エネルギー資源学講座

Energy Resources

分散エネルギーシステム学分野

Distributed Energy System

Toward the development of sustainable energy system

教授 川田 達也

准教授 八代 圭司

准教授 橋本 真一

助教 村松 眞由Professor

Associate Professor

Associate Professor

Assistant Professor

Tatsuya Kawata

Keiji Yashiro

Shinichi Hashimoto

先進社会環境学専攻

サステイナブルなエネルギーシステム
実現に向けてMayu Muramatsu

electrochemical devices such as solid oxide fuel cells (SOFCs) which are the useful techniques for high efficiency energy conversion between
chemical- and electric energy. Researches on mechanical reliability of SOFCs have been performed through collaboration with other researchgroups inside and outside the university as a part of research projects. During operation of SOFCs, chemical strain as well as thermal strain
leads to macroscopic deformation of the cells and stacks, which can cause degradation of the performance and, in the worst case, destructionof the cell structures. Operando methods have been developed to observe cell deformation during startup/shutdown operations, and simulation
code was developed to evaluate the deformation based on transient chemical potential distribution inside the materials. Mechanical propertiesof the constituent materials have been measured at elevated temperatures under controlled atmospheres to be used for the simulation.

運転時セル変形のその場観察手法の整備
セル・スタックの機械的損傷のリスクの評価法として、運転状況下での単セル形状の変化を測定する手法を提案している。石英窓を有する電気炉にセルを設置し、外部に置いた種々のレーザー変位計を用いてセルの形状を測定するもので、セル形状に応じて種々の形式のものを作製した。
Fig.2 は、平板セルの温度・形状同時測定のための装置であり、電気炉上部にレーザー変位計もしくは二色式温度カメラを配置している。

研究概要

さらにガス導入管等、セルと機械的接触をもつ部分に AE センサを固2016 年の当研究室のメンバー (Fig.1) は、教授 1 名、准教授 2 名、化学、電気化学を基礎とする解析によって明らかにすることで、材料定することで、セル損傷の同時評価も可能となる。同様の手法はアノーの最適化の指針を与え、企業での技術開発をサポートしている。

ド支持形のボタンセルや、円筒セルにも展開を図った。円筒形は中助教 1 名、研究員 2 名、技術補佐員 1 名の教職員 7 名、博士学生 2 名、SOFC の広範な普及には、運転中のセル ･スタック挙動の把握し、心線に対して対称な構造であるため一般的に機械的な信頼性は高い。

修士学生 14 名、学部学生 11 名の学生 27 名の計 34 名で構成され、機械的信頼性を確保することは重要な課題である。SOFC は異種材

ただし構成各層の熱・化学歪みが異なると亀裂や剥離の発生も考えら

うち韓国、中国、インドネシア、タイ、フランスから留学生 7 名が在籍

料の積層体であるため、材料間での熱・化学膨張の差や温度・化学ポれるため、セル直径測定装置を作製し評価を行った (Fig.3)。セルはしている。の局所酸素ポテンシャルの分布が深く関与している。当研究グループ
では、これまでに、固体内部の酸素ポテンシャルとその変化を、災害研の寺田教授らと共同で物質輸送と酸素不定比性から計算する手法を開発してきた。このルーチンを汎用化・ロバスト化するとともに、ここから得られる化学歪みとその経時変化を汎用 FEM ソフトウェアを用いた構造解析につなぐツールへと拡張することを目指し、現在までに、Abaqus/AbaqusCAE の GUI を用いたポテンシャル解析ツールのプロトタイプを作成した。
応力・変形解析の手順を Fig.4 に示す。セルの変形解析と、模擬セルによる変形測定の結果を比較しながら、物性値と計算手法の最適化を進めている。

特筆すべき業績

テンシャルの分布によって、構造体に応力や変形が生じ、これがセル・上下移動および回転が可能なステージに固定され周囲は角柱型の石

During operation of SOFCs, chemical strain as well as thermal strain leads to

当分野の研究方針は、環境調和型社会の実現に向けた社会的要請

スタックの損傷や、接触の不良などの性能劣化を引き起こす要因となっ英製容器で覆われてセル内外のガス雰囲気が制御可能である。測定

macroscopic deformation of the cells and stacks, which can cause degradation ofの高い課題の解決である。現在はその中でも特に、エネルギー高効率ている。特に、起動・停止や急激な負荷変動などはリスクを増大させは計測対象物をラインレーザー投光器 / 受光器で挟みその影の部位

利用に不可欠なエネルギー変換技術、およびエネルギー貯蔵技術、まる可能性がある。より信頼性の高いセル・スタックの設計のためには、を測長する方法をとった。

た地球環境保全に必要な環境技術の基盤技術および学理構築を重点

単セルの変形挙動を把握するとともに、弾性率、破壊強度の他、クリー課題としている。地球温暖化・エネルギー資源枯渇など環境 ･ エネル

プや疑弾性などの構成材料の動的な機械的特性も把握することが必要

ギー問題の解決には、化石燃料の高効率利用と再生可能エネルギーのであり、さらには、セル運転に伴う温度・化学ポテンシャルの分布を安定供給のための新しい技術の普及が不可欠と考え、その技術基盤の明らかにする必要がある。このため NEDO 委託事業の一環として、セ一つとして、高効率、高耐久性の固体酸化物形燃料電池（SOFC）のル構造体の解析と、シミュレーションを用いた迅速評価法の確立を目実現に必要な技術課題を取り上取り上げる。特に、システムに用いら指している。これまでに、各種形状のセルに対応したセル変形評価装SOFC のセル部材の一部には酸素不定比性酸化物が用いられてれる材料の使用環境における物理化学的、機械的挙動について、学内置の作製、材料の基礎データの取得・解析、さらには、固体内の化学おり、化学歪み（還元膨張）が発生すること、また、その機械的特性の各部局の他、国内外の研究機関やメーカーと連携し、熱力学、固体ポテンシャルの計算手法の汎用化に取り組んでいる。

も酸素分圧に依存する事から、セルの変形や応力の発生には、固体内Fig.1 Group photo of Kawada lab.

18 Coexistence Activity Report 2016

Fig.2 Evaluation system for deformation/temperature/AE of SOFC planer cell.

Department of Environmental Studies for Advanced Society

Our target is mainly to develop environmentally friendly energy-conversion systems. Special interest is put on high temperature

the performance and, in the worst case, destruction of the cell structures. Operando
methods have been developed to observe cell deformation during startup/shutdown
operations, and simulation code was developed to evaluate the deformation based ontransient chemical potential distribution inside the materials. Mechanical properties

セル内部の酸素ポテンシャル分布
シミュレーションの汎用化

Fig.3 Measurement setup for diameterchange of a tubular cell.

of the constituent materials have been measured at elevated temperatures undercontrolled atmospheres to be used for the simulation.

Fig.4 Calculation scheme of cell deformation based on
chemical potential distribution in SOFC cell.

Coexistence Activity Report 201619