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．

This research topic aims to clarify the oxygen transport phenomenon in the cathode-side catalyst layer in order to improve the efficiency of solid polymer fuel cells, and multi-scale analysis was conducted, ranging from the scattering behavior of oxygen molecules on the ionomer film covering the surface of the catalyst layer to the oxygen transport phenomenon in the entire porous structure of the catalyst layer.今年，我们在模拟催化剂层空位的微通道中使用分子动力学模拟对氧扩散现象进行了分析，并获得了以下发现。离子体通道内的氧扩散系数低于常规knudsen扩散的氧扩散系数，并且人们认为在表面上吸附的氧分子抑制了扩散特性。当评估表面扩散和在气相中扩散的贡献时，随着水含量的增加，表面扩散对运输的贡献增加。除了自2017年以来一直持续的散射现象外，今年揭示的表面扩散现象是在催化剂层的实际结构中建模和实现的。从用扫描电子显微镜拍摄的图像数据将催化剂层的实际结构重建为三维结构，并使用Monte Carlo方法计算了内部扩散现象。此时，将先前的散射和表面扩散模型应用于与离子壁的碰撞，并评估了每种水分含量和覆盖率比的氧气扩散率。这使得提出有效的催化剂层结构，该结构可有效地有效地氧扩散。

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