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

点击翻译按钮获取中文摘要

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．