三次元構造計測に基づくナノ多孔質材料内の気体輸送解析

摘要

固体高分子形燃料電池(Polymer electrolyte fuel cell: PEFC)の小型化のために必要な高電流密度運転の実現には，燃料電池材料中での気体輸送性能の向上が重要な役割を占める．高電流密度運転時には酸素の輸送抵抗による電圧降下が増大し，PEFCから取り出すことができる電力が減少する問題がある．そのような問題を解消することを目的として燃料電池中の流れを改善するには，ナノスケールでの流れの様子を解析することが重要である．本研究では，特に触媒層中での気体の挙動を解析する．PEFCにおいては，触媒層は電解質膜に隣接し，発電反応に重要な役割を果たす．触媒層は数十nmスケールの細孔を持つ多孔体である．このような物質中の気体の流れは，クヌッセン数Kn≈1の希薄流れである．挙動を実験のみで把握することは困難であるため，本研究では，ナノ多孔質材料の3次元構造を実際の材料から取得し，直接モンテカルロ法(Direct Simulation Monte Carlo: DSMC)にて気体の流れを解析し，材料の構造と気体の流れについての関係を調べる．そして，触媒層中の気体輸送性能向上に有益な知見を得ることを目的としている．その際，先行研究(2)で問題となっていた3次元構造取得の手法を改善し，さらに，微小空間における気体輸送に強い影響を与える壁面－気体分子間のモデルを改良することで，ナノ細孔中の気体の流れをより正確に解析することを目指す．