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第一原理計算を基盤とした非平衡電子状態計算による燃料酸化反応の局所反応場解析

Research Project

Project/Area Number 19017004
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

多田 朋史  The University of Tokyo, 大学院・工学系研究科, 助教 (40376512)

Project Period (FY) 2007 – 2008
Project Status Completed (Fiscal Year 2008)
Budget Amount *help
¥4,600,000 (Direct Cost: ¥4,600,000)
Fiscal Year 2008: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2007: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Keywords燃料電池 / 第一原理計算 / 酸化反応 / 局所反応場 / 固体酸化物形燃料電池 / イットリア安定化ジルコニア / ニッケル電極 / キネティックモンテカルロ / 酸素空孔 / 非平衡グリーン関数法
Research Abstract

高温で作動する固体酸化物形燃料電池(SOFC)は燃料電池の中でも非常に高いエネルギー変換効率が期待できるため精力的に開発が行われているが、電池の発電と密接に関わっている燃料酸化反応のミクロスコピックな理解はまだ不十分であり、反応場設計をするうえでの具体的な指針が明確になってはいない。本研究は、第一原理計算を基盤とし、ミクロスコピックな視点から反応の本質をとらえ、それがマクロなレベルでの発電とどのように関わっているのかを明らかにすることを目的とし研究を行ってきた。電極反応の第一原理計算による反応解析を行う上で、まず必要となるのが反応場の具体的な構造である。ただし、反応場は固体電解質、金属電極、燃料気体を含有できる真空領域を含んでおり、その具体的な(原子レベル)での構造は複雑さを極めるため、どのような計算モデルが妥当であるのかさえ分かっていない。本研究では、この反応場に対して、膨大な計算を行い、反応場に内在する化学的性質が次の2点に集約可能であることを見いだした。1)固体電解質と金属電極の接触部の金属原子の電子状態が孤立原子の電子状態に類似しており、それゆえ化学的に硬い反応場を提供、2)固体電解質と金属電極の接触部の金属原子の電子状態が金属内原子の電子状態に類似しており、それゆえ化学的に軟らかい反応場を提供。それぞれの反応場が、酸素イオン移動に伴う電荷の放出という現象に対して、それぞれ異なる挙動を示すことを確認している。また、この化学的な分類に加え、計算上都合のよい小数原子からなるモデルを上述の化学的性質を保持した状態で構築可能であることを見いだした(点接触三相界面モデル)。本研究による点接触三相界面モデルの提案は、電極反応解析において非常に効果的なモデルの存在を提示しており、同モデルを用いた反応解析により様々なシステムにおいてその電極反応の本質を捕らえることが可能となってくることを示唆している。

Report

(2 results)
  • 2008 Annual Research Report
  • 2007 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2009 2008 2007

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (5 results)

  • [Journal Article] First principles study on electronic structures of Ni/H/ZrO2 triple phase boudary2009

    • Author(s)
      Tomofumi Tada
    • Journal Title

      ECS Transactions (掲載確定)(印刷中)

    • Related Report
      2008 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hyperfine switching triggered by resonant tunneling for the detection of a single nuclear spin qubit2008

    • Author(s)
      Tomofumi Tada
    • Journal Title

      Phys. Lett. A 372

      Pages: 6690-6693

    • Related Report
      2008 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Migration of Ag in low-temperature Ag_2S from first principles2008

    • Author(s)
      Zhongchang Wang
    • Journal Title

      Journal of Chemical Physics 128

      Pages: 147041-147046

    • Related Report
      2007 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] First principles study on the electronic structure and reactivity of Ni/H/Zr02 triple phase boundary in solid oxide fuel cell2009

    • Author(s)
      Tomofumi Tada
    • Organizer
      Nonstoichiometric Compounds
    • Place of Presentation
      Jeju island/Korea
    • Year and Date
      2009-03-11
    • Related Report
      2008 Annual Research Report
  • [Presentation] Ni/H2/YSZ三相界面における水酸化反応の第一原理計算2008

    • Author(s)
      多田朋史
    • Organizer
      第34回固体イオニクス討論会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2008-12-04
    • Related Report
      2008 Annual Research Report
  • [Presentation] First principles study on Hydrogen diffusion and oxidation at the triple-phase-boundary of Ni/H2/ZrO22008

    • Author(s)
      Tomofumi Tada
    • Organizer
      Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-state Science
    • Place of Presentation
      Honolulu/U.S.A.
    • Year and Date
      2008-10-16
    • Related Report
      2008 Annual Research Report
  • [Presentation] Ni-YSZ燃料極反応場探索とサーメット伝導特性に関する第一原理計算2007

    • Author(s)
      多田朋史
    • Organizer
      第33回固体イオニクス討論会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2007-12-06
    • Related Report
      2007 Annual Research Report
  • [Presentation] 第一原理計算による固体酸化物形燃料電池の燃料極反応場に関する理論的2007

    • Author(s)
      多田朋史
    • Organizer
      2007年電気化学秋季大会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス
    • Year and Date
      2007-09-20
    • Related Report
      2007 Annual Research Report

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Published: 2007-04-01   Modified: 2018-03-28  

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