燃料電池微細構造の最適設計のための成膜プロセス・インフォマティクス

用于燃料电池微观结构优化设计的薄膜沉积工艺信息学

• 批准号: 21J12813
• 负责人: 冨澤 森生
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12813/
• 关键词: 固体高分子形燃料電池; 反応輸送計算; パターン電極; ベイズ最適化; 燃料電池; 電気化学測定; シミュレーション

本研究においては固体高分子形燃料電池において、パターン電極に関する物理現象解明と、それに基づく形状の最適化に取り組んだ。前者ではインピーダンス解析と反応輸送シミュレーションを用いて、プロトンの伝導性が改善されることによって全体の性能が向上することが示された。また同時に酸素拡散性とのトレードオフが重要であることも分かった。後者においては、これらのトレードオフに基づき、パターン電極の形状や触媒層の組成をどうすればよいかという検討を行った。以下に本年度における具体的な研究実績を述べる本年度は研究最終年度ということもあり，これまでの知見に基づいて反応輸送シミュレーションに集中的に取り組んだ．形状や組成などをそれぞれ独立にパラメータとして設定した検討は前年度までにも行っていたが，本年度は特に形状と組成を同時にパラメータに設定する計算に注力した．前年度にパターン電極はアイオノマー伝導性に寄与することがわかっていたが，ここから推測された通り，アイオノマー量の設定との適切なバランスが存在することが示された．結論としてパターン電極形状は高アスペクト比にし、触媒層のアイオノマー量を減らしていくことがよいことが分かった。また9月に学位を取得した後には、特別研究員PDとしてそれまでの研究の延長に従事した。その中では、ベイズ最適化を用いたパターン電極の形状最適化や、パターン電極によって触媒層内の白金がどの程度有効に使われるようになるか、といった課題を検討した。

在这项研究中，我们致力于阐明与聚合物电解质燃料电池中的图案化电极相关的物理现象，并在此基础上优化形状。前者使用阻抗分析和反应输运模拟来表明，质子电导率的提高可以提高整体性能。同时，还发现与氧扩散率的权衡很重要。在后一种情况下，基于这些权衡，我们研究了如何处理图案化电极的形状和催化剂层的组成。今年的具体研究成果如下。 由于今年是我们研究的最后一年，我们根据目前所掌握的知识，将重点放在反应输运模拟上。往年也包括将形状和成分单独设置为参数的研究，但今年我们重点关注将形状和成分同时设置为参数的计算。去年发现图案化电极有助于离聚物电导率，正如预期的那样，表明与离聚物用量的设定存在适当的平衡。总之，发现最好使图案电极形状具有高的纵横比并减少催化剂层中离聚物的量。 9月获得学位后，他作为特别研究员PD继续研究。在此过程中，我们研究了诸如使用贝叶斯优化来优化图案化电极的形状以及图案化电极如何有效地使用催化剂层中的铂等问题。

项目成果

Heterogeneous pore-scale model analysis of micro-patterned PEMFC cathodes

微图案质子交换膜燃料电池阴极的异质孔尺度模型分析

• DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.232507
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 9.2
• 作者: Tomizawa Morio;Inoue Gen;Nagato Keisuke;Tanaka Akihisa;Park Kayoung;Nakao Masayuki
• 通讯作者: Nakao Masayuki

Numerical analysis of cathode micro-patterned PEMFC based on heterogeneous pore scale model under low-humidified condition

低湿条件下基于非均质孔隙尺度模型的阴极微图案质子交换膜燃料电池数值分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Morio Tomizawa

Numerical analysis of cathode micro-patterned PEMFC based on heterogeneous pore scale model under low-humidified condition

低湿条件下基于非均质孔隙尺度模型的阴极微图案质子交换膜燃料电池数值分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Morio Tomizawa

Impedance-Based Performance Analysis of Micropatterned Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

基于阻抗的微图案聚合物电解质膜燃料电池性能分析

• DOI: 10.1115/1.4053388
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 2.5
• 作者: Tomizawa Morio;Nagato Keisuke;Nagai Kohei;Tanaka Akihisa;Heinzmann Marcel;Weber Andr?;Inoue Gen;Nakao Masayuki
• 通讯作者: Nakao Masayuki

Effect of micro-patterned membrane PEFC dependent on operating condition

微图案膜 PEFC 的效果取决于操作条件

• 发表时间: 2021
• 作者: Morio Tomizawa