東北大学
学際科学フロンティア研究所

新領域創成研究部

馬渕 拓哉Takuya Mabuchi

助教物質材料・エネルギー

メンター教員
教授
徳増 崇(流体科学研究所)
研究分野 量子工学、分子流体工学、材料工学
主な研究テーマ
  • 高次ナノ構造制御による高プロトン伝導性電解質膜の開発
所属学会 日本機械学会、日本伝熱学会、電気化学会
研究概要  

世界的なエネルギー需要の増大に伴い,水素をエネルギー源とする次世代のエネルギーシステムである固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell: PEFC)への期待が高まっています。PEFCでは、電解質膜内を適度な湿潤状態に保つことでイオン伝導性が発現し、プロトン(H+)がアノード側からカソード側へ移動します。これにより水素+酸素→水という化学反応が起こり、電力を取り出すことができます。すなわち、電解質膜内のプロトン輸送がPEFCの発電効率を支配しており、プロトン輸送の高効率化がPEFCの本格的な普及に向けて非常に重要となります。

電解質膜内では、高分子の高次構造によりナノスケールの水クラスターが形成され、その中をプロトンが移動します。そのためプロトン輸送はナノスケールの構造に大きく起因し、連続体近似に基づくマクロな取り扱いが困難です。そこで、本研究ではナノスケール特有の流動現象という観点から、分子動力学(Molecular Dynamics: MD)法を用いて解析を行っています。電解質膜の分子構造と水チャンネル形状との関係性から、高プロトン伝導性水チャンネル形状を形成するための分子構造の支配要因とその高次ナノ構造形成メカニズムを解明し、最終的に、高次ナノ構造の制御を可能とした高プロトン伝導性を有する電解質膜の理論設計指針を提案することを目指しています。

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