2017 Fiscal Year Annual Research Report
アイオノマー上の分子散乱ダイナミクスを考慮した燃料電池触媒層酸素輸送機構の解明
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17J03728
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中内 将隆 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 面分子干渉 / 触媒層 / 気体分子散乱 / 分子熱流動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は固体高分子形燃料電池の高効率化に向けて，カソード側触媒層における酸素輸送現象を明らかにすることを目的とし，触媒層表面を覆うアイオノマー膜上での酸素分子の散乱挙動からボトムアップした気体輸送現象の解明を行う．
本年度はアイオノマー表面上の酸素分子散乱現象について，分子動力学シミュレーションを用いた解析を行い，次のような知見が得られた．入射した酸素分子はアイオノマー表面と衝突後すぐ表面から離脱する過程と表面に吸着しある程度滞在した後に離脱する過程に分類することができ，これらの散乱過程は入射時の並進運動エネルギーおよび酸素分子が衝突した際のアイオノマー膜の分子種によって決定されている．反射時の酸素分子の並進運動エネルギーを比較してみると，衝突後すぐ反射したものは表面とあまり適応せず，入射エネルギーの履歴を残しているのに対して，吸着後離脱した酸素分子のエネルギー分布は表面温度におけるMaxwell分布と近い分布となっており，表面滞在中に酸素分子がアイオノマー膜に適応していると考えられる．
反射方向とエネルギーの相関を見るために，散乱角度分布を比較すると，どちらの散乱過程においても等方的な角度分布を示している．また，反射エネルギーの散乱角依存性は見られなかった．このことから，表面とあまり適応しない散乱過程においてもアイオノマー膜表面のラフネスによって入射方向と関係なく等方的に反射しているものといえる．
散乱現象の支配要因について，上記に示す通り明らかとなったため，この挙動を再現できる表面での分子散乱モデルを構築する．構築した散乱モデルを共同研究者らが開発した直接モンテカルロシミュレータに導入することで研究目的を達成できると考えている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度はアイオノマー膜表面の酸素分子散乱現象について，支配要因の特定に向けて分子レベルでの解析が進められた．膜への衝突時の分子種によって散乱過程が決定していることを明らかにし，散乱過程によって表面との適応具合が異なっていることを明らかにした．表面との適応度を定量的に評価し，入射時のエネルギーと線形な関係であることが確認できた．また，高分子膜表面にも見られる入射角の依存性はほとんどなく，アイオノマー膜の表面上の原子レベルのラフネスによって入射分子が表面と適応せずとも等方的な角度分布になることが確認された．
酸素分子が表面に吸着している状態において，酸素が表面上および膜中を拡散していることが確認された．このような表面吸着中の拡散現象は微細多孔質体における気体輸送現象においてKnudsen拡散とは異なる寄与があることが報告されている．この表面拡散現象を含めた面分子干渉モデルを構築することで，触媒層内における詳細な気体輸送現象を再現出来ると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの知見から，アイオノマー膜表面上での酸素分子散乱現象の支配要因の特定がなされた．散乱現象の支配要因に基づいてアイオノマー表面での挙動を再現できるモデルの構築を行う．アイオノマー膜の分子種によって散乱挙動が大きく変化するため，アイオノマー膜表面の溶媒分子の割合から散乱挙動を決定させ，反射時の情報についてはそれぞれの分子種について適応具合を評価したパラメータを用いる．
さらに酸素分子が表面吸着時に拡散する現象が確認された．この表面上での挙動は特に膜の表面近傍の構造の影響を大きく受けるものと考えられる．また，触媒層内における輸送全体に対する寄与については，多孔体中の気体輸送が表面拡散現象の寄与により従来のKnudsen拡散現象だけでは表現できない事例が多数報告されているため，触媒層においても同様の影響が予想される．しかしながら多孔質体における気体輸送現象における表面拡散現象の寄与を正確に再現できる物理モデルは未だ考案されていない．そのため今後の研究としてアイオノマー膜表面滞在中の拡散現象について分子動力学シミュレーションを用いて解析を行っていく．
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