12
AUT Journal of Mechanical Engineering AUT J. Mech. Eng., 1(1) (2017) 55-66 DOI: 10.22060/mej.2017.12249.5289 A Geometric Modeling Approach to Find the Best Microstructure for Infiltrated SOFC Electrodes M. Tafazoli 1 , M. Shakeri 1* , M. Baniassadi 2 , A. Babaei 3 1 Mechanical Engineering Department, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran 2 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran 3 School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran ABSTRACT: In this study, a novel design paradigm is presented to obtain some geometry-related electrochemical and physical properties of an infiltrated SOFC electrode. A range of digitally realized microstructures with different backbone geometric properties and virtual electro-catalyst particle loadings under various deposition conditions are generated. Triple Phase Boundary (TPB), the active surface density of particles and gas transport factor are evaluated in those realized models based on selected infiltration strategy. Based on this database, a neural network is trained to relate the desired range of input geometric parameters to a property hull. The effect of porosity and geometric anisotropy in backbones in addition to the loading, distribution and aggregation behavior of particles is systematically investigated on those performance indicators. The results indicated that microstructures with very high amount of TPB and contact surface density of particle have a relatively low gas diffusion factor, meanwhile increasing these parameters does not involve a sensible contradiction. Also, by adding particles, the TPB density variation is changed as a function of backbone porosity and the average shape of aggregated particles. A direct search into the microstructure and property hull is applied to find the best parameters in modeling approach aiming the maximum effective geometric properties. Finally, a genetic algorithm is employed to detect appropriate geometric factors getting the maximum acquirable performance in infiltrated SOFC electrodes. Review History: Received: 14 December 2016 Revised: 1 March 2017 Accepted: 16 April 2017 Available Online: 17 April 2017 Keywords: Microstructure optimization Infiltrated electrode Realization of microstructure Solid oxide fuel cell 55 1- Introduction Growing demands for energy has attracted international research efforts and led them to the cleaner energy sources. Research on the fuel cell, as a sustainable energy source, has shown high interest and generated considerable expectations over the last decades [1, 2]. These devices allow for the efficient transformation of fuel into electrical power and eliminate CO2 emissions by converting H2 as fuel to water as by-product. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are among the most efficient devices for direct conversion of fuels into electrical energy with the minimal environmental impact [3]. Performance and durability of an SOFC electrode are directly related to the geometric characteristics of its microstructure [4,5]. Improving microstructural properties such as Triple Phase Boundaries (TPBs) and effective transport pathways directly promote the electrochemical reactions and reactant movement. Thus, it should be understood to develop optimum electrodes with a higher performance [6]. The recent development of more sophisticated microstructural characterization tools has now enabled researchers to explore microstructure of SOFC by investigating the complex interplay between gas and solid phases and their relationship to performance [5]. Direct imaging of three-dimensional SOFC electrode microstructure with focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) and X-ray computed tomography (XCT) now could be used to obtain quantitative measures such as TPB length and tortuosity factor [7]. In addition to the experimentation, a numerical simulation can be employed to obtain a detailed 3D insight into how SOFC electrodes function. The modeling efforts have led us to a better understanding of local phenomena taking place at the microstructure scales, for instance, local potential distribution inside the electrode and its effect on reaction kinetics and physical properties such as ionic or electronic conductivities, and, therefore, to further improve electrode performance and reliability [5,8]. These morphological parameters sometimes have inconsistent and nonlinear behaviors such that a small increase in one may result in a detrimental effect on others. For example, the tortuosity of pathways within each phase directly affects the transport to and from TPBs [9]. To overcome these complications, Joen et al. [10] first introduced a micro scale model for the microstructure and performed a numerical optimization on the microstructure of the anode supported SOFC. In particular, they investigated the dependence of the electrochemical reaction and the mass transport on the particle size and thickness of the functional layers of the electrode and reported that a smaller particle size for cathode functional layers enhances the electrochemical performance and deteriorates mass transport efficiency simultaneously. Based on these findings, the thickness of the cathode functional layers should be reduced in accordance with the particle size to maintain the mass transport resistance in the same level. Nanostructured materials such as infiltrated electrodes are the key to enhance fuel cell performance. These fuel cells are usually made of a backbone microstructure with particles deposited on them by infiltrating/impregnating methods. Designing optimal microstructures and achieving them by controlling the material and manufacturing process, and Corresponding author, E-mail: [email protected]

令和元年度航空機産業調査サマリー 「民間航空機の今後の ...A350-1000ULR開発(2023) 生産ライン A321 (A321生産問題解決へ) 中距離市場ターゲット

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  • 2020年3月

    令和元年度航空機産業調査サマリー

    「民間航空機の今後の市場要求調査」

  • 本調査の概要について

    1

    今後の市場要求として737MAX事故が与えた影響を調査すると共に、拡大が続くアジア市場でのOEM事業拠点及びMRO事業について

    調査を行った。

    ① 737MAX 事故後の業界動向調査

    737MAX事故が与えた影響(今後の認証システム、業界勢力図、ボーイング社の財務状況)

    737MAX事故後のボーイング社、エアバス社の製品戦略動向考察

    ② MRO事業とアジア市場

    OEMのアジアでの事業拠点調査

    アジアでのMRO事業拠点と政府の支援調査

  • 737MAX事故に関する調査とその影響

    2

    737MAX事故に関しては、以下の調査・公聴会が実施済、又は実施中。

    インドネシア国家運輸安全委員会(KNTK)調査

    エチオピア運輸省航空事故調査委員会

    合同航空当局技術審査当局(JATR) - FAA/NASA/EASA+8か国

    米運輸省認証プロセス特別委員会

    米運輸安全委員会(NTSB)調査

    米上院公聴会・下院公聴会

    米司法省(連邦大陪審)捜査

    SEC(米証券取引委員会)調査

    調査対象項目

    737 MAX事故に関する調査

    認証手続き(FAA・ボーイング) ボーイング社 オペレーター

    安全性評価システム 派生型型式(Changed

    Product Rule)乗員訓練 ODAシステム

    管理体制ガバナンス

    カルチャー(利益優先)

    運航体制ハザード解析

    ヒューマン・ファクター

    インドネシア国家運輸安全委員会調査 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

    エチオピア運輸省航空事故調査委員会 (暫定報告の状況で事実関係が開示されているのみ)

    米運輸安全委員会(NTSB)調査 ✔ ✔ ✔

    合同航空当局技術審査(JATR) ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

    米運輸省認証プロセス特別委員会 ✔ ✔ ✔ ✔

    米上院公聴会・下院公聴会 ✔ ✔ ✔ ✔

    米司法省(連邦大陪審)捜査 (刑事事件としての起訴審議がワシントン大陪審で行われている FBIも協力)

    SEC(米証券取引委員会)調査 (情報開示が適切に行われているかの調査が行われている - 決算における引当額試算前提条件等の適切性等)

    事故が与える影響(弊社考察)

    現行ガイドラインの変更と安全性評価・開発保証プロセスの厳格化・FAAの監査強化

    緊急時のパイロット対応について、ヒューマン・ファクターも考慮した評価法に変更

    大きな設計変更がある場合は、派生型としての認証は困難になる

    設計変更を適切に訓練に反映するルールの策定

    ODAシステム

    は継続するがFAAの関与・監査強化

    ガバナンスの再構築が必要

    (現在のボード体制が批判されている)

    外部・内部から見て明確な改革が必要

    次期新型機開発に大きく影響(フライトデッキ設計思想等)

    証券取引委員会 司法省(刑事起訴審議)

    型式認証・ODA

    運航再開判断

    米国議会

    NTSB 運輸省(認証プロセス特別委員会)JATRインドネシア・エチオピア事故調査委員会

  • ボーイング社の製品戦略に与えた影響(考察)

    3

    NMAランチ遅延➡A321XLR市場拡大➡NMA事業性難化➡白紙化

    単通路機市場での劣勢拡大(特にA321XLR販売拡大)

    一方、MAXに対する信頼性は低下したが、受注残は大きくは崩れていない(4,500機)

    認証システムの改革が想定される(ヒューマン・ファクター重視、より厳格な監査等)

    コックピット設計思想の再考が求められている

    エアバス• サイドスティック• フィードバックなし• 左右操舵量代数和(テークオーバーボタン)• スラストレバーフィードバックなし

    • C* Control Law(A320以降)• Hard Protection

    コックピット設計フィロソフィー再検討

    ターゲットとする市場見直し

    製品戦略の練り直し

    NMAで検討した設計・生産システムの活用• MBSE・PLM• 新生産システム

    新たな製品戦略

    大きな違い

    コックピット設計思想の見直し• 自動化の進展や新技術開発(AI等?)の中で、パイロットが果たす役割の再検討

    • 操縦の中で複雑なヒューマンファクターが及ぼす影響の再評価

    • ヒューマンエラーに対する対応策等

    ボーイング• 操縦稈+コラム• フィードバックあり• 左右連結• スラストレバーフィードバック

    • C*u Control Law(777・787)• Soft Protection

    ボーイング社とカスタマーの信頼関係は低下したが維持されている(B2B ビジネスでは相互依存が強い)

  • エアバス社製品戦略(考察)

    エアバス製品戦略

    MoM市場の縮小化(挟み撃ち)

    単通路機製品戦略 ワイドボディー機製品戦略

    A380生産中止

    Qantas Sunrise Project

    150-200席市場での優位性拡大A321XLRのMoM市場浸透

    A220 ファミリー

    4

    A330neo ファミリー A350 ファミリー

    Airbus Canada

    Limited Partnership

    75%取得

    A220-100

    A220-300

    A320 ファミリー

    A319neo

    A320neo

    A321neo(A321LR・A321XLR(2023)

    A330-800

    A330-900

    A350-900

    A330-1000

    グローバルな生産拠点

    100-150席市場での優位性確立

    A220-100・300の長距離化離陸重量+2.3ton➡3,400nm 大型化➡A220-500ランチ

    長距離化による市場拡大

    A350-1000ULR開発(2023)

    生産ライン➡ A321(A321生産問題解決へ)

    中距離市場ターゲット価格競争力

    A321XLRのさらなる長距離化・大型化レートアップ(60➡63➡70?)Cabin Innovation

    (Cabin Flex・Smart-Lav・Space-Flex)

    A330-800型式取得(2020年2月)

    コックピットのコモナリティー強化サイドスティックだが設計思想にかなりの違いがあり簡単ではないと思われる

    FSA設計目標の困難化

    スロットルレバーはフィードバック付き

    A220

    フライトデッキ

    A320neo

    フライトデッキ

  • 5

    ボーイング社のアジア拠点

    ①天津ボーイング複合材料有限公司 – JV(88%)

    ③ ボーイング舟山(ジョウシャン)737最終仕上げ・デリバリーセンター – JV(60%)

    ② ボーイング上海(Aviation Services) - MRO JV(60%)

    ⑤ ボーイング・アジア・パシフィック・アビエーションサービス - MRO JV(51%)

    ボーイング上海・アビエーション・フライトトレーニング(子会社)

    共同研究Boeing-COMAC Sustainable Aviation Technology Center (北京)

    (バイオ燃料や航空交通管理システムに関する共同研究で、COMACのBASTRI(北京航空科学技術研究所)内で実施)

    TAIKOO Aircraft Engineering Co.Ltd (TAECO➡HAECO Xiamen) – MRO JV(9.1%)

    ボーイングChina(子会社)

    ④ Aerospace Composites Malaysia(ACM) - JV(50%)サポート訓練センター・部品配送センター

    国 JV 子会社

    中国 4 3

    香港 - 5

    シンガポール 1 3

    マレーシア 1(外資) 2

    ボーイング社アジア事業拠点

    ボーイング社JV出資比率

    ジョイントベンチャー

    子会社

    サポートBoeing China Service Center(北京・上海)(中国カスタマー専用のサポートセンター)

    Boeing Capital (香港オフィス)

    厦門

    北京

    ケダ州

    チャンギ国際空港

  • 6

    エアバス社のアジア拠点

    ②天津A320最終組立工場 – JV(51%)・A320デリバリーセンター(100%子会社)

    ③ A330(A350)最終仕上げ – JV(出資比率不明) ・A330(A350)デリバリーセンター(出資比率不明)

    Heavy Maintenance Singapore Services Pte Ltd (HMS Services シンガポール) - JV(35%)

    Airbus (China) Enterprise Management and Services Co. Ltd.(100%子会社)

    サポート部品配送センター

    JVエアバス出資比率

    ①エアバスハルビン複合材製造センター – JV(25%)

    ④ Hua-Ou 訓練・サポートセンター(北京) – JV(50%)⑤エアバス北京技術センター(ABEC) – JV(70%)⑥ Eltra Services Beijing (100%子会社)

    エアバス中国イノベーションセンター ACIA(100%子会社)

    XAC(Xi’an Aircraft Industrial Company) A320 Wing Equipment Program

    ⑦ Sepang Aircraft Engineering (100%子会社 クアランプール国際空港)

    ジョイントベンチャー

    子会社

    ⑧ Airbus Asia training center (シンガポール・セレター・エアロスペース・パーク) - JV(55%) SIAが45%

    ウタパオ

    MRO JV計画(エアバス・タイ国際航空)

    北京

    深圳

    ハルビン

    西安

    セパン

    シンガポール

  • 7

    中国での産業協力に対するアプローチ比較

    ボーイング社に対しエアバス社は積極的に産業協力を実施

    二国間関係

    事業管理紛争解決

    資本規制

    ノウハウ流出将来の競合

    中国での協力内容比較

    協力事業 Boeing Airbus

    部品・コンポーネント製造 ✔(合弁) ✔(合弁)

    構造サブアセンブリ― ✔(協力)

    最終組立 ✔(合弁)

    最終仕上げセンター(内装・塗装等) ✔(合弁) ✔(合弁)

    デリバリーセンター ✔(独資) ✔(独資)

    訓練センター ✔(合弁)

    設計 ✔(合弁)

    イノベーションセンター ✔(独資)

    MRO事業 ✔(合弁) ✔(独資)

    拠点化における産業協力・事業形態に対する考慮点

    オフセット要求

    市場アクセス

    中国の産業政策

    中国製造2025(国務院)

    10大重点分野• 航空・宇宙設備•

    技術ロードマップ(重点分野)• 環境保護航空機設計・検証技術• 複合材料、主体的構造設計、製造、検証技術• 大型軽量化及び高強度金属構造製造技術• ヘルスモニタリング・知的メインテナンスシステム•

    外資優遇策経済特区

    産業協力

    価格競争力

    産業協力?合弁事業?独資事業?

    中国におけるエアバスシェア推移

    中国におけるエアバスシェア(運航機数)推移

    1995 2014

  • 8

    アジアMROについて

    格納庫収容能力比較

    会社名 単通路機 ワイドボディー機

    ① ST Engineering Aerospace 44 26

    ② HAECO 16 20

    ③ GMF AeroAsia 24 3

    ④ Ameco Beijing 14 7

    ⑤ GAMECO 18~20

    ⑥ SIA Engineering Company 9 6

    ⑦ EGAT 9 2

    ⑧ Sepang Aircraft Engineering 8 2

    ⑨ Lufthansa Philippine 6 3

    ⑩ Boeing Shanhai 2 2

    ⑪ MRO Japan 3 1①

    ⑧⑩⑫については、機体OEMのアジア事業拠点 ⑬⑭はエンジン・複合材リペアMRO

    ⑬⑭

  • 調査国MRO事業発展段階

    外資誘致国内事業者育成

    クラスター開発 産業政策・特徴・課題

    シンガポール

    世界での競争(世界10%シェア)

    ✔ ✔• セレター・アエロスペース・パーク• チャンギ・イースト・プロジェクト

    •政府系企業率先(国家主導型)による発展•合弁による技術導入推進•集中的なクラスター(インフラ)整備•高付加価値サービスへの移行による継続的発展(労働集約型から技術・資本集約型への転換)

    マレーシア

    外需取入れ ✔• クアラルンプール国際空港MRO施設拡張計画

    • スパン空港再開発

    • MRO事業、航空機製造(Tier 1・2)業者誘致、設

    計技術の向上等で航空機産業エコシステムの構築を目指す

    •中進国のわな(ベトナム等からの追い上げ)

    タイ内需取入れ(60%が流出)

    ✔ •ウタパオ空港MROハブ計画

    •地域開発(EEC)とMRO事業発展をパツケージ化• PPPによる開発計画(エアバスが反対)•中進国のわな

    インドネシア内需取入れ(70%が流出)

    ✔ ✔ •バタムMROハブ計画

    •国内事業者への資金援助•官民協力によるMROハブ構築計画

    フィリピン外需取入れ ✔

    •労働コストの優位性と人材育成•国内MRO事業者が育っていない

    9

    東南アジア諸国のMRO事業支援策

    東南アジア各国政府は、高成長が見込まれ、雇用拡大、技術力向上に寄与すると思われるMRO事業を成長戦略の要の一つと考えると

    共に、アジアのMROハブを目指し、数々の支援を実施。支援内容としては、外資誘致を目的とした規制緩和、資金援助、優遇事業税制・

    優遇関税措置、人材訓練等を行っているが、シンガポールは外資頼りではなく、①政府系企業率先 ②Co-investment プログラムでの国

    内MRO能力向上 ③高付加価値サービス移行等、卓越した政策により成功しているように思われる。