量子・分子論の融合解析に基づいた膜構造制御による高プロトン伝導性電解質膜の開発

• Project/Area Number: 16J04651
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 馬渕 拓哉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 燃料電池

Outline of Annual Research Achievements

今年度は，「散逸粒子動力学法によるメゾスケール水チャンネル構造内プロトン輸送評価シミュレータ」の構築に取り組んできた．これまでの分子動力学法による計算結果を利用してボトムアップ的に散逸粒子動力学モデルを構築する独自に開発した手法を用いることで，メゾスケールの空間スケールにおいてナノスケール流動現象を正確に扱うことを実現した高解像度のメゾスケール水チャンネル構造内プロトン輸送評価シミュレータの構築を目指している．これまでの成果は，学術誌および国内・国際会議で発表した．
散乱実験において電解質膜内には水チャンネル構造の数十nm～数百nmの特徴的な周期構造長さに由来する散乱ピークが示されており，水チャンネル構造に関して実験的な観点から，シリンダー構造やラメラ構造など様々な水クラスターモデルが提唱されている．これら分子スケールと連続体スケールの中間的な空間スケールであるメゾスケール現象の解析に有効な手法として散逸粒子動力学法が挙げられる．本研究では，これまでのMD法による計算結果を利用してボトムアップ的に散逸粒子動力学モデルを構築する申請者の受入先研究室で独自に開発した手法を用いることで，メゾスケールの空間スケールにおいてナノスケール流動現象を正確に扱うことを実現した高解像度のメゾスケール水チャンネル構造内プロトン輸送評価シミュレータの構築に取り組んできた．これにより，電解質膜内部に形成されたメゾスケール水チャンネル形状を明確にし，プロトン伝導特性との相関を評価することが可能となる．また，水チャンネル構造特性を静的構造因子として評価することで，本シミュレータによって得られた計算結果を共同研究先によるSANS実験結果と比較を行い，妥当性の検証を行うとともに，シミュレータの改善を行ってきた．

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] PEFCカソード触媒層のプロトン輸送に関する分子論的研究 (2016)
  • Author(s): 青地成二，馬渕拓哉，徳増崇
  • Journal Title: The Journal of Fuel Cell Technology Volume: 15 Pages: 78-84
  • NAID: 40020729314
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular dynamics study of the effect of wettability of the carbon support on proton transport in Nafion ionomer thin films (2016)
  • Author(s): J. Aochi, T. Mabuchi, and T. Tokumasu
  • Journal Title: Journal of Thermal Science and Technology Volume: 11 Issue: 3 Pages: JTST0045-JTST0045
  • DOI: 10.1299/jtst.2016jtst0045
  • NAID: 130005252736
  • ISSN: 1880-5566
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Effect of Water Cluster Structure on Proton Transport in Proton-Exchange Membranes Using Reactive Molecular Dynamics Simulations (2016)
  • Author(s): Takuya Mabuchi
  • Organizer: PRiME 2016/230th ECS Meeting
  • Place of Presentation: Hawaii, USA
  • Year and Date: 2016-10-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子動力学法を用いた高分子電解質膜内におけるプロトン輸送および水クラスター構造特性の解析 (2016)
  • Author(s): 馬渕拓哉
  • Organizer: 第53回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: グランキューブ大阪（大阪府、大阪市）
  • Year and Date: 2016-05-24