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Water transport in polymer electrolyte membranes investigated by dissipative particle dynamics simulation

散逸粒子動力学シミュレーションによる電解質膜内水輸送の検討

澤田 真一; 八巻 徹也; 小沢 拓*; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*; 前川 康成

Sawada, Shinichi; Yamaki, Tetsuya; Ozawa, Taku*; Suzuki, Akihiro*; Terai, Takayuki*; Maekawa, Yasunari

燃料電池用電解質膜における水輸送現象を調べるため、散逸粒子動力学(DPD)シミュレーションを用いて膜内水の自己拡散係数D$$_{W}$$を求めた。シミュレーションの対象としたのは、市販のNafion膜並びに放射線グラフト電解質膜である。(1)粗視化粒子(適当な原子集団に相当)を用いた分子モデリング,(2)水粒子の自己拡散係数D$$_{W}$$$$^{Particle}$$の算出,(3)DPDシミュレーションにおける単位時間の決定,(4)DPD単位におけるD$$_{W}$$$$^{Particle}$$からSI単位におけるD$$_{W}$$への換算、という手順により電解質膜内のD$$_{W}$$を得た。グラフト電解質膜はNafionよりも小さなD$$_{W}$$を示すことがわかった。これは、水分子とスルホン酸基の相互作用がより強く働くからであると考えられる。またいずれの電解質膜においても、拡散時間tが長くなるほど、障害物効果のためにD$$_{W}$$は低下した。そこでD$$_{W}$$-tの関係を定量的に解析し、水輸送経路である膜内親水性領域の幾何学形状を検討した。

In order to investigate water transport in polymer electrolyte membranes (PEMs), we calculated the self-diffusion coefficient of water, D$$_{W}$$, by dissipative particle dynamics (DPD) simulation. The simulation target materials are Nafion and radiation-grafted PEMs in the fully-hydrated states. D$$_{W}$$ was obtained by the following steps: (1) molecular modeling with the coarse-grained particles representing groups of several atoms; (2) calculation of the water particle diffusivity, D$$_{W}$$$$^{Particle}$$, in the PEMs; (3) determination of the unit time in the DPD simulation; (4) conversion of D$$_{W}$$$$^{Particle}$$ of the PEMs into D$$_{W}$$ in the standard SI unit. Interestingly, D$$_{W}$$ was found to decrease with the diffusion time period, $$Delta$$t, probably owing to the geometrical confinement effect by water-transport hydrophilic regions. Quantitative analysis of this D$$_{W}$$-$$Delta$$t relationship provided us with the size of hydrophilic regions.

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