金子研の研究成果の論文が Next Research に掲載されましたので、ご紹介します。タイトルは
Data analysis on yield and electrical properties of proton-conducting ceramic fuel cells
です。これは修士二年の中西大和さんが学部生のときに取り組んだ研究の成果です。
世界中で地球温暖化による環境汚染が問題となっており、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量が多い火力発電に変わる発電として、燃料電池が注目されています。燃料電池は、イオン電導を行う電解質材料によって分類され、主に固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体高分子形燃料電池があり、異なる動作温度や発電効率、その他の特性の違いによって使い分けられており、車のエンジンのようなマクロなスケールからパソコンなど、幅広く発電を担っています。
固体酸化物形燃料電池の中でも特に電解質膜にプロトン伝導性セラミックスを用いたプロトン伝導性セラミックス燃料電池 (PCFC) は、従来の固体酸化物形燃料電池と比べ動作温度が低いことや燃料である水素が希釈されないこと、水の電気分解を行うことで水素を生成する水蒸気電解セルとして使用することもできるため、本研究では着目しました。
PCFCは電解質膜とそれを挟み込む2層の多孔質膜から成り、燃料の水素が流れる陽極側の多孔質膜で起こる反応によって生じたプロトンを電解質膜が輸送することで、空気を流した陰極側の多孔質膜で反応が起こります。ここで各電極を結ぶ導線を電子が移動することで発電します。電解質膜におけるプロトンの輸送しやすさがPCFC の性能に大きくかかわってくるため、それに適した新規電解質膜材料の探索が行われています。
電解質膜の材料を用いてシートを作成したのち電解質膜と二つの多孔質膜に、積層、脱炭、焼結、添加物含侵の工程を行うことでPCFCを作成し、出力密度を測定し電気特性の評価を行います。原料組成が同じでも積層や焼結工程のパラメータによって出力密度が変わります。また、焼結の工程でひび割れや欠けが生じることで出力密度の測定に至らないことが多くあるため、一つの実験条件で作成したいくつかの PCFC のうちひび割れや欠けがないものの割合を歩留とし、歩留と出力密度を向上させるプロセス条件を提案することを本研究の目的としました。
一つの PCFC を作製するまでには膨大なプロセス条件があり、歩留と出力密度の二つのメカニズムを考慮して作成条件を決定することは困難です。そこで本研究では、機械学習によりプロセス条件と歩留・出力密度との間で回帰モデルを構築し、目標の歩留・出力密度を達成する PCFC のプロセス条件を提案しました。
興味のある方は、ぜひ論文をご覧いただければと思います。
なお、本研究を取り組むにあたりデータ提供や関連するディスカッションをはじめとした多大な貢献をしていただいた住友電気工業株式会社の皆様に深くお礼申し上げます。
どうぞよろしくお願いいたします。
以上です。
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