見られないのに対し、切削 20 枚目のシートはな違いはみられなかった。

焼成後、切削部分が反り、大きく変形していた。これは、以上のことから、生シートで加工を行う場合には、摩耗

摩耗の進行したエンドミル先端が切削面を押さえつけなが進行する前にエンドミルを交換し、常に刃先を良好ながら移動していったためにシート内部に歪みが残り、焼成状態に保っておく必要があるといえる。本試験におけるシ時に変形が生じたものと考えられる。切削部中央の反り上ート一枚当たりの切削時間は約 10 分であり、工具刃先をがり高さをデジタルマイクロスコープで計測し、切削枚数良好に保つためには切削 15 枚、好ましくは 10 枚程度、の増加による変化を追跡したところ、切削枚数が 15 枚を即ち 100～150 分間の切削ごとにエンドミルを交換する必

超えた付近から変形量が急激に増加し、切削枚数が 30要があり、コストの面から決して好ましいプロセスとは言え枚になると約 300μm の変形が生じた（図 6）。またこれはない。

エンドミルの摩耗量変化の傾向と一致していた。
1 枚目
切削後

20 枚目
切削後

3.2 仮焼シートにおける切削試験
1050℃仮焼後に切削試験を行ったシートの、10 枚目と20 枚目切削断面及び焼成後の断面を図 7 に示す。
10 枚目

焼成後

20 枚目

切削後切削後焼成後焼成後焼成後

図 5 切削した生シート 1 枚目、20 枚目の断面及び1400℃焼成後の断面．
図 7 切削した仮焼シート 10 枚目、20 枚目の断面及び1400℃焼成後の断面．

生シートで加工を行った時と異なり、20 枚目の切削でも所定の深さが得られており、焼成後の変形も非常に小さかった。切削枚数と焼成後シートの変形量の関係を図 8 に示す。切削枚数が増加するにつれ、徐々に変形量が大きくなる傾向にはあるが、50 枚切削後でもシート変形量は約 25～30μm 程度であった。これは、柔軟性をもたない
図 6 生シートの切削枚数の増加に伴う焼成変形量の変化．

仮焼シートでは、切削時にエンドミルの先端でシート表面が圧迫されて潰れることがないためと考えられる。また、

このように、生シートは柔軟性のある素材でハンドリングエンドミルの摩耗量も小さく、50 枚切削後でも約 40%であに優れるという利点はあるが、エンドミルの摩耗は比較的った（図 9）。この仮焼シートの曲げ強度は 6.3MPa と小さ

早く、摩耗したエンドミル先端がシートを押さえつけながらいので、原料粒子同士の結合力が弱く、容易に切削でき移動することになるため、切削枚数が増加してくるにしたるためにエンドミルの摩耗量も少なかったと考えられる。

佐賀県窯業技術センター 平成２５年度 研究報告書57このように、仮焼後シートでの切削加工は生シートの加1 枚目3 枚目工と比較してエンドミル先端の摩耗が少なく、長時間にわたって切削力が維持されるため歪みのない平滑なシートを安定的に得ることが可能であり、プロセスとしては仮焼後に切削加工を行う方が好ましいといえる。但し、仮焼後図 10 1400℃焼成後のシートを切削した時の表面．

シートは多孔質であり曲げ強度が小さいので、ハンドリングには十分注意する必要がある。

4. まとめバイオガス直接供給 SOFC 開発のため、小型彫刻機を用いた流路加工プロセスを検証し、以下の結論を得た。
生シート段階の切削加工では、作業性は優れているが、エンドミルの摩耗の進行が早く、加工精度の低下が早かった。仮焼シート段階の切削加工では、50 枚以上の切削後でもエンドミルの摩耗は小さく、焼成後の変形も 25～30μm に抑えられた。但し仮焼シートは強度が小さいため、ハンドリングには十分注意する必要がある。焼成後シートの切削は負荷が非常に大きく、実質的に加工を実施する

図 8 仮焼シートの切削枚数の増加に伴う焼成変形量の変化．

ことは困難であった。
本研究成果により、バイオガス直接供給 SOFC セルの製作時に問題となっていたセルの変形を抑えるための加工プロセスの適正化を行うことができた。今後はバイオガ
ス直接供給するためのセル構造の最適化を進め、技術移転可能な企業との連携も視野に入れながら、公的な研究開発支援制度を活用した共同研究体制を構築することを目指す予定である。

謝辞
本研究は平成 24 年度研究成果展開事業研究成果最適図 9 仮焼シート切削時のエンドミル先端の摩耗量の変化．

展開支援プログラム【FS】ステージにより JST の委託研究事業として実施しました。研究の実施に関して多大なご助

3.3 焼成シートへの流路加工言をいただきました佐賀県地域産業支援センターの安田最終焼成を行った後のシートへの流路加工を試みた。

誠二科学技術コーディネータに厚く御礼申し上げます。

切削試験後のシート表面を図10 に示す。切削部は黒く着

また、研究の遂行に関して多大なご指導をいただきまし

色して表面の荒れが目立ち、溝形状にも歪みが見られた。

た九州大学の白鳥祐介准教授に厚く御礼申し上げます。

さらに、切削時の負荷によりモーターが自動停止する状

また関連の事務手続きにご指導いただきました JST の担況が頻繁に生じた。他の種類の超硬製エンドミルでも切当者の方々に感謝申し上げます。

削を試みたが同様の結果であった。このように、超硬素材の工具を用いた場合でも、焼成後シートで安定的に加工

参考文献を実施することは困難であった。

1) 佐賀県窯業技術センター平成 24 年度研究報告書,
1-5 (2013).

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佐賀県窯業技術センター 平成２５年度 研究報告書