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量子・分子論に基づいた高酸素透過性を有する燃料電池触媒層ナノ構造の理論設計

研究課題

研究課題/領域番号 16J04697
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 構造・機能材料
研究機関東北大学

研究代表者

栗原 祐也  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2018年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2017年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2016年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワード固体高分子形燃料電池 / 物質輸送 / 界面 / 高分子薄膜 / 分子動力学シミュレーション / 輸送現象 / 分子デザイン / PEFCs / Interfaces / Thin films / Nanostructures / Materials science / Computer chemistry
研究実績の概要

白金表面上アイオノマー薄膜における酸素透過現象を解析するにあたって、前年度より理論式の構築とシミュレータの開発を進め、それを用いてアイオノマー薄膜の酸素輸送抵抗を評価した。その結果、アイオノマー薄膜全体の酸素輸送抵抗は、シミュレーションによる計算結果と非常に良い一致を示し、従来よりも遥かに高精度な酸素輸送抵抗の評価手法を確立した。この成果は、米国電気化学会のECS Transactionsで発表した。さらに、酸素輸送抵抗の含水率依存性を解析した結果、含水率上昇に伴いアイオノマー薄膜全体の酸素輸送抵抗が増加することに加え、全ての含水率において、ionomer/Pt界面の酸素輸送が律速であることを明らかにした。この成果は、Elsevier社のJournal of Power Sources、及び国内外の学会にて発表した。
また、従来よりも酸素輸送抵抗の低いアイオノマー薄膜の提案に向けて、高分子側鎖の影響に着目し、量子化学計算により新たな高分子モデルを構築した。これを用いて、側鎖長による酸素輸送抵抗への影響を解析した結果、特に白金表面の吸着水の量との強い相関が見られ、吸着水が少ないほど低い輸送抵抗を示すこと、そしてそれに伴う薄膜構造の変化を明らかにした。次に、官能基の影響として、従来とは異なる官能基を導入したことで酸素輸送抵抗が低下し、こちらも同様に白金表面の吸着水の量と相関が見られた。しかし、官能基の導入よりも側鎖長の変化の方が、より大きく酸素輸送抵抗に寄与した。従って、高分子の側鎖長を最適化することで、酸素輸送抵抗の低減が期待できることが示唆された。
よって、これまでの成果を通して、白金表面上アイオノマー薄膜における酸素透過現象に関する理論の構築及びメカニズムの解明、そして酸素透過に優れたアイオノマー薄膜に関する設計指針の提案を行ったことで、本研究課題の目的は達成されたと考える。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2019 2018 2017 2016

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件)

  • [雑誌論文] Molecular dynamics study of oxygen transport resistance through ionomer thin film on Pt surface2019

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kurihara, Takuya Mabuchi, and Takashi Tokumasu
    • 雑誌名

      Journal of Power Sources

      巻: 414 ページ: 263-271

    • DOI

      10.1016/j.jpowsour.2019.01.011

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Kinetic Analysis of Oxygen Transport Phenomena through Ionomer Thin Film on Pt Surface in PEFC2018

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kurihara, Takuya Mabuchi, and Takashi Tokumasu
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 86 号: 13 ページ: 489-496

    • DOI

      10.1149/08613.0489ecst

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular Analysis of Structural Effect of Ionomer on Oxygen Permeation Properties in PEFC2017

    • 著者名/発表者名
      Kurihara Yuya、Mabuchi Takuya、Tokumasu Takashi
    • 雑誌名

      Journal of The Electrochemical Society

      巻: 164 号: 6 ページ: F628-F637

    • DOI

      10.1149/2.1301706jes

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular Analysis of Oxygen Permeation Properties in Ionomer on Pt Surface on PEMFC2017

    • 著者名/発表者名
      Kurihara Yuya, Mabuchi Takuya, Tokumasu Takashi
    • 雑誌名

      Proceedings of 6th European PEFC & Electrolyser Forum 2017

      巻: 4 ページ: 59-66

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Diffusivity, Solubility, and Permeability in Ionomer on Pt Surface2016

    • 著者名/発表者名
      Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Diffusivity, Solubility, and Permeability in Ionomer on Pt Surface
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 75 号: 14 ページ: 129-137

    • DOI

      10.1149/07514.0129ecst

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 速度論を考慮した PEFC アイオノマー薄膜の酸素透過性に関する分子動力学解析2018

    • 著者名/発表者名
      栗原祐也、馬渕拓哉、徳増崇
    • 学会等名
      日本機械学会2018年度年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Kinetic Analysis of Oxygen Transport Phenomena through Ionomer Thin Film on Pt Surface in PEFC2018

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kurihara, Takuya Mabuchi, and Takashi Tokumasu
    • 学会等名
      Americas International Meeting on Electrochemistry and Solid State Science 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Analysis of Oxygen Permeation Properties in Ionomer on Pt Surface in PEMFC2017

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kurihara, Takuya Mabuchi, Takashi Tokumasu
    • 学会等名
      6th European PEFC & Electrolyser Forum
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 分子動力学法を用いたPEFCアイオノマーにおける酸素透過特性の解析2017

    • 著者名/発表者名
      栗原祐也、馬渕拓哉、徳増崇
    • 学会等名
      日本機械学会2017年度年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Permeation Properties in Ionomer Thin Film on Pt Surface2016

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kurihara, Takuya Mabuchi, and Takashi Tokumasu
    • 学会等名
      International Symposium on Micro-Nano Science and Technology 2016
    • 発表場所
      The University of Tokyo, Tokyo, Japan
    • 年月日
      2016-12-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Diffusivity, Solubility and Permeability in Ionomer on Pt Surface2016

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kurihara, Takuya Mabuchi, and Takashi Tokumasu
    • 学会等名
      230th Eletrochemical Society Meeting
    • 発表場所
      Hawaii Convention Center, Honolulu, Hawaii, US
    • 年月日
      2016-10-02
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] PEFCアイオノマーにおける酸素透過特性の分子動力学解析2016

    • 著者名/発表者名
      栗原祐也、馬渕拓哉、徳増崇
    • 学会等名
      日本機械学会2016年度年次大会
    • 発表場所
      九州大学、福岡市、福岡県
    • 年月日
      2016-09-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Molecular Simulation of Oxygen Permeation Properties through Ionomer on Pt Surface2016

    • 著者名/発表者名
      Yuya Kurihara, Takuya Mabuchi, and Takashi Tokumasu
    • 学会等名
      30th Conference of The European Colloid and Interface Society
    • 発表場所
      Sapienza University of Rome, Rome, Italy
    • 年月日
      2016-09-04
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] PEFC触媒層アイオノマーにおける酸素透過特性の分子論的解析2016

    • 著者名/発表者名
      栗原祐也、馬渕拓哉、徳増崇
    • 学会等名
      第53回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      大阪国際会議場、大阪市、大阪府
    • 年月日
      2016-05-24
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-05-17   更新日: 2024-03-26  

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