Creation of innovative process of porous structure by applying electric potential

通过施加电势创建多孔结构的创新工艺

基本信息

批准号：
21H01695
负责人：
井上元
金额：
$ 9.9万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01695/
关键词：
混相流多孔質構造電気化学粒子制御直接計測

项目摘要

各種電池や分離システムで用いられる粒子堆積状多孔質層の形成方法である湿式作製過程を対象にし、電場印加による気泡発生と輸送挙動、そして多孔質構造の形成に関する基礎現象に注目しその機構解明を進めた。昨年度に引き続き、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell: PEFC）の緻密カーボン層（MicroPorous Layer:MPL）の材料となるカーボンブラックを用い、その混合スラリー液を、プレート電極とニッケルメッシュ電極の間に流しこみ、下部面から加熱し乾燥させて堆積層を製膜した。昨年度感度評価を行った印加電位、スラリー中のpH調整、水アルコール比の最適化により、粒子体積構造における二次細孔径を任意に可変できることを確認した。これを次に燃料電池触媒層を想定した混合スラリーにも応用した。その際にPt/C粒子を流し込んだ後に電場印加することができないため、予め粒子を含まない溶媒のみで電場印加し、その後電極触媒スラリーを流し込み、細孔制御を試みた。MPLほどの明確な差異は確認できなかったが、気泡が鋳型として残存する表層においては、わずかに粒子凝集性が異なることを確認した。そこで次に、このような触媒層の二次細孔径が異なる場合を対象に数値シミュレーションで、カソード酸素還元反応の計算を行った。Pt担持量を変えた２種類の触媒層を対象に、細孔径を100nm～500nmまで変えて計算した。計算には当研究室独自開発のマルチブロック法を用いたコードを用いた。二次細孔が酸素輸送性として有利になることを仮説として考えていたが、細孔径が大きくなることで、相対的に凝集部が拡大し、かえって酸素輸送性の低下、発電特性の低下を引き起こした。計算プログラムに課題があると考え、その改良を今後行う必要がある。

湿法制造工艺是一种以颗粒沉积物形式形成多孔层的方法，用于各种电池和分离系统，我们重点研究由于施加电场而产生的气泡和传输行为，并阐明其机制参与多孔结构的形成。继去年之后，我们使用了聚合物电解质燃料电池（PEFC）微孔层（MPL）材料炭黑，并将混合浆料液体涂覆到板电极和镍网电极上，形成了沉积层。将混合物倒入间隙中并从下侧加热干燥。我们确认，通过优化去年评估的施加电位、浆料中的pH调节和水醇比，可以任意改变颗粒体积结构中的二次孔径。然后将其施加到旨在用作燃料电池催化剂层的混合浆料上。当时，由于在倒入 Pt/C 颗粒后无法施加电场，因此我们尝试通过仅使用不含颗粒的溶剂施加电场，然后倒入电催化剂浆料来控制孔隙。虽然我们无法像 MPL 那样确认明显的差异，但我们确认，在气泡作为模板的表面层中，颗粒团聚特性略有不同。接下来，我们进行了数值模拟，计算了催化剂层的二次孔径不同的情况下的阴极氧还原反应。使用负载不同量的 Pt 的两种类型的催化剂层以及将孔径从 100 nm 改变到 500 nm 进行计算。在计算中，我们使用了我们实验室独立开发的多块方法的代码。假设次生孔隙有利于氧气输送，但随着孔径的增大，团聚面积会相对扩大，这实际上会降低氧气输送和发电特性。我们认为计算程序存在问题，需要日后改进。