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

点击翻译按钮获取中文摘要

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．