Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

エネルギー効率化 / 格子欠陥 / 構造・機能材料 / 材料加工処理 / 省エネルギー / 固体酸化物高温燃料電池 / 火力発電 / 高温酸化皮膜 / 化学ポテンシャル分析 / イオン流束の発散 / ボイド形成 / Cr2O3皮膜 / Fe3O4皮膜 / 有効拡散係数 / 過熱器管 / 鉄-クロム合金 / 水蒸気酸化 / マグネタイト / 化学ポテンシャル分布 / 流速と発散

(1)酸化皮膜中のボイド形成の定量的予測
高温酸化過程の皮膜中の化学ポテンシャル分布,イオンの流れ,その発散を求める速度式を確立し,発散がボイド形成の定量的目安となることを示した。
鉄の高温酸化をモデルとして,提案した手法の実験的検証を行った。
(2)高温燃斜電池(SOFC)のインターコネクタ用フェライト系Fe-Cr合金の高温酸化と導電性
Fe-16Cr合金の高温酸化をSOFCの作動条件を模擬して行った。すなわち,1073Kで,試料の一方の面を空気,他方をH_2O/H_2=3/97の混合ガスに曝した。
両面ともにCr_2O_3の連続皮膜が形成し,その,成長速度はほぼ等しい。これは,皮膜中の欠陥構造は格子間Crイオンが支配的な領域にあることを示している。
(1)で提案した手法を用いて,皮膜中の酸素ポテンシャル分布を評価すると,皮膜の大部分で酸素ポテンシャルは低く保たれており,導電性が高い皮膜が得られる理由が明らかとなった。
また,外部電流を印加しながら酸化実験を行うと,カソード側の皮膜成長は抑制され,アノード側では促進されることを見出した。両極における酸化速度を予測する式を導出し,この結果を定量的に解析しするとともに,長時間の酸化挙動を予測する手法を提案した。
(3)酸化皮膜の組織形成過程の制御法と機能性の設計法
本研究をまとめると以下のようになる。
(1)拡散係数の酸素分圧依存性を知ることができれば,組織形成を予測できる。
(2)組織の制御たはイオンの拡散係数の制御が不可欠である。これは原子化制御を達成できれば可能である。
(3)皮膜中の化学ポテンシャル分布の評価は,皮膜の組織および機能の設計には極めて有力である。

水蒸気酸化 / 鉄-クロム合金 / 過熱器 / 保護性酸化皮膜 / 内部酸化層 / ボイド生成 / 化学ポテンシャル分布 / 剥離 / 高温水蒸気酸化 / Fe-Cr合金 / ポテンシャル分布 / マグネタイト / ボイド形成 / フェライト鋼 / 非晶質SiO_2 / 鉄-クロムスピネル / フェライト系Cr鋼 / 酸化機構 / プロトン / Fe_3O_4 / (Fe,Cr)_3O_4

Fe-Cr系の合金は火力発電用のボイラー材料として長年使用されており、実機による多くのデータが集積されているが、その水蒸気酸化機構は未だ不明であり、実操業上の問題である酸化皮膜の剥離性についての解明が急務である。発電効率の向上の観点から超々臨界火力発電が期待されているなか、本研究は水蒸気酸化機構の解明と保護性酸化皮膜の剥離の抑制について研究したものである。本研究では酸化初期からの皮膜組織の形成過程を、詳細に検討し、皮膜の成長過程を明らかにした。また、皮膜酸化物層には剥離を支配する多くのボイドが存在するが、酸化過程における皮膜中の化学ポテンシャル分布を予測して、物質収支の観点からボイド形成を取り扱えることを提案した。さらに,水蒸気酸化固有の問題として,水蒸気から酸化皮膜中に非平衡的にプロトンが溶解し,これが組織形成,特にボイドの形成に大きく影響していることを示唆した。プロトンの溶解量や透過速度に関する定量的な研究は、研究手法は確立したものの、時間的な制約から十分な量の結果を得るには至らず、今後の課題として継続中である。

【研究分担者】
河村憲一	東京工業大学	大学院理工学研究科	助教授	(Kakenデータベース)
上田光敏	東京工業大学	大学院理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
尾山由紀子	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)
南口誠	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)
河村憲一	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助教授	(Kakenデータベース)