久保研究室

ポスト「京」萌芽的課題「基礎科学の挑戦」

東北大学久保研究室(マルチフィジックス・マルチスケールシミュレーション)では研究室見学、相談を随時受け付けています。

燃料電池

燃料電池シミュレーション

燃料電池シミュレーションの研究目的

   次世代エネルギーシステムとして期待される燃料電池は、機械工学、連続体力学、電気化学、表面科学、触媒化学、化学工学などの総合技術であり、ナノ材料の機能・性質がマクロスケールでの電池性能、寿命特性に大きな影響を及ぼす顕著な例です。そのため、燃料電池の設計・開発には、「化学反応、流体、電位、拡散、電子伝導、熱伝導」などが複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象の理解が不可欠となっています。また、例えば自動車用電源として期待されている固体高分子形燃料電池が抱える問題は、触媒活性、金属の溶出、酸素拡散、水の滞留、温度分布など、電子レベルからマクロレベルまで幅広いスケールに及んでいます。
   そこで久保研究室では、燃料電池システムにおいて、電子・原子レベルでのマルチフィジックス現象の深い理解に基づき、マクロレベルの機能設計・システム設計が可能なマルチフィジックス・マルチスケール計算科学シミュレーション技術を確立することを目標としています。さらに、新規シミュレーション技術を活用して、様々な燃料電池の中で起こるマルチフィジックス現象、マルチスケール現象を解明することで、燃料電池システムの高精度かつ高速なシステム設計・材料設計というブレイクスルーの実現を目指しています。

燃料電池シミュレーション技術の開発

   久保研究室では、これまでに分子動力学法に基づき固体酸化物形燃料電池中の酸素拡散現象、固体高分子形燃料電池におけるプロトン拡散現象を定量的に予測可能なシミュレータの開発、SCF-Tight-Binding分子動力学法に基づき固体酸化物形燃料電池と固体高分子形燃料電池における電極反応ダイナミクス、劣化現象ダイナミクスを解明可能な燃料電池シミュレータの開発など、多種多様な燃料電池シミュレータの開発に成功してきました。
   さらに久保研究室では、燃料電池システムにおいて、(1)「化学反応、流体、電位、拡散、電子伝導、熱伝導」などが複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象を解明可能なマルチフィジックス計算科学シミュレーション技術の確立、(2)電子・原子レベルの第一原理分子動力学シミュレーションからマクロレベルの連続体力学シミュレーションまでの幅広いシミュレーション技術を統合したマルチスケール計算科学シミュレーション技術の確立を目標としています。

燃料電池シミュレーション技術の応用

   久保研究室では、オリジナルに開発した燃料電池シミュレーション技術を活用することで、下記に示す様々な燃料電池システムの機能設計・システム設計を実現することを目標としています。

  • 固体酸化物形燃料電池における劣化メカニズム、機械的特性の解明と耐久性の向上
  • 固体酸化物形燃料電池における多孔質電極構造の設計
  • 固体酸化物形燃料電池におけるイオン伝導体と電極材料の設計
  • 固体高分子形燃料電池における白金代替電極触媒・高性能電極触媒の設計
  • 固体高分子形燃料電池における劣化メカニズムの解明と耐久性の向上
  • 固体高分子形燃料電池における高分子電解質中のプロトン拡散、水クラスター分布の解明と性能向上

本研究内容に関する問い合わせ先

燃料電池シミュレーションと燃料電池シミュレータに関するお問い合わせは下記まで。

教授 久保百司
〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-11-701
東北大学大学院工学研究科附属エネルギー安全科学国際研究センター
マルチフィジックス計算科学研究分野 久保研究室
(教授室)TEL: 022-795-6930 FAX: 022-795-6931
(研究室)TEL: 022-795-6933
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