表面・界面の化学現象と多孔体構造変化の連成現象のマルチスケールシミュレータの開発

开发表面/界面化学现象与多孔结构变化之间耦合现象的多尺度模拟器

• 批准号: 12J07877
• 负责人: 中尾 和英
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J07877/
• 关键词: 固体酸化物形燃料電池; シンタリング; 分子動力学法; 密度汎関数理論; フェーズフィールドモデル; SOFC; 分子動力学; 表面エネルギー; 表面拡散係数; マスターシンタリングカーブ; 反応性力場

本年度は、密度汎関数理論を用いた拡散係数の算出、フェーズフィールド法を用いた実構造の構造発展シミュレーション及び、分子動力学法・密度汎関数理論・フェーズフィールド法を組み合わせたマルチフィジックス・マルチスケールシミュレーション手法の構築を行った。固体酸化物形燃料電池(SOFC)の燃料極はニッケルを用いたサーメットの多孔体が主に使用されているが、SOFCの高い動作温度、電極内の雰囲気や使用される材料に影響されるニッケルのシンタリングによる性能低下が問題となっており、この予測技術の確立が重要となる。この予測に向けてまず、密度汎関数理論を用いた表面拡散係数の算出において表面吸着元素との複合体形成を考慮することにより、ガス雰囲気の違いを考慮したNiの表面拡散係数の算出が可能となった。次に、このような表面拡散変化の変化を取り込むことが可能なフェーズフィールド法による実構造発展シミュレーション手法を開発することにより、拡散係数が実際の構造変化へ与える影響をとらえることが可能となった。最後に、分子動力学計算によるシンタリングを支配する拡散機構の解明、密度汎関数理論計算によるガス雰囲気を考慮した拡散係数の算出を、フェーズフィールド法を用いた実構造の構造発展シミュレーションと組み合わせたシミュレーションスキームの構築を行った。このスキームを用いることで、原子スケールシミュレーションの時間・空間スケールの大幅な拡張が可能となった。このような、原子スケールシミュレーションと実スケールでの構造発展シミュレーションを組み合わせたマルチスケールシミュレーションスキームの構築により、より現実的なSOFC動作環境を考慮した構造発展シミュレーションへの道が拓けた。

今年，我们使用密度函数理论，使用相位场方法对实体结构的结构发展进行了计算，并构建了结合分子动力学，密度功能理论和相位场方法的多物理和多尺度模拟方法。尽管固体氧化物燃料电池（SOFC）的燃料电极主要与由镍制成的Cermet多孔体一起使用，但SOFC的高工作温度，由于镍烧结而导致的性能退化，这受电极内部的大气和所使用的材料的影响，这是一个问题，这对于建立此预测技术很重要。为了进行这一预测，首先，使用密度函数理论计算表面扩散系数时，可以考虑到气体气氛的差异，可以计算Ni的表面扩散系数。接下来，通过使用相位场方法开发一个真实的结构演化仿真方法，该方法可以在表面扩散变化中纳入变化，就可以捕获扩散系数对实际结构变化的影响。最后，构建了一个模拟方案，其中通过分子动力学计算来控制烧结的扩散机制，并通过使用相位方法的结构仿真来考虑到通过密度功能理论计算的气体大气计算的扩散系数的计算。使用此方案，可以大大扩展原子量表模拟的时间和空间尺度。这种多尺度仿真方案的构建结合了原子尺度模拟与实际尺度结构演化模拟，已经考虑了一个更现实的SOFC操作环境，为结构演化模拟的道路开辟了道路。

项目成果

Molecular Dynamics Study for Sintering Property Analysis of Ni-YSZ cermet

Ni-YSZ金属陶瓷烧结性能分析的分子动力学研究

• 发表时间: 2013
• 作者: 大平充;千賀裕太郎;大平充;K. Nakao
• 通讯作者: K. Nakao

ニッケル多孔体のシンタリング特性解析のための分子動力学的研究

多孔镍材料烧结特性分析的分子动力学研究

• 发表时间: 2012
• 作者: 大平充;千賀裕太郎;大平充;K. Nakao;大平充;大平充;中尾 和英;K. Nakao;K. Nakao;中尾 和英;中尾 和英;K. Nakao;中尾和英;中尾和英
• 通讯作者: 中尾和英

Molecular dynamics study for the effect of hydrogen on nickel surface diffusion

氢对镍表面扩散影响的分子动力学研究

• 发表时间: 2014
• 作者: Kazuhide Nakao;Takayoshi Ishimoto;Michihisa Koyama
• 通讯作者: Michihisa Koyama

Analysis of Sintering Property for Ni and Ni-YSZ by using Molecular Dynamics Simulation

分子动力学模拟分析Ni和Ni-YSZ的烧结性能

• 发表时间: 2013
• 作者: 大平充;千賀裕太郎;大平充;K. Nakao;大平充;大平充;中尾 和英;K. Nakao
• 通讯作者: K. Nakao

Ni表面拡散へ表面吸着種が与える影響の理論解析

表面吸附物质对Ni表面扩散影响的理论分析

• 发表时间: 2014
• 作者: 中尾 和英;石元 孝佳;古山 通久
• 通讯作者: 古山 通久