固体酸化物形燃料電池（SOFC）の研究生産技術研究所エネルギー工学連携研究センター鹿園研究室 http://www.feslab.iis.u-tokyo.ac.jp/ 固体酸化物形燃料電池（SOFC）の電極では，電極反応の場である三相界面 (Triple Phase Boundary)や，ネットワークの屈曲度が，その過電圧特性に大きな影響を与える．本研究では，電極3次元微細構造をFIB-SEMにより再構築し，格子ボルツマン法（LBM）を用いた電荷輸送と電気化学反応を連立させた数値シミュレーションを行うことで，電極過電圧特性と微細構造の定量的な関係を明らかする．電極微細構造の3次元計測 ◆ Dual Beam FIB-SEM：FIBにより試料を高精度に研磨し，低加速電圧SEMにより断面画像を連続的に撮像．これを数十nm ピッチで繰り返し，得られた200枚程度の断面画像から電極3次元構造を再構築し，微細構造パラメータを定量評価した． 26.2 µm 12.7 µm 22.3 µm 14.5 µm 10.8 µm 8.56 µm Mag = 4.20 k x EHT = 1.38 kV Carl Zeiss NVision40 Sample B1 (2,424 m3) 5 m Detector = In-lens SE Ni-YSZ燃料極再構築構造 Green: Active TPB Red: Inactive TPB Vpore  pore 実電極構造を用いた3次元分極シミュレーション Green: Ni 全三相界面長さと有効三相界面長さ YSZ Deff  Blue: YSZ Ni pore 三相界面分布 Sample B3 (17,399 m3) Sample B2 (3,905 m3) Ni-YSZ燃料極断面画像 FIB-SEM測定の原理 45.8 µm 16.0 µm 22.6 µm  O2－ ,eff  D VYSZ  YSZ  O2－  e－,eff  VNi  Ni Sample Total TPB density [µm/µm3] Active TPB density [µm/µm3] B1 2.11 1.50 B2 1.92 1.45 B3 2.05 1.51  e－屈曲度ファクター ◆ 格子ボルツマン法（LBM）によるNi-YSZ燃料極の過電圧予測：局所の酸化物イオン･電子･ガス種の拡散と，三相界面(TPB)での電気化学反応を連成した3次元格子ボルツマン法数値シミュレーション技術を開発している． Current collector Electrolyte Governing equations H2 & H2O Diffusion in pores (Dusty Gas Model) Electron conduction in Ni Oxide ion conduction in YSZ 12   1   y  M H2  1   i  H2      C H 2   reac   1     D D 2 F M    H 2 ,H 2O  H 2 ,K   H 2O      e ~    e    i reac  F  D : Diffusion coefficient [m2 / s]   O 2 ~    O 2   ireac 2 F   C : Molar concentration [mol / m3] 1 Electrochemical reaction at three phase boundary (TPB)   2F   F  ireac  i0 LTPB exp  act   exp  act  [A / m3]   RT    RT LTPB [1/m2] from FIB-SEM data Ni-YSZ燃料極内酸化物イオン電気化学ポテンシャル分布  : Conductivity [S / m] ~ : Electrochemical potential [J/mol] ireac : Reaction current per vol. [A/m3] Exchange current density  E    i0  i0*  pH 2 pH 2O exp  A   RT  [A / m] Red: Ionic current Blue: Electronic current Ni-YSZ燃料極内イオン電流および電子電流分布 ◆ 実電極を用いた交換電流密度の算出：過電圧実験データおよび分極シミュレーションにより，実電極の交換電流密度を算出．   Mizusaki et al. (1994) -0.09 ~ 0.15 0.32 ~ 0.88 EA [104 J/mol] 7.24 Patterned Electrode de Boer (1998) Bieberle et al. (2001) -0.26 0.11 0.37 0.67 15.44 8.49 Patterned Electrode Patterned Electrode 0.07 0.0 ~ 0.2 0.68 0.86 9.75 9.00 Patterned Electrode Real Electrode Utz et al. (2010) Present study ◆ 混合導電性空気極の分極シミュレーション：高性能な混合導電性空気極であるLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-(LSCF)の分極シミュレーションを実施 Blue: Ionic current LSCF空気極内イオン電流および電子電流分布 Red: Electronic current 東京大学生産技術研究所 LSCF空気極内酸素ポテンシャル分布