利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.08】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT0001

利用課題名 / Title

固体酸化物形セルの電極微細構造

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials

キーワード / Keywords

コンポジット材料/ Composite material,電子顕微鏡/ Electronic microscope,燃料電池/ Fuel cell


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

小松 洋介

所属名 / Affiliation

東京大学生産技術研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

鹿園直毅,Anna Sciazko,Zewei Lyu,Yucan Liu,Qiuqiu Lyu,Gao Yao,中澤優一郎,加藤諒

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

福川 昌宏

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-102：高分解能走査型分析電子顕微鏡


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

固体酸化物形セル（SOC）は燃料電池(SOFC)として発電，電解セル(SOEC)として燃料合成を行うことができる．SOCの電極構造は，電極内部の電子・イオン・燃料ガスの輸送パスを形成し，かつイオン・電子伝導体とガス輸送相の三相界面が有効な反応場となる．電極構造によって決まる輸送パス・三相界面量が電気化学的性能を大きく左右する．電極の複雑な多孔質構造を定量的に評価し，電気化学性能と合わせて相関的に整理することで，電極性能の向上や耐久性評価・さらに電極構造の最適化につながる．

実験 / Experimental

多孔体電極やパターン電極構造を有するSOFC・SOECを作成し，高加湿水素や炭化燃料や二酸化炭素といった実運転に近い条件下で一定時間発電・電解運転を行う．運転後のセルの電極から観察試料を取り出し高分解能走査型分析電子顕微鏡（JSM-7800F）にて観察を行い，電極の構造変化を観察した．また水熱合成を用いて作成した電極-電解質間の反応防止層もセル運転前後での観察・評価を実施した．

結果と考察 / Results and Discussion

発電と電解運転時には有効な反応場である三相界面付近でのニッケルの構造変化の違いを観察することができた．炭化燃料や二酸化炭素を用いた場合では，発電と電解運転時には三相界面での炭素析出の挙動の違いを観察することができた．炭化燃料を用いて発電運転を行った場合は三相界面への炭素析出は抑制される一方で，二酸化炭素電解運転では，三相界面を起点に炭素析出が進行することが確認できた．高加湿水素を燃料として用いる際には，混合伝導体であるセリア系やペロブスカイト材を用いた電極を採用することで構造を安定化させることができるが，コンポジット電極を作成するための材料選定・混合比を決定に資する知見を収集することができた．さらに，水熱合成を用いた電極作成の有効性について確認することができた．

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究は，国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO），文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業，JSPS科研費24K07339からの支援・助成を受けたものであり，ここに謝意を表す．


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Zewei Lyu, Co‐Generation of Electricity and Chemicals From Methane Using Direct Internal Reforming Solid Oxide Fuel Cells, Advanced Energy Materials, 15, (2024).
    DOI: 10.1002/aenm.202403869
  2. Anna Sciazko, Prediction of electrode microstructure evolutions with physically constrained unsupervised image-to-image translation networks, npj Computational Materials, 10, (2024).
    DOI: 10.1038/s41524-024-01228-3
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. Yao, G., Komatsu, Y., Sciazko, A., Ouyang Z, Okabe, T., Shimura, T., Nishimura K., Tao J. and Shikazono, N., Effect of Ni Dissolution on Ni Migration in Solid Oxide Cell Patterned Electrode, 7th Asian SOFC Symposium, OB-23, Sapporo, Japan, October 23-25 (2024).
  2. Lyu, Q., Okabe T., Shikazono, N., Zhu, T., The Impact of Thin and Dense Interfacial Diffusion Layers at the GDC/YSZ Interface on Inhibiting Elemental Grain Boundary Diffusion, 7th Asian SOFC Symposium, OA-22, Sapporo, Japan, October 23-25 (2024).
  3. Sciazko, A., Komatsu, Y., Yamagishi, R., Lyu, Z., Tao, J., Shimura, T., Onishi, J., Nishimura, K., Shikazono, N. SOC Microstructural Studies with Machine Learning: Insights and Applications, 7th Asian SOFC Symposium, IB-07, Sapporo, Japan, October 23-25 (2024).
  4. Lyu, Z., Liu, Y., Sciazko, A., Komatsu, Y., Nakamura, A., Hara, T., Shikazono, N., Han, M., Unveiling the Impact of Carbon Deposition on Solid Oxide Fuel Cell Anodes through 3D Reconstructions, 7th Asian SOFC Symposium, OA-07, Sapporo, Japan, October 23-25 (2024).
  5. Cui, D., Sciazko, A., Komatsu, Y., Nakamura, A., Hara, T., Chen, D., Wu, S., Shikazono, N., Two and Three dimensional microstructures of carbon deposition on pressed Ni-YSZ anodes, 7th Asian SOFC Symposium, OA-06, Sapporo, Japan, October 23-25 (2024).
  6. 加藤 諒, 姚 杲, 小松 洋介, シチェンシコ アンナ, 岡部 貴雄, 鹿園 直毅，「固体酸化物形燃料電池燃料極三相界面における炭素析出のオペランド観察」，日本機械学会熱工学コンファレンス2024講演論文集，F33，山口大学，10月5-6日 (2024).
  7. Shimura, T., Okabe, T., Komatsu, Y., Sciazko, A. and Shikazono, N., "Effect of Grain Boundary on Electrochemical Reaction of Nicke/Yttria-Stabilized Zirconia Triple Phase Boundary," 16th European SOFC & SOE Forum, B0313, Lucerne, Switzerland, 2 - 5 July (2024).
  8. Sciazko, A., Komatsu, Y., Shimura, T. and Shikazono, N. "Mitigating degradation of GDC electrodes in SOEC operation," 16th European SOFC & SOE Forum, B1602, Lucerne, Switzerland, 2 - 5 July (2024).
  9. Sciazko, A., Komatsu, Y., Shimura, T. and Shikazono, N., "Predicting dynamic microstructure degradation by physically constrained machine learning,"16th European SOFC & SOE Forum, B0202, Lucerne, Switzerland, 2 - 5 July (2024).
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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