成果報告書詳細
管理番号20120000001010
タイトル平成22年度‐平成23年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発 次世代技術開発 次世代電解質膜の劣化特性評価シミュレータの開発 (委託先 国立大学法人東北大学)
公開日2015/11/27
報告書年度2010 - 2011
委託先名国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P10001
部署名新エネルギー部
和文要約固体高分子形燃料電池の普及拡大のためには、性能及び耐久性のさらなる向上が必要である。そのため、耐久性向上を目指した新規電解質膜の開発が、今後も活発に行われると考えられる。しかしながら、現状の電解質膜耐久性評価には、実験及び解析に多大な時間がかかるため、新規材料開発のさらなる加速化には、電解質膜の劣化特性を迅速に評価できる方法の確立が必要不可欠である。本研究開発テーマでは、劣化特性を決定する要因として活性化酸素種の物質移動に注目し、環境因子によって変化するこれらの物質移動量を予測することで、炭化水素系電解質膜の劣化挙動を評価できるミュレータ技術の研究開発を実施した。評価シミュレータは7つサブシミュレータから構成される。これらはそれぞれ次のような機能をもつ。1.電解質内部での活性化酸素種の拡散係数算出シミュレータ(量子分子動力学法を簡便にし、グロータス機構などの特定の反応を考慮可能な近似量子分子動力学法)、2.膜内部での活性酸素種の分布の予測、3.量子化学計算を用いた膜の劣化反応確率の推定、4.1および2で求められた物質移動パラメータと2で求められる劣化反応確率に基づく電解質劣化量推定、5.劣化量から発電性能の変化を予測する手法の開発、6.触媒層でのPt溶出量の推算、7.膜中でのPt分布の予測、以上の7つである。本事業では、開発したシミュレータを用いてスルホン酸化ポリイミド、スルホン酸化ポリエーテルを対象として、上記シミュレータの適用を行った。OHラジカル等の拡散係数を求め、さらに劣化確率を推定することで劣化量変化のシミュレーションを行ない、Hi-PerFCで実施されている劣化加速化試験と比較検討を行い妥当性を示した。
英文要約In order to commercialization of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), in particular for a power source in vehicles, continuous improvements of durability and performance are indispensable. Aiming to struggle for these issues, effort for developing of new polymer electrolytes has been devoted so far. However, the developing of polymer electrolyte is costly and needs huge time for evaluation of its durability, therefore establishment of theoretical evaluation technique for evaluation of performance of polymer electrolyte in fuel cell is required. Computational chemistry approach is one of the strong candidate for such purpose. In this project, we made a simulator for the evaluation of durability of polymer electrolyte based on a multi-scale computational chemistry technique only from a structural information of polymer electrolyte. The developed simulator calculates the mass flow including gas and compounds contributed to degradation such as radical species which would be changed by operating condition. The simulator consists of 7 components those have the unique function as follows. 1. Simulator for evaluation of diffusivity of various molecules in polymer electrolyte based on reaction molecular dynamics that enables modeling of chemical reaction in the stochastic way with achieving high speed calculation compared with a conventional first principles molecular dynamics. 2. Numerical simulator for evaluation of distribution of various species in polymer electrolyte based on mass flow equations. 3. Simulator for calculating the reaction rate for degradation of polymer electrolyte using first principles calculation. 4. Numerical Simulator for evaluating of degradation of PEFC based on the information of transport properties from simulators 1 and 2 and reaction properties from simulator 3, which enables to know the changes of molecular weight and proton conductivity of the polymer electrolyte. 5. Simulator for polarization curve with considering the contributions of degradation of polymer electrolyte. 6. Simulator for calculation of decomposition of Pt particles in the catalytic layers. 7. Numerical simulator for evaluation of Pt distribution in polymer electrolyte. In this project, developed simulators have been applied to two polymer electrolytes; sulfonated polyimide and sulfonated polyether. Diffusion coefficients of hydroxyl radical in these polymers were evaluated and degradation rates were also calculated. Obtained these properties were used as input parameters in the simulators for the evaluation of the degradation of the polymer electrolyte and compared with the experimental result from accelerated degradation test reported by HiPer-FC project to validate the simulators.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る