水クラスターの構造制御による耐劣化性能に優れた高分子電解質膜の開発

2012 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23656127
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 流体工学
• 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, 准教授 (10312662)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2012
• キーワード: 高分子膜 / 輸送現象 / 劣化 / 燃料電池 / 分子動力学

研究概要

ホッピング機構を考慮して高分子電解質膜(プロトン伝導膜)内部のプロトン(H+)およびOHラジカルの輸送現象を分子論的に解析できるシミュレータを開発し、このシミュレータを用いて高プロトン伝導性と低OHラジカル伝導性が同時に発現する高分子電解質膜内部の水クラスターの微細構造に関する知見を取得し、プロトン伝導性と耐劣化性能に優れた高分子電解質膜が有する特性の提案を行った。その結果、量子化学計算により得られたエネルギー障壁を精度良く表現できるプロトンホッピングのモデル化に成功し、そのモデルを組み込んだプロトン輸送シミュレータを構築することにも成功した。そのシミュレータを用いて含水率を変化させてプロトンの拡散係数を求めたところ、含水率が上昇するにつれて拡散係数が増加すること、プロトンの拡散係数よりも水の拡散係数のほうが大きいことが明らかとなった。

研究成果

• [雑誌論文] Large-scale Molecular Dynamics Simulations for Analyses of Transport Phenomena in Polymer Electrolyte Fuel Cell (2013)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokumasu, Akinori Fukushima, Takuya Mabuchi and Yuta Sugaya
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry,Japan 巻: Vol.12, No. 1 ページ: 8-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Simulation of Proton and Water Transport in Hydrated Nafion Membrane (2012)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mabuchi and Takashi Tokumasu
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: Vol.50, No.2 ページ: 175-181
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanoscale Transport Phenomena in PEM of PEFC by Large Scale Molecular Dynamics Simulations (2012)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokumasu
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: Vol.50, No.2 ページ: 859-868
  • 査読あり
• [学会発表] Analysis of Water Molecules and Hydronium Ions Dynamics in Nafion Membrane (2012)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mabuchi and Takashi Tokumasu
  • 学会等名: the 3rd International Forun on Heat Transfer, 2012
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2012-11-15
• [学会発表] Atomistic Simulation of Proton and Water Transport in Hydrated Nafion Membrane (2012)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mabuchi and Takashi Tokumasu
  • 学会等名: Ninth International Conference on Flow Dynamics,2012
  • 発表場所: 仙台(日本)
  • 年月日: 2012-09-20
• [学会発表] Molecular Dynamics Study of Proton and Water Transfer in Nafion Membrane (2012)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mabuchi and Takashi Tokumasu
  • 学会等名: the 2012 World Congress on Computational Mechanics, 2012
  • 発表場所: サンパウロ(ブラジル)
  • 年月日: 2012-07-05
• [学会発表] Molecular Structure in PEM and Its Relation with Proton Diffusivity (2012)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokumasu and Hironori Sakai
  • 学会等名: the Eighth KSME-JSME Thermal and Fluids Engineering Conference, 2012
  • 発表場所: 仁川(韓国)
  • 年月日: 2012-03-21
• [学会発表] Proton Transfer in Polymer Electrolyte Membrane by Molecular Dynamics Method (2011)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokumasu
  • 学会等名: 2011 Energy Sustainability Conference & Fuel Cell Conference, 2011, ESFuelCell2011-54963
  • 発表場所: ワシ ントン(アメリカ)
  • 年月日: 2011-08-06
• [学会発表] A Molecular Dynamics Study for the Characteristics of Proton Transfer in Polymer Electrolyte Membrane (2011)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokumasu and Taiki Yoshida
  • 学会等名: ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Cenference, 2011,AJK2011-36021
  • 発表場所: 浜松
  • 年月日: 2011-07-24
• [学会発表] Analysis of Transport Phenomena in Membrane Electrode Assembly of Polymer Electrolyte Fuel Cell by Molecular Simulation (2011)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokumasu
  • 学会等名: 5th Korea-Japan Joint Seminar on Heat Transfer, 2011
  • 発表場所: 釜山(韓国)
  • 年月日: 2011-05-28
• [図書] Molecular Dynamics - Theroretical developments and applications in nanotechnology and energy - Charter 15, Intech, Croatia (2012)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokumasu
  • 総ページ数: 307-338
  • 出版者: Molecular Simulation of Dissociation Phenomena of Gas Molecule on Metal Surface
• [備考]
  • URL: http://www.ifs.tohoku.ac.jp/nanoint/