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電気化学反応輸送場における不可逆損失最小化の学理と実践

Research Project

Project/Area Number 21H04540
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

津島 将司  大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30323794)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 崇弘  大阪大学, 大学院工学研究科, 講師 (90711630)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2021: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
Keywords燃料電池 / 二次電池 / 不可逆損失 / 数理最適化 / ナノマイクロ構造制御
Outline of Research at the Start

次世代のエネルギー社会における脱炭素化を実現するために、自動車用途では固体高分子形燃料電池、太陽光・風力などの再生可能エネルギーの大規模蓄電用途ではレドックスフロー電池、の高性能化が期待されています。本研究課題では、これらを「電気化学反応輸送場」として共通して扱い、理論と実験のアプローチにより、最も性能が高い電池構造はどのようなものか、を明らかにし、実現するための研究開発を行います。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,燃料電池や二次電池などの「電気化学反応輸送場」において「不可逆損失を最小化」するための学理を構築し,実デバイスにおいて実践することを目指している.特に,①「電気化学反応輸送場」を構成する物質が与えられた時に,それらの時空間構造により実現できる不可逆損失の最小値はいくらか,②不可逆損失を最小化する「電気化学反応輸送場」の時空間構造はどのようなものか,③不可逆損失を最小化する「電気化学反応輸送場」の物質の時空間構造は,どのようなプロセス(製造工程)により実現できるのか,を明らかにするために,「エントロピー生成最小化」に着目して理論解の構築を行い,並行して数理計算科学による数値解にもとづく局所エントロピー生成率の時空間分布についての考察を行う.さらに,電池材料からセル構造まで統合的に扱い「エントロピー生成最小化」を実践することを目的としている.本年度は,多成分系の「多孔質反応輸送場」ならびに「多孔質電極反応輸送場」を対象として,「不可逆損失を最小化」する局所空隙率の空間分布について理論的・解析的な検討を行った.その上で,「電気化学反応輸送場」において電流密度と電圧をともに考慮して電池出力を最大化する解析手法を構築した.さらに,電荷輸送を考慮したエントロピー生成の評価解析を行い,最適化構造においてエントロピー生成分布が均等化することを示した.細孔スケールでの多孔質構造の最適化についてもポアネットワークモデルおよび随伴変数格子ボルツマン法を用いた手法の開発を行った.「電気化学反応輸送場」を伴う実デバイスを対象とした不可逆損失最小化の実践として,固体高分子形燃料電池ならびにレドックスフロー電池の多孔質電極構造について,系内に時間および空間不均一性を導入とした場合における電池内部での輸送現象解析ならびに輸送現象を促進する新規材料の創製を含めた研究開発を行った.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究では,(1)「電気化学反応輸送場」における「不可逆損失の最小化」の理論的解明,(2)「電気化学反応輸送場」における「不可逆損失の最小化」の数理計算科学的解明,(3)「電気化学反応輸送場」における「不可逆損失の最小化」の実験科学的解明,を推進し,現在までに,「多孔質反応輸送場」を対象として,「不可逆損失を最小化」する局所空隙率の空間分布について,「エントロピー生成における均等分割の原理」を適用することで反応物分布を算出し,局所空隙率に関する支配方程式を導き,理論解析のための基盤を構築した.あわせて,「反応量を最大化」ならびに「不可逆損失を最小化」する問題について,随伴変数法を用いて数値解析する手法を構築した.その上で「多孔質電極反応輸送場」について,電流密度と電圧をともに考慮して電池出力を最大化する解析手法を構築した.さらに,電荷輸送を考慮したエントロピー生成の解析手法の構築と評価解析を行い,最適化構造においてエントロピー生成分布が均等化することを示した.加えて,多孔質電極の細孔スケールでの最適化構造の解明についての研究に着手し,ポアネットワークモデルならびに随伴変数格子ボルツマン法を用いた最適化手法を開発することができた.これらは当初の計画を上回るものである.実デバイスにおける実践においては,固体高分子形燃料電池ならびにレドックスフロー電池の多孔質電極内輸送現象の解明にもとづく支配因子の抽出を進め,電極構造の構築ならびに新規材料についての研究開発を推進した.これまでに,電極構造と輸送物性の関係,ならびに,新たな構造化電極を構築するための知見が得られている.これらの成果は本研究で目的とする,「電気化学反応輸送場」における「不可逆損失を最小化」するための学理の構築と実デバイスにおける実践の基盤となるものであり,研究開発は当初の計画以上に進展しているものと考えている.

Strategy for Future Research Activity

四年度においては,それぞれ次の研究開発を推進する.
①非平衡熱力学における「均等分割の原理」にもとづく「エントロピー生成最小化」の「多孔質電極反応輸送場」への適用 :電気化学反応と輸送現象を伴う「多孔質電極反応輸送場」を対象として、「不可逆損失を最小化」する局所空隙率の空間分布について、非平衡熱力学における「均等分割の原理」にもとづく「エントロピー生成最小化」に着目した考察を進め、「電気化学反応場」における「エントロピー生成最小化」の原理適用について検討を行う。
②「電気化学反応輸送場」における反応輸送物性の時空間分布形成による「不可逆損失最小化」の数理計算科学による検証:これまでに構築した多成分化学反応と拡散輸送による「多孔質反応輸送場」および電荷輸送を伴う「電気化学反応輸送場」における「出力の最大化」もしくは「エネルギー損失の最小化」の数理解析手法について、最適解への時間発展に伴う局所エントロピー生成の素過程と空間分布に着目した解析を行う。加えて、「追加次元」として時間を考慮した解析手法についての検討を進める。
③実デバイスを対象とした時空間構造を制御した「電気化学反応輸送場」の構築と不可逆損失最小化の実践:固体高分子形燃料電池ならびにレドックスフロー電池を対象として、時空間構造を制御した「電気化学反応輸送場」を形成した上で、電極反応輸送物性の導出ならびに不可逆損失の評価解析を行う。その上で、多孔質電極における反応輸送流束を促進する空間構造 および時間構造 についての検討を行う。あわせて、電気化学反応およびイオン輸送に伴う不可逆損失を最小化するための電極材料ならびに電解質材料の研究開発を進める。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (67 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (56 results) (of which Int'l Joint Research: 27 results,  Invited: 8 results)

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      Alizadeh Mehrzad、Charoen-amornkitt Patcharawat、Suzuki Takahiro、Tsushima Shohji
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      Volume: 294 Pages: 117567-117567

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      Volume: 275 Pages: 118739-118739

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      Volume: 124 Issue: 1235 Pages: 20-23

    • DOI

      10.1299/jsmemag.124.1235_20

    • NAID

      130008126066

    • ISSN
      2424-2675
    • Year and Date
      2021-10-05
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    • Author(s)
      M. Alizadeh, T. Suzuki, S. Tsushima
    • Organizer
      第59回伝熱シンポジウム
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 回転円柱場を用いた白金電極の電気化学反応輸送特性解析2022

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      大森将秀,P. Charoen-amornkitt,鈴木崇弘,津島将司
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      第59回伝熱シンポジウム
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  • [Presentation] Numerical analysis on optimization of porosity distribution in a reaction- diffusion system using an adjoint method2022

    • Author(s)
      P. Charoen-amornkitt,鈴木崇弘,津島将司
    • Organizer
      第59回伝熱シンポジウム
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 界面活性剤がPEFC触媒層の構造形成と発電性能に及ぼす影響2022

    • Author(s)
      藤田 伸悟, 鈴木 崇弘, 津島 将司
    • Organizer
      熱工学コンファレンス2022
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 電解液の脈動供給がバナジウムレドックスフロー電池性能へ及ぼす影響2022

    • Author(s)
      松尾 郁紘, 鈴木 崇弘, 津島 将司
    • Organizer
      熱工学コンファレンス2022
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 格子ボルツマン法を用いた多孔質内液相蒸発挙動の基礎的検討2022

    • Author(s)
      櫻井 亮太, 鈴木 崇弘, 津島 将司
    • Organizer
      熱工学コンファレンス2022
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Design and Fabrication of Porous Electrodes for Fuel Cell Applications2022

    • Author(s)
      S. Tsushima
    • Organizer
      The Annual Chinese Heat and Mass Transfer Conference.
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] インクジェット技術による固体高分子形燃料電池電極触媒層の構造化2022

    • Author(s)
      津島将司,鈴木崇弘
    • Organizer
      機能性フレキシブルとインクジェット技術分科会
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    • Invited
  • [Presentation] Design and Control of Transport Phenomena in Electrochemical Systems for Power Source Applications2022

    • Author(s)
      S. Tsushima
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      The 32nd International Symposium on Transport Phenomena
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    • Invited
  • [Presentation] Investigation of Effects of Engineered Pores in a Fibrous Electrode on Reaction and Transport Properties in Vanadium Redox Flow Battery By Lattice Boltzmann Simulation2021

    • Author(s)
      N. Miyazawa, T. Suzuki, S. Tsushima
    • Organizer
      239th meeting of Electrochemical Society
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  • [Presentation] インクジェット法により作製した固体高分子形燃料電池触媒層の構造解析と性能評価2021

    • Author(s)
      清水祐樹,鈴木崇弘,津島将司
    • Organizer
      第58回伝熱シンポジウム
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  • [Presentation] レドックスフロー電池ファイバー電極における貫通孔導入に関するLBM解析2021

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      宮澤直之,鈴木崇弘,津島将司
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      第58回伝熱シンポジウム
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  • [Presentation] 軟X線イメージングによる電極スラリー分散状態と沈降挙動の解析2021

    • Author(s)
      徳永結美,鈴木崇弘,津島将司
    • Organizer
      第58回伝熱シンポジウム
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Numerical investigation on optimization of porosity distribution in a reaction-diffusion system in porous media2021

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      P. Charoen-amornkitt, T. Suzuki, S. Tsushima
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  • [Presentation] Electrochemical and Flow Fields Simulation in Ordered and Disordered Fibrous Electrodes by High Schmidt Number Lattice Boltzmann Method2021

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      N. Miyazawa, M. Doi, T. Suzuki, S. Tsushima
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      M. Omori, P. Charoen-Amornkitt, T. Suzuki, S. Tsushima
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 燃料電池とフロー電池における多孔質電極のデザインとものづくり2021

    • Author(s)
      津島将司,鈴木崇弘
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    • Invited
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    • Author(s)
      R. Kobayashi, T. Suzuki, S. Tsushima
    • Organizer
      Second Asian Conference on Thermal Sciences
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Impedance Measurement of Materials for a Polymer Electrolyte Fuel Cell Catalyst Layer using a Microelectrode Chip2021

    • Author(s)
      T. Yoshikawa, T. Suzuki, S. Tsushima
    • Organizer
      Second Asian Conference on Thermal Sciences
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    • Int'l Joint Research

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-04-17  

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