Theoretical elucidation of optimal structure for PEMFC catalyst layer based on non-equilibrium thermodynamics

基于非平衡热力学的质子交换膜燃料电池催化剂层优化结构的理论阐释

基本信息

批准号：
22KJ2198
负责人：
Alizadehkolagar Seyedmehrzad
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2198/
关键词：
燃料電池数理最適化不可逆損失非平衡熱力学

项目摘要

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．

本研究旨在建立一种“最小化燃料电池和二次电池等电化学装置的电极的不可逆损失”的理论。因此，我们关注“熵生成最小化”，并基于数值分析考虑局部熵生成率的空间分布。今年，我们优化了两个系统中的材料分布：化学多孔反应器和电化学多孔反应器。目的是提高系统的性能。两个系统都涉及多个速度/传输过程，并且使用拓扑优化方法来获得优化的布局。拓扑优化基于伴随变量方法，通过在速度和传输现象之间取得折衷来实现性能改进。此外，我们基于非平衡热力学的概念推导了熵产生模型，并分析了局部和全局的熵产生率。识别并单独量化不可逆转的各种原因。我们从熵产生的角度比较了两种不同的优化方法，并阐明了物理化学差异。作为一个实际的例子，我们开发了聚合物电解质燃料电池（PEFC）的非等温两相流模型。目的是优化PEFC电极的结构，提高电池的整体性能。研究成果发表在期刊文章和多个国内外会议上。