Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

多孔質材料 / 吸着等温線 / 毛管凝縮 / 平均場格子気体モデル / 気体輸送 / モンテカルロ法 / 固体高分子形燃料電池 / 流体工学 / 格子密度汎関数理論 / モンテカルロ直接シミュレーション法 / 実効拡散係数 / 熱工学 / 分子流体力学 / 格子密度汎関数法 / 燃料電池

平均場格子気体モデルやモンテカルロ法に基づき，ナノスケールの閉じ込め系における界面の影響を陽に扱いつつ，大規模多孔質材内部における流体の相挙動や輸送過程を解析するための方法論を提示した．格子気体モデルによりナノ細孔における毛管凝縮を捉え，モンテカルロ法により気体拡散を解析するという本手法は，本研究で扱った球充填構造や固体高分子形燃料電池のマイクロポーラス層・触媒層に限らず，より一般的に適用可能な汎用性の高い方法である．

熱工学 / 固体高分子形燃料電池 / 触媒層 / 電解質膜 / GDL / 多層構造 / 輸送現象論 / 燃料電池

本研究の目的は、PEFC(固体高分子形燃料電池)電解質膜および触媒層内の電位・輸送・反応連成現象に着目し、マルチレイヤー型の膜・触媒層構造を創成することにより、一段の高耐久化、高効率化等が求められるPEFCの高度化に、輸送現象論的な視点からの展開を図ることにある。
交付申請書記載の通り、今年度はマルチレイヤー型MEA作成方法の確立と基礎実験推進、検討本格化を行った。具体的には、昨年度その作成方法の検討を行った膜、触媒層の製法を確立し、電解質膜については金属プローブ層の挿入により、膜中厚さ方向の電位分布計測を行った。これにより、膜中の電位が混成電位で決定されることを理論モデルとの比較から示し、白金、金プローブの使い分けなどにより、この解釈を裏付けした。触媒層については、二層の触媒層制作を実現し、発電条件、触媒層設計パラメータの違いにより、発電特性が変化する様子を明らかにしている。また、GDLについては、パルスレーザ加工により厚さ方向にスルーホールの径が有意に変化するタイプのGDLを製作可能とするとともに、液水モデルにより、GDL表面での液水の離脱限界を示すことを可能とした。さらに、今年度の検討から触媒層、GDLでの輸送特性について、それぞれの内部での拡散係数の圧力依存性を利用して実験的に分離検討するため、試験装置の加圧化を行い、来年度以降の検討開始に備えた。また、輸送・反応モデルについては、セルレベル、GDL表面のチャンネル内、触媒層内部のそれぞれのレイヤーで構築を始めており、GDL表面のチャンネル内では流動解析用フリーソフトの援用により液水挙動をシミュレートする準備を行った。

固体高分子形燃料電池 / MEMS / ガス拡散層 / 熱工学 / 輸送現象論 / 燃料電池 / MEMS技術 / 可視化 / 微細加工 / 拡散層 / チタン / 徴細加工 / モデル化

エネファームや燃料電池自動車、携帯用電源として実用化された固体高分子形燃料電池(PEFC)の中では、燃料や酸素のガスの反応と、これらのガスや生成する水などの輸送とが複雑に相互作用しながら進行しているが、両者を理論的に検討するための新たな手法として、ガスなどの輸送を極めて簡単にモデル化できるMEMS技術を用いて作成した新たな電池部材(ガス拡散層)を提案し、その有用性を示すことに成功した。また、この新たな部材を用いたPEFC高性能化の可能性を示した。

【研究協力者】
堀琢磨	東京大学	大学院工学系研究科	PD	(Kakenデータベース)
杵淵郁也	東京大学	大学院工学系研究科	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
畠山友行	富山県立大学	工学部	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
岡崎健	東京工業大学	大学院・理工学研究科	教授	(Kakenデータベース)