Theoretical elucidation of optimal structure for PEMFC catalyst layer based on non-equilibrium thermodynamics
| Project/Area Number |
22KJ2198
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| Project/Area Number (Other) |
22J20603 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
Alizadehkolagar Seyedmehrzad 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 燃料電池 / 数理最適化 / 不可逆損失 / 非平衡熱力学 |
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| Outline of Research at the Start |
化石燃料資源の枯渇や化石燃料の大量使用による環境問題が懸念され，拡大するエネルギー需要を満たすため，新エネルギーへの転換が求められている．水素が注目され,固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC）を用いた高効率発電が期待されている．PEFCは高出力密度，迅速な起動，低い動作温度といった特徴を持つため，自動車用動力源や分散型電気・熱供給源など，さまざまな用途での利用が進められている．PEFCの高性能化を目指しており，そのために不可欠な触媒層の微細構造制御に向けた研究をする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，燃料電池や二次電池などの電気化学デバイスの電極における「不可逆損失の最小化」のための理論の確立を目指す．そのため，「エントロピー生成最小化」に着目し，数値解析に基づき局所エントロピー生成率の空間分布を考察する．今年度は，化学多孔質反応器と電気化学多孔質反応器の2つのシステムにおいて，材料分布の最適化を行った．その目的は，システムの性能を高めることであった．どちらのシステムも，複数の速度・輸送過程を伴い，最適化されたレイアウトを得るため，トポロジー最適化法が使用された．トポロジー最適化は，アドジョイント変数法に基づいており，性能向上は，速度現象と輸送現象の間の妥協点を得ることで達成される．さらに，非平衡熱力学の概念に基づいてエントロピー生成モデルを導出し，エントロピー生成のローカル・グローバルレートを解析した．様々な不可逆性の原因を特定し，個別に定量化する．エントロピー生成の観点から2つの異なる最適化アプローチを比較し，物理化学的な差異を明らかにした．実際の実用例として，固体高分子形燃料電池（PEFC）の非等温二相流モデルを開発した．PEFC電極の構造を最適化し，セル全体の性能を向上させることを目的としている．研究成果は，ジャーナル論文や複数の国内外の会議で発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では研究開発項目として，固体高分子形燃料電池（PEFC）の電極における「不可逆損失の最小化」に関する理論的および数理計算科学的な解明を目的としている．この研究によって，燃料電池や二次電池などの電気化学デバイスにおける性能向上につながる重要な知見を得ることができると考えられる．これまでに，固体高分子形燃料電池（PEFC）の性能を特徴付ける数学モデルが開発された．輸送特性は電極構造にリンクされている．このモデルは，異なる作動条件下でのセルの性能をシミュレートするために使用できる．モデルは，トポロジー最適化手法と統合され，触媒層内の最適な材料分布を見つけることができる．より良い構造は，酸素の供給と液体水の排出を強化した．さらに，「多孔質反応輸送場」において，化学反応と拡散輸送を考慮し，素材配分の最適化することで「不可逆損失」を減らす方法について，新たなアプローチを試みた．同時に，「反応量の最大化」と「損失の最小化」という問題に対して，アジョイント変数法を用いた数値解析手法を構築した．その結果，材料の最適分布を数値的に計算し，局所エントロピー発生率およびその積分量の空間分布を解析することが可能となった．これらの2つの最適化手法は，数値的および物理的に比較されている．物理的比較には，非平衡熱力学に基づいて開発されたモデルに基づくエントロピー発生解析が使用された．両方の手法における最適化プロセス中の系内の局所および全体のエントロピー発生の変化が比較された．研究協力により，より効率よくシミュレーションを行うことができるようになりました．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は，固体高分子形燃料電池（PEFC）のエントロピー発生モデルを導出する．このモデルを用いて，数値解析により実用的なアプリケーション（PEFC）におけるイリバーシブルの割合を測定する予定である．最適化結果に対する熱的かつ時間的な影響を調査する．また，エントロピー生成解析に基づき，理論的な最適化構造を明らかにすることを目指す．さらに，研究成果は，複数の学術論文や学会発表で発信する予定である．
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
