粗視化分子動力学法による FC 高分子電解質膜の機械強度解析

抄録

燃料電池の本格的な普及を見据えて，近年ではより一層の耐久性と信頼性の確保を目指した研究開発に注目が集まっている．代表的な高分子電解質膜の Nafion でも微小な亀裂ができて燃料ガスが混合するという現象が知られており，亀裂発生の原因として膜が膨潤と収縮を繰返すことによる機械強度の低下が挙げられている．この機械強度の低下要因を解明して膜の分子設計につなげるために，分子シミュレーションによって吸水時の膜の弾性率と内部状態との関係を調べた．計算のモデルパラメータを全原子力場から求めることで，吸水時の膜の密度と水クラスターネットワーク間隔は実験値と定量的に一致し，弾性率も実験の傾向を再現することができた．内部構造の解析から，吸水時に膜の内部では酸基と水分子によって擬似的な架橋構造が形成され，この擬似架橋が弾性率の発現に大きく影響していることがわかった．