Microscale transport Phenomena for high performance polymer electrolyte fuel cells

高性能聚合物电解质燃料电池的微尺度输运现象

• 批准号: 12555056
• 负责人: OKAZAKI Ken
• 金额: $ 6.27万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12555056/
• 关键词: Polymer Electrolyte Fuel Cell(PEFC); Molecular dynamics; Molecular Structure; Catalyst; Reaction; Heat and mass transfer; Electrochemical reaction; Conjugate phenomena; 固体高分子型燃料電池; 数値計算; 触媒活性試験; 解離吸着; マイクロチャンネル; ナトリウムイオン; 拡散定数; 電流密度; 可視化

Further improvement of the performance of polymer electrolyte fuel calls (PEFCs) requires microscopic view of various transport phenomena in the polymer film, catalyst surface, and the gas supply microchannels. This research project focuses on the microscale transport phenomena for the development of high performance PEFCs. Combination of Monte Carlo simulation of polymer molecule structure identification and classical molecular dynamics simulation of ion motion revealed that the molecular structure where higher number of hydrogen bonds is the key for higher ion conductivity membranes, First principle molecular dynamics calculation showed the reaction path of oxygen reaction on the cathode catalyst surface, and the possibility of alloy catalyst that may replace the conventional Pt catalyst is proposed. Conjugate analysis of heat transfer and electrochemical reaction at the gas supply microchannels clearly exhibited how the cell performance can be improved by changing the gas flow, temperature, humidification conditions and other parameters. These results not only propose how to improve PEFC performance, but also exhibited how important these microscopic viewpoint are for R&D of PEFCs.

进一步提高聚合物电解质燃料电池（PEFCs）的性能，需要在聚合物膜，催化剂表面和气体供应微通道中的各种传输现象的微观视图。本研究计划的重点是高性能PEFC的发展的微尺度传输现象。结合Monte Carlo模拟的聚合物分子结构识别和经典分子动力学模拟的离子运动，揭示了分子结构中氢键数目越多，离子电导率越高的关键，第一性原理分子动力学计算揭示了氧反应在阴极催化剂表面的反应路径，提出了用合金催化剂替代传统铂催化剂的可能性。通过对供气微通道内的传热和电化学反应的共轭分析，可以清楚地看出改变气体流量、温度、加湿条件等参数可以改善电池性能。这些研究结果不仅提出了如何提高PEFC的性能，而且显示了这些微观观点对PEFC研发的重要性。

项目成果

陣内亮典, 岡崎健: "固体高分子型燃料電池用電解質膜内のミクロ物質輸送機構"日本機械学会論文集B編. 67. 1256-1261 (2001)

Akinori Jinnai、Ken Okazaki：“聚合物电解质燃料电池电解质膜中的微质量传输机制”，日本机械工程师学会汇刊，B 版，67. 1256-1261 (2001)。

陣内亮典, 岡崎健: "第一原理分子動力学法によるPEFC用高活性カソード触媒の探索"第43回電池討論会要旨集. 508-509 (2002)

Akinori Jinnai、Ken Okazaki：“使用第一原理分子动力学方法寻找 PEFC 的高活性阴极催化剂”第 43 届电池研讨会摘要 508-509 (2002)。

Jinnouchi and Okazaki: "Molecular Simulation Study of Microscale Transport Phenomena in Polymer Electrolyte Fuel Cell"Proceedings of Twelfth Heat International Transfer Conference. 489-494 (2002)

阵之内、冈崎：《聚合物电解质燃料电池中微尺度输运现象的分子模拟研究》第十二届国际传热会议论文集。

陣内, 岡崎: "PEFC内におけるミクロ物質輸送機構の分子シミュレーション"第8回燃料電池シンポジウム講演予稿集. 41-48 (2001)

Jinnai, Okazaki：“PEFC 中微观传质机制的分子模拟”第八届燃料电池研讨会论文集 41-48 (2001)。

陣内, 岡崎: "固体高分子形燃料電池用カソード触媒の物理"第38回日本伝熱シンポジウム. III. 865-866 (2001)

Jinnai, Okazaki：“聚合物电解质燃料电池阴极催化剂的物理学”第 38 届日本传热研讨会 865-866 (2001)。