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量子・分子論的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

研究課題

研究課題/領域番号 17K14600
研究種目

若手研究(B)

配分区分基金
研究分野 熱工学
研究機関東北大学

研究代表者

馬渕 拓哉  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10795610)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2017年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
キーワード燃料電池 / プロトン輸送 / 高分子 / 自己組織化 / 高分子電解質膜 / 高分子構造・物性 / 流体工学 / 数理工学 / 水素
研究成果の概要

本課題で構築した「粗視化MD法によるメゾスケール高次ナノ構造内プロトン輸送評価シミュレータ」を用いて,異なる分子量やブロック比を有した様々な分子構造ポリマーのシミュレーションを実施し,安定したシリンダーやラメラ形状の水チャンネルを形成できる構造条件を明らかにした.具体的には,共重合体を構成する各モノマーの主鎖骨格および側鎖長さを様々に変化させた分子構造のモノマーモデルの組合せを変化せることで,高プロトン輸送特性を有する水クラスター構造特性の条件を明らかにした.

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で構築する粗視化MDシミュレータにより,高解像度の時空間スケールを有した大規模なマルチスケール解析が可能となる.本計算で得られた数百nmの高次ナノ構造特性を実験値と直接比較することで,計算結果の妥当性検証だけでなく,計算結果の可視化による実験結果の物理的解釈も容易にする.このように,ナノスケールからメゾスケールまでの各時空間スケールで起こる化学反応,物質輸送,高次ナノ構造というマルチフィッジクス現象の本質をモデル化して上位シミュレーション手法に組み込むことで数理的に物質輸送を精度よく再現・予測する解析技術は国内外でも見当たらず,非常に重要かつ意義のある研究である.

報告書

(3件)
  • 2018 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2017 実施状況報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Study of Oxygen Scattering Behavior on Perfluorosulfonic Acid Ionomer Thin Films2019

    • 著者名/発表者名
      Nakauchi Masataka、Mabuchi Takuya、Yoshimoto Yuta、Hori Takuma、Kinefuchi Ikuya、Takeuchi Hideki、Tokumasu Takashi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 123 号: 12 ページ: 7125-7133

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.8b11475

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [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] Relationship between Proton Transport and Morphology of Perfluorosulfonic Acid Membranes: A Reactive Molecular Dynamics Approach2018

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

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 122 号: 22 ページ: 5922-5932

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.8b02318

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dependence of electroosmosis on polymer structure in proton exchange membranes2017

    • 著者名/発表者名
      MABUCHI Takuya、TOKUMASU Takashi
    • 雑誌名

      Mechanical Engineering Journal

      巻: 4 号: 5 ページ: 17-00054-17-00054

    • DOI

      10.1299/mej.17-00054

    • NAID

      130006943510

    • ISSN
      2187-9745
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 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 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Ionomer and Carbon Aggregate Structure in Catalyst Ink Using Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulations2018

    • 著者名/発表者名
      T. Mabuchi
    • 学会等名
      Americas International Meeting on Electrochemistry and Solid State Science
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Ionomer Aggregate Structure in Water/Alcohol Solutions Using Coarse-Grained Molecular Dynamics2018

    • 著者名/発表者名
      T. Mabuchi
    • 学会等名
      69th Annual Meeting of the ISE
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Dynamics Study of Ionomer Dispersions in Water/Alcohol Mixtures2017

    • 著者名/発表者名
      T. Mabuchi and T. Tokumasu
    • 学会等名
      The Ninth JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 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
      Y. Kurihara, T. Mabuchi, and T. Tokumasu
    • 学会等名
      6th European PEFC & Electrolyser Forum
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 水・NPA混合溶液中におけるアイオノマー分散構造に関する分子論的解析2017

    • 著者名/発表者名
      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 実施状況報告書

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2020-03-30  

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