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

电化学反应输运领域不可逆损失最小化原理与实践

基本信息

批准号：
21H04540
负责人：
津島将司
金额：
$ 24.29万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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，固体高分子形燃料電池とレドックスフロー電池を対象として，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．電荷輸送を考慮したエントロピー生成の定式化を行い，「電気化学反応輸送場」において電池出力を最大化する解析手法を構築した．その上で，系内のエントロピー生成量を反応量でスケーリングした指標を導入し，「不可逆損失を最小化」する最適解との関係について考察を加えた．「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．

在这项研究中，我们的目标是构建一种在燃料电池和二次电池等“电化学反应传输领域”中“最小化不可逆损失”的理论，并将其在实际设备中付诸实践。特别是，（1）给定构成“电化学反应传输场”的材料，其时空结构可以实现的不可逆损失的最小值是多少？（2）最小化不可逆的“电化学反应传输场”？ ③使不可逆损失最小化的“电化学反应输运场”的时空结构是什么？为了弄清楚材料的时空结构是通过什么样的过程（制造过程）来实现的，我们构建了一个以“熵产生最小化”为中心的理论解决方案，并并行地进行了数学计算，讨论了材料的时空分布。基于科学数值解的局部熵生成率。此外，我们的目标是通过综合处理从聚合物电解质燃料电池和氧化还原液流电池的电池材料到电池结构的所有内容，实践“最小化熵产生”。今年，我们将对局部孔隙率的空间分布进行理论和分析研究，以“最小化不可逆损失”，例如“多孔反应输运场”和“多孔电极反应输运场”。我们制定了考虑电荷传输的熵生成，并开发了一种在“电化学反应传输领域”中最大化电池输出的分析方法。基于此，我们引入了一个指标，该指标通过反应量来缩放系统内产生的熵量，并考虑其与“最小化不可逆损失”的最佳解决方案的关系。作为将涉及“电化学反应传输场”的实际装置的不可逆损失最小化的实践，我们通过最小化系统内的时间和空间不均匀性来研究聚合物电解质燃料电池和氧化还原流动电池中的多孔电极的结构。和开发，包括在引入情况下分析电池内部的传输现象，以及创建促进传输现象的新材料。