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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。

Solid acid fuel cells (SOFC) operate at high temperatures and have very high conversion efficiency in the middle of the fuel cell. They are expected to have high energy development, battery power generation and close contact. They have specific guidelines for understanding fuel acidification reaction and reaction field design. This study is based on first-principles calculations and aims to investigate the nature of the phenomenon. The first principle calculation of electrode reflection is carried out on the basis of reflection analysis, which is necessary for the specific structure of reflection field. Solid electrolyte, metal electrode, fuel gas, vacuum field, specific structure, complex structure, electrode, calculation, etc. In this study, the chemical properties of anti-magnetic field are studied in detail. 1)The electronic state of the metal atom in the contact part of the solid electrolyte and the metal electrode is similar to the electronic state of the isolated atom, and the chemical hard reaction field is provided. 2) The electronic state of the metal atom in the contact part of the solid electrolyte and the metal electrode is similar to the electronic state of the metal atom in the metal. The chemical soft reaction field is provided. For example, the reaction field, the movement of the acid element, and the emission of the electric charge are all confirmed. The chemical properties of these compounds can be maintained in a state where they are classified and calculated (point contact, three-phase interface). In this study, the proposal of the point-contact three-phase interface is proposed, and the electrode reaction analysis is very important to the existence of the electrode reaction.