アイオノマー上の分子散乱ダイナミクスを考慮した燃料電池触媒層酸素輸送機構の解明

考虑离聚物上的分子散射动力学阐明燃料电池催化剂层中的氧传输机制

• 批准号: 17J03728
• 负责人: 中内 将隆
• 金额: $ 1.6万
• 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: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J03728/
• 关键词: 固体高分子形燃料電池; 多孔体; 希薄気体力学; catalyst layer; 燃料電池; 面分子干渉; 触媒層; 多孔体流れ; 気体分子散乱; 分子熱流動

本研究課題では固体高分子形燃料電池の高効率化に向けて，カソード側触媒層における酸素輸送現象を明らかにすることを目的とし，触媒層表面を覆うアイオノマー膜上の酸素分子の散乱挙動から触媒層の多孔体構造全体における酸素輸送現象に至るまでのマルチスケール解析を行った．本年度は触媒層空孔を模擬した微小流路における酸素拡散現象について分子動力学シミュレーションを用いた解析を行い，次のような知見が得られた．アイオノマー流路内の酸素拡散係数は従来のKnudsen拡散よりも低くなっており，表面に吸着した酸素分子が拡散性を阻害しているものと考えられる．表面における拡散と気相中における拡散の寄与度を評価したところ，含水率の上昇に従って表面拡散の輸送への寄与が高くなる傾向となった．また，平成29年度から継続して行っている散乱現象に加え，本年度明らかにした表面拡散現象をモデル化し，触媒層実構造における輸送シミュレータに実装した．実構造の触媒層を走査型電子顕微鏡で撮影した画像データから3次元構造に再構築し，内部の拡散現象にモンテカルロ法を用いて計算した．その際，アイオノマー壁面との衝突としてこれまでの散乱・表面拡散モデルを適用し，各含水率および被覆率における酸素の拡散性を評価した．これにより，高効率な酸素の拡散性に有効な触媒層構造の提案が可能となった．

The purpose of this research is to clarify the acid transport phenomenon in the catalyst layer on the side of the solid polymer fuel cell with high efficiency, and to analyze the acid transport phenomenon in the porous structure of the catalyst layer as a whole. This year, the catalyst layer pores are simulated, the acid dispersion phenomenon is simulated, the molecular dynamics system is analyzed, and the secondary knowledge is obtained. The acid dispersion coefficient in the flow path is low due to the Knudsen dispersion coefficient, and the adsorption coefficient of the acid molecule is low due to the Knudsen dispersion coefficient. The surface dispersion and phase dispersion are evaluated and the surface dispersion and transport tend to increase with the increase of water content. In 2009, the phenomenon of scattering increased due to the increase in the temperature of the catalyst layer. In 2009, the phenomenon of surface scattering increased due to the increase in the temperature of the catalyst layer. The catalyst layer of the structure is examined by an electron microscope, and the image is imaged. The three-dimensional structure is reconstructed, and the internal dispersion phenomenon is calculated by the electron microscope. In the meantime, the wall surface of the film is conflicted with the surface of the film, and the dispersion of the film is evaluated according to the moisture content and coverage. The structure of catalyst layer with high efficiency and high dispersion is proposed.

项目成果

PEFC触媒層における酸素拡散機構の分子論的解析

PEFC催化剂层氧扩散机理的分子分析

• 发表时间: 2018
• 作者: M. Nakauchi;T. Mabuchi;Y. Yoshimoto;T. Kaneko;I. Kinefuchi;H. Takeuchi and T. Tokumasu;中内将隆，馬渕拓哉，吉本勇太，金子敏弘，杵淵郁也，武内秀樹，徳増崇;中内将隆，馬渕拓哉，吉本勇太，金子敏弘，杵淵郁也，武内秀樹，徳増崇
• 通讯作者: 中内将隆，馬渕拓哉，吉本勇太，金子敏弘，杵淵郁也，武内秀樹，徳増崇

Molecular Dynamics Study of Oxygen Diffusivity in Catalyst Layer

催化剂层氧扩散率的分子动力学研究

• DOI: 10.1149/09208.0023ecst
• 发表时间: 2019
• 期刊: ECS Transactions
• 作者: Nakauchi Masataka;Mabuchi Takuya;Yoshimoto Yuta;Kaneko Toshihiro;Kinefuchi Ikuya;Takeuchi Hideki;Tokumasu Takashi
• 通讯作者: Tokumasu Takashi

Oxygen Transport Analysis in Catalyst Layer of Polymer Electrolyte Fuel Cell

聚合物电解质燃料电池催化剂层的氧传输分析

• 发表时间: 2019
• 作者: Nakauchi Masataka;Mabuchi Takuya;Hori Takuma;Yoshimoto Yuta;Kinefuchi Ikuya;Takeuchi Hideki;Tokumasu Takashi;Masataka Nakauchi;Masataka Nakauchi
• 通讯作者: Masataka Nakauchi

Numerical Analysis of Scattering Behavior and Surface Diffusion of Oxygen Molecules on Ionomer Surface

氧分子在离聚物表面散射行为和表面扩散的数值分析

• 发表时间: 2017
• 作者: M. Nakauchi;T. Mabuchi;T. Hori;Y. Yoshimoto;I. Kinefuchi;H. Takeuchi and T. Tokumasu
• 通讯作者: H. Takeuchi and T. Tokumasu

Gas-Surface Interaction Study of Oxygen Molecules on Ionomer Surface in Catalyst Layer

催化剂层离聚物表面氧分子的气体-表面相互作用研究

• DOI: 10.1149/08008.0197ecst
• 发表时间: 2017
• 期刊: ECS Transactions
• 作者: Nakauchi Masataka;Mabuchi Takuya;Hori Takuma;Yoshimoto Yuta;Kinefuchi Ikuya;Takeuchi Hideki;Tokumasu Takashi
• 通讯作者: Tokumasu Takashi