3.3 ミクロ熱流動研究部門
3.3.3 ナノ界面流研究分野
（研究目的）
ナノ界面流研究分野では、固液・気液・固気などの異相界面や、異なる物質の界面などで生じる ナノスケールの熱流動現象を「原子・分子の流れ」という観点で捉え、ナノスケールの熱流動現象 が有する特異な性質の分子論的メカニズムを解明すると共に、この熱流動現象を応用した新しい熱 流動システムの開発を目標として研究を行っている。
（研究課題）
(1) 金属表面における気体分子の解離現象に関する研究 (2) 電解質高分子膜内部のプロトン伝導機構に関する研究 (3) 燃料電池流路の最適設計に関する研究
(4) PEFC高分子電解質膜の耐劣化性能に関する研究
（構成員）
教授(兼担)1名（寒川 誠二）、准教授1名（徳増 崇）
（研究の概要と成果）
(1) 金属表面における気体分子の解離現象に関する研究
金属表面には燃料電池電極触媒として重要な白金を、気体分子には水素を用いてその解離現象を 分子動力学法でシミュレートし、金属表面の熱運動や気体分子の入射エネルギーが解離確率に与え る影響について解析を行っている。本年度は金属表面の様々なサイトによって解離確率が大きく異 なり、top>brg>(fcc, hcp)サイトの順に解離が起こりやすいことを明らかにした。また EAM ポテン シャルの高精度化にも取り組み, 各サイトの解離障壁を表現できるポテンシャルを構築した。
(2) 電解質高分子膜内部のプロトン伝導機構に関する研究
燃料電池で用いられる電解質高分子膜内部のプロトン伝導を分子動力学法を用いてシミュレート し、高分子膜中のプロトン伝導の分子的機構を解明すると共に、低含水率においても高プロトン伝 導性を有する電解質ナノ構造の開発を行っている。本年度はGrotthusメカニズムを考慮したプロト ン輸送をEVB法により再現した分子動力学計算によりNafion中のプロトン伝導を解析し、高分子側 鎖が集中している領域ではプロトン伝導度に異方性が生じ、高分子主鎖の方向に大きな移動度を示 すことを明らかにした。
(3) 燃料電池流路の最適設計に関する研究
燃料電池のセルシステム(流路・拡散層・電極・高分子膜)を包括してシミュレートする手法を開 発し、それを用いて均一かつ高効率に電極反応が促進し、熱応力や電気的応力が生じにくい流路形 状や膜厚の設計指針を確立することを目的として研究を行っている。本年度は圧縮性解法により電 極と高分子膜を境界条件として流路と拡散層を計算した。支配方程式には連続の式、断熱変化の式、
状態方程式、Navier-Stokes式を用い、拡散層ではN-S式にDarcy則の項を付加した。その結果、流 路の総面積が小さくとも、流路内に適切な圧力分布を作ることにより水素の反応量を増加させ、燃 料電池の出力を増加させることができることが明らかとなった。
(4) PEFC高分子電解質膜の耐劣化性能に関する研究
燃料電池固体高分子膜の耐劣化性能を量子・分子論的に解析し、その劣化現象の発現機構を明ら かにすると共に、耐劣化性に優れた高分子膜の理論設計を目指して研究を行っている。今年度は
Nafionおよびその置換物の高分子側鎖主幹の結合強度を密度汎関数法により計算し、Nafionが最も
劣化を起こしやすい結合を特定し、さらに分子構造を変化させることによってその結合を強化する ことができることを明らかにした。さらに側鎖に結合しているフッ素とOHラジカルの反応エネルギ ーを計算し、最もOHラジカルに侵されやすいフッ素を特定した。また、劣化発現機構とされている 反応の1つについてエネルギーダイアグラムを作成し、その反応の有無について検討を行った。
（主要論文リスト）
Yoshida, Y., Kikuta, K., Hasegawa, S., Shimagaki, M. and Tokumasu, T.
Thermodynamic Effect on a Cavitating Inducer in Liquid Nitrogen Journal of Fluid Engineering, ASME, Vol.129, (2007), pp. 273-278.
Tokumasu, T.
Multi-scale Analysis of Flow Phenomena Including Surface Reactions
International COE of Flow Dynamics Lecture Series, Vol.10, (2007), pp.157-186.
Tokumasu, T.
The Effect of the Motion of Surface Atoms on the Dissiciative Adsorption of Hydrogen Molecule
Proceedings of Japan NANO 2007 (2007), pp. 164-165.
Tokumasu, T. and Ito, D.
The Dependence of Molecular Motion on the Dissociative Adsorption of H2 on Pt(111) Proceedings of HT2007.(2007), HT2007-32590.
Tokumasu, T. and Ito, D.
Effect of Motion of Molecule on the Dissociative Adsorption Phenomena
Proceedings of the Fourth International Conference on Flow Dynamics (2007), 2-G4.
Ito, D. and Tokumasu, T.
Study on dissociation probability of H2 on Pt(111) Surface
Proceedings of the Fourth International Conference on Flow Dynamics (2007), 7-1.
Tokumasu, T., Ogawa, I., Funamoto, K., Koyama, M. and Miyamoto, A.
DFT Study of the Degradation of Nafion and Its Substitutional Compound
Proceedings of International Symposium on High-Tech Batteries, (2007), pp.818 -819 .
Imuta, K. and Tokumasu, T.
Numerical Analysis for the Characteristics of Heat and Fluid Flow Against the Pattern of Channel in PEFC
Proc. of the Seventh International Symposium on Advanced Fluid Information and the Fource International Symposium on Transdisciplinary Fluid Integration, (2007), pp.228 -229 .
Ito, S. and Tokumasu, T.
Proton Transfer in Polyelectrolyte Membrane by Molecular Dynamics Simulation
Proc. of the Seventh International Symposium on Advanced Fluid Information and the Fource International Symposium on Transdisciplinary Fluid Integration, (2007), pp.230 -231 .