摘 要：本研究假设利用超薄电解质的高电流密度固体氧化物燃料电池，基于两个电极与超薄膜电解质之间经由电势产生的相互作用（目前为止几乎未被考虑过），确立了用于进行详细探讨的数值分析法，并积累了多孔电极和薄膜电解质结构与发电性能的相关性方面的知识。另外，为通过控制电解质薄膜的形状来扩大电极内的发电领域并提高电池的发电性能，通过运用最优计算方法明确了在端电压一定的条件下使平均电流密度最大化的薄膜电解质形状。
关键字：固体氧化物燃料电池、薄膜电解质、电极微结构、数值分析、实验
1、研究背景
固体氧化物燃料电池（SOFC）在700~1000℃的高温下工作，其电极一般是由电子传导相、离子传导相和供气体扩散的气相（孔隙）构成的多孔体。电化学反应发生在以上三相交界的三相界面（TPB）处。电极单位体积的TPB密度越高，其反应电阻越低，因此在现有技术中，一般通过减小构成电极的粒子的粒径来实现高TPB密度。
通过减小粒径可以有效降低反应电阻，但同时气相的平均孔隙直径也随之变小，由此阻碍气体的扩散。特别是当提高电流密度时，通过孔隙的气体扩散成为决定电化学反应速度的主要因素，端电压急剧下降。另外，如果电极长时间处于高温下，微小粒子会凝聚导致粗化，无法保持初期的微结构，由此导致TPB密度降低。也就是说，粒径的微细化具有两面性，一方面可以有效降低反应电阻，同时也会增大气体扩散阻力并使微结构劣化。由此可见，通过减小电极微结构的尺寸来提高发电电流密度的方法是有限制的。因此，通常选择长度为数百nm~1µm左右的微观结构。
在提高性能方面，除了以上减小粒径的方法，电解质的薄膜化也取得了进展。现有的电解质厚度大多是20~200µm左右，但是最近，市场上也出现了电解质厚度在10µm以下的电池。在实验室水平下，已经制作了许多厚度为1µm以下的电解质。电解质厚度约为3~5µm的电池正在接近实用化。
也就是说，在今后的高耐久性、高电流密度电池中，因为电极微结构（1µm）与电解质厚度（3~5µm）的结构尺寸接近，因此例如，燃料极侧的发电状态可能通过电势分布对空气极侧产生影响。在现有的电池中，电极和电解质彼此分开，对两者分别进行优化，但是这种设计已经接近极限。因此，需要在考虑两个电极和薄膜电解质经由电势产生的相互作用的基础上，积累用于设计能够同时实现高性能和高耐久性的电池方面的基础知识。
2、研究目的
本研究的目的是：假设利用超薄电解质的高电流密度SOFC，基于两个电极与超薄膜电解质之间经由电势产生的相互作用（到目前为止几乎未被考虑过），确立用于进行详细探讨的数值分析法，并积累多孔电极和薄膜电解质结构与发电性能的相关性方面的知识；通过运用最优计算方法，明确作为现有技术延伸的单电池电流密度的极限。
3、研究方法
此前，研究人员已经采用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）对亚微米级的电极三维微结构进行了定量化，并以该定量化结果为基础分析了电