2019 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of multi-scale mass transport phenomena in catalyst layer for the development of the efficiency of polymer electrolyte fuel cell
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18H01364
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
徳増 崇 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10312662)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 元 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40336003)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 分子動力学 / ナノ流体 / 触媒層 / 拡散抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分子動力学シミュレーションによってアイオノマー厚さとプロトン伝導性の相関を解析し、その結果をモデル化して3次元CLモデルにおけるメソスケールシミュレーターに組み込むことにより、ナノスケールの輸送特性がPEFCの発電性能に与える影響について解析を行っている。本年度は、分子動力学シミュレーションによってアイオノマー内部のプロトン輸送特性を解析するシミュレーターの構築を行った。アイオノマー薄膜材料としてはナフィオンを採用し、プロトン輸送としてはGrotthusメカニズムを考慮した。Grotthus機構としては、Anharmonic Two-State Empirical Valence Bondモデルをベースとし、ポテンシャルパラメータは量子化学計算によりプロトンがホッピングする状態を計算して、それを参照データとして決定した。このモデルを組み込んだシミュレーターを用いて、4、7、10 nmの厚さのアイオノマー内部のプロトン輸送特性と構造特性の解析を行った。カーボン表面はLennard-Jones壁で表現した。得られたプロトンの自己拡散係数は7 nmの厚さにピークを示し、この厚さ7nmの薄膜では、炭素表面の水平方向に水クラスターが成長していることが確認された。 これらの結果から、アイオノマーが7mnの時はアイオノマー中央に良好なプロトン輸送パスが形成され、その輸送パスを通ってプロトンが高速に拡散することが示唆される。来年度は、これらの結果をモデル化してメゾスケールにシミュレーターに導入し、触媒層全体のI-V性能を解析する予定である。
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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
現在のところ、分子動力学法によ李プロトンの輸送を解析するモデルの構築を終了した。また、そのモデルを用いて固体高分子形燃料電池触媒層のアイオノマー内部のプロトン輸送現象を解析し、その膜厚依存性に関する解析を終えた。よって研究計画は概ね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は得られたモデルをメゾスケールのシミュレーターに組み込み、アイオノマー内部のプロトンのナノスケール輸送現象がマクロな触媒層のI-V特性に与える影響について解析を行う。また、酸素透過特性の解析も行う予定である。
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