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2019 年度 実績報告書

固体高分子形燃料電池の高性能化に資する触媒層内マルチスケール物質輸送現象の解明

研究課題

研究課題/領域番号 18H01364
研究機関東北大学

研究代表者

徳増 崇  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10312662)

研究分担者 井上 元  九州大学, 工学研究院, 准教授 (40336003)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード燃料電池 / 分子動力学 / ナノ流体 / 触媒層 / 拡散抵抗
研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] MD シミュレーションを用いたアイオノマー薄膜の構造およびプロトン輸送の解析2019

    • 著者名/発表者名
      小林光一, 馬渕拓哉, 井上元, 徳増崇
    • 雑誌名

      燃料電池

      巻: 18 ページ: 75-82

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nano/Microscale Simulation of Proton Transport in Catalyst Layer2019

    • 著者名/発表者名
      Koichi Kobayashi Takuya Mabuchi Gen Inoue Takashi Tokumasu
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 92 ページ: 515-522

    • 査読あり
  • [学会発表] 分子論的知見を導入したマルチブロックモデルによる触媒層内プロトン輸送特性の解析2019

    • 著者名/発表者名
      小林光一, 馬渕拓哉, 井上元, 徳増崇
    • 学会等名
      日本機械学会2019年度年次大会
  • [学会発表] PEFC触媒層内のプロトン輸送に関するマルチスケールシミュレーション2019

    • 著者名/発表者名
      小林光一, 馬渕拓哉, 井上元, 徳増崇
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2019
  • [学会発表] Nano/Microscale Simulation of Proton Transport in Catalyst Layer2019

    • 著者名/発表者名
      Koichi Kobayashi, Takuya Mabuchi, Gen Inoue, Takashi Tokumasu
    • 学会等名
      236th ECS Meeting
  • [学会発表] ナノスケール構造を考慮したPEFC触媒層内物質輸送・反応解析2019

    • 著者名/発表者名
      小林光一, 馬渕拓哉, 井上元, 徳増崇
    • 学会等名
      第33回数値流体力学シンポジウム

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公開日: 2021-12-27  

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