エネルギー極限利用のための大フラックス輸送ダイナミクス• メンバー （敬称略，順不同）− 鹿園直毅 （東京大学）− 飯山 明裕 （日産自動車）− 津島 将司 （東京工業大学）− 田渕 雄一郎 （日産自動車）− 長谷川 洋介 （東京大学）− 荒木 拓人 （横浜国立大学）− 井上 元 （京都大学）− 岩井 裕 （京都大学）− 篠原 和彦 （FC-Cubic）− 大島 伸行 （北海道大学）− 徳増 崇 （東北大学）− 鈴木 崇弘 （東京理科大学）− 焦 震鈞 （東京大学）− 岸本 将史 （Imperial College）− オブザーバ（トヨタ自動車，住友電工，オートモーティブ
エナジーサプライ，日産アーク）背景および目的• あらゆる機器の実使用時の省エネルギーを実現するためには，動特性を含めた広い動作範囲での性能向上と低コストの両立が不可欠• 低コストを実現する上での最大の鍵は出力密度の向上．つまり，あらゆるエネルギーデバイスは高出力密度・高エネルギー密度・大ダイナ
ミックレンジに向かう• 熱，物質，イオン，電子の輸送フラックス（流束）が増大するにつれて，物質とエネルギーの輸送過程における不可逆損失が増大• 本研究課題では，この“大フラックス”場をターゲットとし，そこの“輸送過程”での不可逆損失の低減を目的とする

第一回委員会
日時：平成25年2月16日（土）14:00～17:00
場所：京都大学 東京オフィス
参加者：鹿園直毅（東大），長谷川洋介（東大），焦震鈞（東大），津島将司（東工大），鈴木崇弘（東工大），飯山明裕（日産），田渕雄一郎（日産），篠原和彦（FCCubic），岩井裕（京大），井上元（京大），岸本将史（京大），荒木拓人（横国大）第二回委員会
日時：平成25年4月20日（土）14:00～17:00
場所：京都大学 東京オフィス
参加者： T. V. Nguyen（カンザス大），長谷川弘（FC-Cubic），篠原和彦（FC-Cubic），鹿園直毅（東大），田渕雄一郎（日産），飯山明裕（日産），焦震鈞（東大），荒木拓人（横国大），井上元 （京大），岩井裕（京大），鈴木崇弘（理科大） ，津島将司（東工大），オブザーバ（トヨタ，住友電工）

第三回委員会
日時：平成25年7月27日（土）14:00～17:00
場所：東工大キャンパスイノベーションセンター
参加者：菰田悦之（神戸大），篠原和彦（FC-Cubic），鹿園直毅（東大），田渕雄一郎（日産），飯山明裕（日産），荒木拓人（横国大），井上元（京大），岩井裕（京大），大島伸行（北大），鈴木崇弘（理科大），津島将司 （東工大），オブザーバ（トヨタ）

第四回委員会
日時：平成25年12月10日（火）14:00～17:00
場所： 京都大学 東京オフィス 会議室１
参加者： 荒木拓人 （横国大），飯山明裕（日産），田渕雄一郎 （日産），井上元（京大），大島伸行（北大），大仲英巳（FC-Cubic），鹿園直毅 （東大），篠原和彦 （FC-Cubic），焦 震鈞（東大），オブザーバ（トヨタ，オートモーティブエナジーサプライ，日産アーク）

飯山，緊急WS「伝熱工学が創出するグリーンイノベーション」, 2012

飯山，緊急WS「伝熱工学が創出するグリーンイノベーション」, 2012

プロセス・構造・性能をトータルに評価
Process

乾燥温度
CLインク濃度
イオノマーによるCB凝集効果
CLインクの撹拌操作
部材の選定ホットプレス圧力
インク塗布手法
粘弾性、沸点調整
多段階乾燥

Structure

Performance

細孔形状
空隙率・屈曲度
イオノマー被覆形状
Ptの分布CBの凝集CB間接触抵抗CB内部細孔
傾斜構造

反応種存在分布
局所反応場電流-電圧特性
Ptあたりの反応量
部材の劣化生成水の影響
温度分布
サイクル特性安定性

大フラックス環境における輸送現象の理解＆ 実製造プロセスに基づく最適構造の実現
井上，第二回特定推進研究「エネルギー極限利用のための大フラックス輸送ダイナミクス」委員会資料, 2013より

電極形成プロセスにおける熱技術
固体高分子形燃料電池(PEFC) リチウムイオン二次電池(LiB) 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
金属空気電池(Metal-Air)
電気二重層キャパシタ(EDLC)
次世代二次電池

Catalyst layer

Membrane

Catalyst layer

PEFC触媒層表面

Ni-YSZサーメット電極 PEFC膜電極接合体断面 カーボンブラックTEM像

塗布・乾燥

焼結

加熱圧縮

前処理加熱

溶媒・溶質の流動，相変化，偏析，割れ(クラック)形成

物質拡散，反応，粒成長

部材間界面性状，
熱物性結晶化，黒鉛化，不均化

熱技術
井上，第二回特定推進研究「エネルギー極限利用のための大フラックス輸送ダイナミクス」委員会資料, 2013より

PEFC触媒層の作製過程と伝熱現象

津島，第三回特定推進研究「エネルギー極限利用のための大フラックス輸送ダイナミクス」委員会資料, 2013より

SOFCの例
原料・グリーン体

湿式プロセス・焼成・還元

H2

NiO2ZrO2
ナノ・ミクロ

O2-e-

三相界⾯

⾼温⻑期運⽤
マクロ

粒径増⼤による三相界⾯の減少
古山ら，第21回SOFC研究発表会資料（2012）より

SOFCにおける三相界面反応解析アプローチ

CH 4 (g)CH3OH*

CH3*+ H*CH 2 OH*

CH2*+2H*

動的モンテカルロ &電気化学反応
シミュレーション(10-2~100μm)

CH3O*

CH 2O*

O*+2H* O2-C*+4H*~10 - 5 mol/sec~10 - 6~10 - 7~10 - 8 or less

~25% ~60%
COH*

H2S

界⾯反応ダイナミクス CH4
ReaxFF-MD(~10nm)H2O*
OH*+H*

CHOH*

CH*+3H*

H2O(g)

CO*+6H*CHO*

FIB-SEM再構築⇒格⼦ボルツマン法(10-1~101μm)

CO(g)+3H2(g)H2O

第⼀原理解析
(~nm)

H2S
Ni
古山ら，第21回SOFC研究発表会資料, 2012

製造プロセスから劣化特性まで
原料

初期

運転後

Green: Ni
Yellow: YSZFIB-SEM

Potts Monte CarloPhase Field Method

Polarization
characteristics

Mechanicalcharacteristics

Lattice Boltzmann Method

Finite Element Method

Anode Sintering Experimentd = 5 mm

Sample pellet

Image Furnace：Motoyama SVF-QP2-6

Solid phase volume fraction

1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50

10℃/min
40℃/min

0.40

100℃/min
500℃/min0.30
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

Temperature [℃]焼結による粒成長の予測

ρ = 0.5
2▲

FIB-SEMmeasurement

Grain size (μm)

1.5

ρ = 0.8
1Potts Monte Carlo0.5

ρ = 0.93

00.4

0.5

0.6

0.7

0.8Relative density 0.91

まとめ• 大フラックス場において，顕在化する反応活性点への活物質の輸送現象の不可逆損失を低減させることが，様々なエネルギー機器の重要課題⇒そこでの輸送現象を解明し，物質とエネルギー輸送を促進するための学術を一層高度化する必要がある• 最適構造の形成プロセスには，非常に多くの制御パラメータが存在し，その複合された結果として特性や機能が発現される．すなわち，形成プロセスから特性評価に至る一連のプロセスを一体として研究することが重要⇒混合，塗布，乾燥，焼結等の熱流動プロセスの素過程を解明するための基礎科学とともに，制御パラメータを最適化するための設計科学の革新が不可欠• 新たな計測・シミュレーション技術の開発など挑戦的課題に満ちた研究領域が広がっており，輸送現象を基軸とする伝熱学会において横断的に取り組むべき研究領域である