トレーサー透過試験と散逸粒子動力学シミュレーションによる水輸送機構の解析; 架橋ポリテトラフルオロエチレン電解質膜とNafionの比較

Analysis of water transport mechanism by tracer permeation experiment and dissipative particle dynamics simulation; Comparison of crosslinked-polytetrafluoroethylene electrolyte membrane and Nafion

澤田 真一; 八巻 徹也; 浅野 雅春; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Yamaki, Tetsuya; Asano, Masaharu; Suzuki, Akihiro*; Terai, Takayuki*; Maekawa, Yasunari

水トレーサー透過試験と散逸粒子動力学(DPD)シミュレーションを用いて、架橋ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)電解質膜の水輸送機構を調べた。透過試験により得られた水の自己拡散係数Dは、Nafionよりも低い値を示した。DPDシミュレーションから、架橋PTFE電解質膜における水輸送経路の直径は1.8nmと計算された。これは、Nafionの6.8nmと比べて非常に小さな値である。ポアソン-ボルツマンモデルに基づく解析により、架橋PTFE電解質膜では、水分子に強い静電場が働くことがわかった。このことが、水輸送が抑制される主因であると考えられる。

Water transport mechanism in crosslinked-polytetrafluoroethylene (cPTFE) electrolyte membranes was investigated by a tracer permeation experiment and dissipative particle dynamics (DPD) simulation. CPTFE electrolyte membranes exhibited restricted water diffusion regardless of their ion exchange capacity. According to the radial distribution function obtained by the DPD simulation, the diameter of water transport channel was estimated to be 1.8 nm, being smaller than that calculated for Nafion (6.8 nm). A Poisson-Boltzmann model-based analysis indicated that the average electric-field strength felt by water molecules was higher than in Nafion, thereby reducing water diffusivity.