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

基于量子分子理论的燃料电池高透氧催化剂层纳米结构理论设计

• 批准号: 16J04697
• 负责人: 栗原 祐也
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J04697/
• 关键词: 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

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。

Analysis of acid transmission phenomenon on platinum surface and evaluation of acid transmission resistance of platinum surface The calculation results of the acid transport resistance of the whole film are very consistent, and the method for evaluating the acid transport resistance of the film with high accuracy is established. The results of the ECS Transactions of the United States Electrical and Chemical Society were announced. Analysis of the moisture content dependence of acid transport resistance shows that an increase in moisture content is accompanied by an increase in the acid transport resistance of the film as a whole. The results were reported in Elsevier's Journal of Power Sources and in academic circles at home and abroad. The effect of polymer side locking on the structure of polymer film was studied by quantum chemical calculation. The analysis of the effect of acid transport resistance on the surface of platinum shows that there is a strong correlation between the amount of water adsorbed and the amount of water adsorbed. The influence of functional groups on the absorption of water on platinum surface is also discussed. The introduction of functional groups, the transformation of the chain length, and the transfer of acid resistance Optimization of polymer side chain length and reduction of acid transport resistance The purpose of this research is to establish and explain the theory of acid transmission on platinum surface.

项目成果

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

PEFC催化剂层离聚物氧渗透特性的分子分析

• 发表时间: 2016
• 作者: 栗原祐也;馬渕拓哉;徳増崇
• 通讯作者: 徳増崇

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

考虑动力学的PEFC离聚物薄膜氧渗透率的分子动力学分析

• 发表时间: 2018
• 作者: 栗原祐也;馬渕拓哉;徳増崇
• 通讯作者: 徳増崇

Molecular Analysis of Oxygen Permeation Properties in Ionomer on Pt Surface in PEMFC

PEMFC 铂表面离聚物透氧性能的分子分析

• 发表时间: 2017
• 作者: Yuya Kurihara;Takuya Mabuchi;Takashi Tokumasu
• 通讯作者: Takashi Tokumasu

Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Diffusivity, Solubility, and Permeability in Ionomer on Pt Surface

Pt 表面离聚物氧扩散率、溶解度和渗透率的分子动力学模拟

• DOI: 10.1149/07514.0129ecst
• 发表时间: 2016
• 期刊: ECS Transactions
• 作者: Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Diffusivity;Solubility;and Permeability in Ionomer on Pt Surface
• 通讯作者: and Permeability in Ionomer on Pt Surface

Molecular Dynamics Simulation of Oxygen Permeation Properties in Ionomer Thin Film on Pt Surface

Pt表面离聚物薄膜透氧性能的分子动力学模拟

• 发表时间: 2016
• 作者: Yuya Kurihara;Takuya Mabuchi;and Takashi Tokumasu
• 通讯作者: and Takashi Tokumasu