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

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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．