高温固体電解質燃料電池が動作時の応力状態評価に成功

―故障原因解明や長期運転のための設計改良への貢献に期待―

【産学連携対象全学共通分野 Discovery Saga】

環境学数物系科学総合理工工学医歯薬学

【持続可能な開発目標（SDGs）】

【Sagaキーワード】

2025年4月15日 11:00

研究者情報

〇環境科学研究科　助教　山口実奈
研究室ウェブサイト

発表のポイント

X線を用いた測定により、高温およびガスフロー下での固体電解質の応力状態の評価に成功しました。
電解質直下のNi(O)-YSZ^（注¹^）電極の酸化還元過程における体積変化が電解質応力に与える影響を実測しました。
固体酸化物形燃料電池や高温水蒸気セルにおける「電解質の割れ」を防止する設計への貢献が期待されます。

発表概要

近年、グリーン水素^（注²^）の利用や製造技術の一環として、700ºC近傍の高温で作動する固体酸化物形燃料電池や高温水蒸気セル等の固体酸化物セル（SOC）^（注³^）が注目されています。しかしSOCの電解質部分は、応力が原因で割れや故障を引き起こし深刻な破壊を招くことがあります。そのため、電解質にかかる応力を正しく把握しコントロールすることが、SOCの信頼性と耐久性を確保するために極めて重要です。
東北大学大学院環境科学研究科と東北大学SOFC/SOEC実装支援研究センター^（注⁴^）の川田達也教授、東北大学大学院環境科学研究科山口実奈助教、駒谷拓己大学院生ら（研究当時）の研究グループは、非接触・非破壊で行える応力測定法であるX線cosα法を用い、温度とガスコントロールが可能な自作チャンバーを組み合わせることで、高温・ガスフロー下での応力測定を実現しました。この方法により、SOCの重要な部品である電解質の応力状態をその場で観察することに成功しました。正常な作動時には、電解質に圧縮応力が生じる一方、ガス漏れや燃料切れなどにより予期せず水素極が酸化雰囲気にさらされる際には引っ張り応力が生じ、電解質の故障の可能性が高まることを観測しました。この現象は、電解質の割れや変形のリスクを増加させることが明らかになりました。本研究の成果は、SOCの長期運転における故障の原因を解明し、電解質の割れを防ぐための設計改良に貢献することが期待されます。
本成果は2025年3月27日に学術誌Journal of The Electrochemical Society にオンライン掲載されました。

図1. cosα法を用いたX線残留応力測定装置と高温測定用自作サンプルホルダの模式図。

用語解説

注1. YSZ：イットリア安定化ジルコニア（Yttria-StabilizedZirconia）の略称。酸化物イオン（O^2-）の伝導性を示す代表的な固体電解質。SOC電解質として実用化されている。
注2. グリーン水素：風力や太陽光などの再生可能エネルギーを利用し、水を電気分解して作る水素。従来の水素は化石燃料を利用して作るため二酸化炭素（CO₂）が生成される。CO₂を大気中に排出する場合は作った水素をグレー水素、生成したCO₂を回収・貯蔵して他の産業に利用する場合はブルー水素と呼ぶ。これらに対してグリーン水素は生産過程でCO₂を排出しない。
注3. 固体酸化物セル（SOC：SolidOxideCell）：固体酸化物を電解質に用いる固体酸化物形燃料電池（SOFC：SolidOxideFuelCell）と、その逆作動で水蒸気の電気分解で水素を得る固体酸化物形電解セル（SOEC：SolidOxideElectrolysisCell）の総称。SOFCは、家庭用燃料電池システム　エネファームTypeSとして、2016年に株式会社パナソニックから販売された。
注4. 東北大学SOFC/SOEC実装支援研究センター：2023年7月10日にSOFC/SOEC技術の早期社会実装を支援することを目的として東北大学大学院工学研究科と大学院環境科学研究科が共同で設置。複数業種の企業と東北大学のSOFC/SOECに関する研究グループからなる共創プラットフォーム。
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/07/press20230710-01-grenn.html

論文情報

タイトル：In situ Measurement of RedOx-Induced Stresses in Electrolyte of Anode-Supported Solid Oxide Fuel Cells Using the Cosα Method
著者： Mina Yamaguchi*, Takumi Komaya, Satoshi Watanabe, Keiji Yashiro, Kazuhisa Sato, Riyan Achmad Budiman, Tatsuya Kawada
*責任著者：東北大学環境科学研究科　助教　山口実奈
掲載誌：Journal of The Electrochemical Society
DOI：10.1149/1945-7111/adc62d

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学環境科学研究科
助教　山口実奈
TEL: 022-795-6976
Email: mina.yamaguchi.e3*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院環境科学研究科
情報広報室
TEL: 022-752-2241
Email: kankyo.koho*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

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