第一原理計算を基盤とした非平衡電子状態計算による燃料酸化反応の局所反応場解析

基于第一性原理计算的非平衡电子态计算燃料氧化反应的局域反应场分析

基本信息

批准号：
19017004
负责人：
多田朋史
金额：
$ 2.94万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

项目摘要

高温で作動する固体酸化物形燃料電池(SOFC)は燃料電池の中でも非常に高いエネルギー変換効率が期待できるため精力的に開発が行われているが、電池の発電と密接に関わっている燃料酸化反応のミクロスコピックな理解はまだ不十分であり、反応場設計をするうえでの具体的な指針が明確になってはいない。本研究は、第一原理計算を基盤とし、ミクロスコピックな視点から反応の本質をとらえ、それがマクロなレベルでの発電とどのように関わっているのかを明らかにすることを目的とし研究を行ってきた。電極反応の第一原理計算による反応解析を行う上で、まず必要となるのが反応場の具体的な構造である。ただし、反応場は固体電解質、金属電極、燃料気体を含有できる真空領域を含んでおり、その具体的な(原子レベル)での構造は複雑さを極めるため、どのような計算モデルが妥当であるのかさえ分かっていない。本研究では、この反応場に対して、膨大な計算を行い、反応場に内在する化学的性質が次の2点に集約可能であることを見いだした。1)固体電解質と金属電極の接触部の金属原子の電子状態が孤立原子の電子状態に類似しており、それゆえ化学的に硬い反応場を提供、2)固体電解質と金属電極の接触部の金属原子の電子状態が金属内原子の電子状態に類似しており、それゆえ化学的に軟らかい反応場を提供。それぞれの反応場が、酸素イオン移動に伴う電荷の放出という現象に対して、それぞれ異なる挙動を示すことを確認している。また、この化学的な分類に加え、計算上都合のよい小数原子からなるモデルを上述の化学的性質を保持した状態で構築可能であることを見いだした(点接触三相界面モデル)。本研究による点接触三相界面モデルの提案は、電極反応解析において非常に効果的なモデルの存在を提示しており、同モデルを用いた反応解析により様々なシステムにおいてその電極反応の本質を捕らえることが可能となってくることを示唆している。

在高温下运行的固体氧化物燃料电池（SOFC）正在积极开发，因为它们可以期望燃料电池之间的能量转化效率极高，但是对燃料氧化反应的理解与电池发电密切相关，与电池发电密切相关，仍然没有足够的关系，并且尚未澄清设计设计反应领域的具体指南。这项研究基于第一原理的计算，并以微观的角度捕获反应的本质，并阐明这与宏观水平的发电有何关系。当使用电极反应的第一个原理计算进行反应分析时，首先需要的是反应场的特定结构。但是，反应场包括一个可以包含固体电解质，金属电极和燃料气体的真空区域，并且在特定（原子水平）处的结构非常复杂，因此甚至不知道哪种计算模型有效。在这项研究中，我们在该反应场上进行了大量计算，发现反应场中固有的化学特性可以汇总到以下两个点中：1）在固体电解质的接触部分和金属电极的电子原子的电子状态和金属电极的电子状态与隔离原子的电子状态相似，从而提供了化学上的硬反应场； 2）金属原子的电子状态在固体电解质的接触部分和金属电极的接触部分与固体电解质和金属电极接触部分的金属原子的电子状态相似，因此提供了化学软反应场。已经证实，每个反应场与与氧离子转移相关的电荷释放现象的行为不同。除了这种化学分类外，我们还发现，可以在保留上述化学特性（点触点三相界面模型）的同时构建由小数原子组成的模型。本研究中点触点三相界面模型的建议提出了一个高效的电极反应分析模型，这表明使用相同模型的反应分析将使IT能够捕获各种系统中电极反应的本质。