2023 Fiscal Year Annual Research Report
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
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21H04540
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
津島 将司 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30323794)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 崇弘 大阪大学, 大学院工学研究科, 講師 (90711630)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| 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 |
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| 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．
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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，（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．
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| 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。
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