固体酸化物セルの割れや故障の原因となる電解質応力をリアルタイムで観測：研究開発の最前線

東北大学は、高温かつガスフロー下での固体酸化物セルの応力状態評価に成功した。X線を用いた非接触、非破壊の応力測定により、酸化還元時の電解質応力をリアルタイムで観測する手法を確立した。

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　東北大学は2025年4月15日、高温かつガスフロー下での固体酸化物セル（SOC）の応力状態評価に成功したと発表した。X線を用いた非接触、非破壊の応力測定により、酸化還元時の電解質応力をリアルタイムで観測する手法を確立した。

　固体酸化物形燃料電池（SOFC）や高温水蒸気電解セル（SOEC）を含むSOCは、セラミックスで構成され、水素極層、電解質層、反応防止層、空気極層の積層構造を有する。SOC電解質は、作動時に700℃程度の高温となるほか、水素極がNi（O）-YSZからNi-YSZに還元される酸化還元過程の体積変化が電解質の応力変化を引き起こし、割れや故障の原因となる。

　研究グループは、X線cosα法を用いて、Elcogen製とNingbo SOFCMAN製の商用セルについてYSZ電解質の応力測定を実施。温度とガスコントロールが可能な独自のサンプルホルダを組み合わせ、高温かつガスフロー下で応力変化を測定した。なおYSZは、酸化物イオンの伝導性を示す固体電解質で、SOC電解質として実用化されている。

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［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　両セルとも、還元初期はNiOからNiへの還元に伴う収縮で電解質の圧縮応力が増加したが、その後はNiのクリープ変形で応力が緩和され、最終的には100〜150MPaの安定した圧縮応力状態に達した。ただし、多孔度が高いElcogenセルは還元が早く進行し、速い応力変化を示した。こうした初期の変化速度などの違いは、セルの微細構造や焼結温度によるものと示唆される。

　また、酸化過程では両セルに異なる挙動が見られたが、最終的には圧縮応力が減少して引っ張り応力が発生し、YSZ表面にひび割れが生じた。このことから、応力変化が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となった。

YSZ電解質応力の時間変化。左図は還元時、右図は酸化時。負は圧縮応力、正は引っ張り応力を示す 出所：東北大学

　SOCは、二酸化炭素を発生しないグリーン水素関連技術として注目されている。電解質の応力変化を観測可能になったことで、電解質にかかる応力をコントロールし、割れや変形のリスクを防ぐための設計改良につながることが期待される。

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