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2012 年度 実績報告書

非平衡第一原理計算を基盤とした電流密度計算による燃料電池メゾスケールモデリング

研究課題

研究課題/領域番号 22760534
研究機関東京大学

研究代表者

多田 朋史  東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40376512)

研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2013-03-31
キーワード第一原理計算 / 非平衡グリーン関数 / 燃料電池 / 燃料酸化反応 / 動的モンテカルロ
研究概要

本研究課題の目的は、固体酸化物形燃料電池のNi/YSZを研究対象とし、燃料酸化反応の反応経路解析を電極の存在を取り込んだ第一原理計算で実行し、そこから得られる電気化学反応素過程の速度論的情報を動的モンテカルロ計算に取り込むことで、3次元電極実構造を反映した形で、交換電流密度のメソスケールシミュレーションを達成することである。研究実施計画にもとづき最終年度である昨年度は動的モンテカルロ計算をメソスケールで実行するための並列化動的モンテカルロプログラム作成に注力し、主にそのコード開発を行ってきた。その成果として、任意のユニット構造体を三次元的に積み上げ、その巨大構造体に対して発生可能な反応・イオン移動イベントをリストアップし動的モンテカルロ計算が実行できるものとして開発することに成功し、さらにはこの計算プログラムが並列化されて実行されるため、通常の動的モンテカルロ計算では到達しえない時間・空間スケールのダイナミクスを行えるという特徴を有するものとなった。ただし、この並列化への取り組みは当初想定していたものより大変困難を極め、特に動的モンテカルロアルゴリズムと並列化アルゴリズムに内在する相反するコンセプトが存在することから、並列化を導入する上でアルゴリズムの変更を検討する必要性が生じた。このため、プログラム開発に今年度の時間のほとんどを割いてしまったため電流密度算出に関してはテストプログラム程度の結果のみが得られたという状況であるが、当初の目的である並列化大規模動的モンテカルロ計算プログラムの開発と実行にまで到達したという点において十分な成果が得られたと言える。このメソスケール動的モンテカルロシミュレーションプログラムの有効性は、燃料電池研究はもちろんさらに多方面における適用が想定できここでの成果は大変大きいものと言える。

現在までの達成度 (区分)
理由

24年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

24年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 3件)

  • [雑誌論文]2012

    • 著者名/発表者名
      S. Kasamatsu, T. Tada, and S. Watanabe
    • 雑誌名

      Solid State Ionics

      巻: 226 ページ: 62-70

    • URL

      http://dx.doi.org/10.1016/j.ssi.2012.08.009

    • 査読あり
  • [学会発表] First principles calculations and kinetic Monte Carlo simulations for chemical reaction analysis at the Ni/H2/YSZ triple phase boundary2013

    • 著者名/発表者名
      T. Tada, N. Watanabe, and S. Watanabe
    • 学会等名
      International symposium on Simulations and Measurements for Electrochemistry in Solid Oxide Fuel Cells 2013
    • 発表場所
      Tokyo, Fukutake Hall
    • 年月日
      20130311-20130312
  • [学会発表] Kinetic Monte Carlo Study on oxygen migrations and chemical reactions in Ni/YSZ SOFC anode2013

    • 著者名/発表者名
      T. Tada and S. Watanabe
    • 学会等名
      JSPS Asian Core Program: SNU-UT Workshop on Oxide Systems for Energy & Electric Applications
    • 発表場所
      Korea, Seoul
    • 年月日
      20130108-20130109
  • [学会発表] First principles calculations of the chemical reactions at the triple phase boundary in Solid Oxide Fuel Cells2012

    • 著者名/発表者名
      T. Tada and S. Watanabe
    • 学会等名
      BIT’s 2nd Annual Congress of Nanoscience and Nanotechnology 2012
    • 発表場所
      China, Quingdao
    • 年月日
      20121026-20121029
    • 招待講演
  • [学会発表] First-Principles Simulations on Electronic and Dielectric Properties of Metal-Oxide Heterostructures for Understanding Nanoscale Devices2012

    • 著者名/発表者名
      S. Watanabe, S. Kasamatsu, S. Han, X. Bo, T. Gu, and T. Tada
    • 学会等名
      ICEAN 2012: International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials
    • 発表場所
      Australia, Brisbane
    • 年月日
      20121022-20121025
    • 招待講演
  • [学会発表] Nanoscale and multiscale simulations on ion motion and chemical reactions in SOFC2012

    • 著者名/発表者名
      T. Tada and S. Watanabe
    • 学会等名
      244th American Chemical Society National Meeting
    • 発表場所
      U.S.A., Philadelphia
    • 年月日
      20120819-20120823
    • 招待講演

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公開日: 2014-07-24  

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