マルチスケールエフェクトを解明可能な原子レベル燃料電池シミュレータの開発

本年度は、昨年度に引き続き、多孔質構造におけるシンタリングが誘起する劣化機構を解明可能なシミュレータの開発及び、多孔質構造におけるシンタリングメカニズムの解明に関する研究を行った。固体酸化物形燃料電池の燃料極は多孔質構造であるNi/YSZがよく使われているが、作動中に起こるNi粒子のシンタリングによって、Ni/YSZ多孔質構造が変化し、電極の性能が劣化する。多孔質構造における原子スケールのシンタリングメカニズムを解明するためには、分子動力学シミュレーションが有効である。シンタリングは多孔質構造の空孔率に影響されるが、従来の二粒子シンタリング分子動力学シミュレーションはその多孔質構造の影響が考慮できないため、空孔率がシンタリングに与える影響のメカニズムを解明できなかった。そこで、前年度で開発した大規模多孔質分子動力学シミュレータを活用し、異なる空孔率のNi/YSZモデルにおけるシンタリングによる劣化を検討した。その結果、空孔率が小さい場合、多孔質構造におけるシンタリングが抑制されることを明らかにした。そして、空孔率はシンタリングが誘起する表面吸着サイトと三相界面の減少といった劣化に影響することを示し、高耐久性材料における空孔率を最適化することに成功した。また、シンタリングによる多孔質構造の変化がマクロスケールの電極特性に与える影響を理解するために、多孔質構造における燃料拡散を評価可能な屈曲率計算手法を開発した。その手法を用いて、シンタリングと屈曲率の関係を明らかにした。

本年度は、昨年度に引き続き、多孔質構造におけるシンタリングが誘起する劣化機構を解明可能なシミュレータの開発及び、多孔質構造におけるシンタリングメカニズムの解明に関する研究を行った。固体酸化物形燃料電池の燃料極は多孔質構造であるNi/YSZがよく使われているが、作動中に起こるNi粒子のシンタリングによって、Ni/YSZ多孔質構造が変化し、電極の性能が劣化する。多孔質構造における原子スケールのシンタリングメカニズムを解明するためには、分子動力学シミュレーションが有効である。シンタリングは多孔質構造の空孔率に影響されるが、従来の二粒子シンタリング分子動力学シミュレーションはその多孔質構造の影響が考慮できないため、空孔率がシンタリングに与える影響のメカニズムを解明できなかった。そこで、前年度で開発した大規模多孔質分子動力学シミュレータを活用し、異なる空孔率のNi/YSZモデルにおけるシンタリングによる劣化を検討した。その結果、空孔率が小さい場合、多孔質構造におけるシンタリングが抑制されることを明らかにした。そして、空孔率はシンタリングが誘起する表面吸着サイトと三相界面の減少といった劣化に影響することを示し、高耐久性材料における空孔率を最適化することに成功した。また、シンタリングによる多孔質構造の変化がマクロスケールの電極特性に与える影響を理解するために、多孔質構造における燃料拡散を評価可能な屈曲率計算手法を開発した。その手法を用いて、シンタリングと屈曲率の関係を明らかにした。