固体高分子形燃料電池の反応工学的カソードモデルの開発

聚合物电解质燃料电池反应工程阴极模型的开发

基本信息

批准号：
22KJ1899
负责人：
小川輝
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

固体高分子形燃料電池（PEFC）のカソード触媒層（CCL）内の白金担持触媒には導電性高分子のアイオノマーが添加されており、プロトンの輸送経路となっている。一方アイオノマーは白金担持カーボンの表面を被覆しているため、酸素輸送の障害となる。アイオノマー内酸素透過係数が相対湿度や温度、アイオノマー膜厚さにどう依存するかは定式化されていない。本研究では、白金担持触媒の代わりに白金板にスリット状の空隙を設けたスリット触媒を作製し発電を行い、解析を容易にすることで酸素透過抵抗を定量化した。2022年度の研究では、反応温度60 °Cから80 °C、相対湿度0.3から1、アイオノマー膜厚さ240 nm、410 nmでの実験を終えた。酸素透過係数は、相対湿度の関数である含水率の指数関数で表せることを明らかにした。また、透過抵抗はアイオノマー厚さに比例することも確認した。温度依存性について、透過係数は低温ほど小さくなるという予想と反する結果が得られた。白金スリット触媒とは別に、市販の炭素担持白金触媒層を用いて電流電圧曲線を測定した。市販の担持触媒層を用いても、電流電圧曲線の酸素分圧依存性を測定することで、触媒層厚さ方向の物質輸送抵抗を定量化できることを示した。セル温度80 °C、セル湿度79 %、界面電位差0.80 V、酸素分圧66 kPaのとき、セル性能に与える物質輸送抵抗の影響の大きさは、プロトン輸送抵抗の方が酸素輸送抵抗よりも3.2倍大きいことを明らかにした。2023年度は透過係数のアイオノマー厚さ依存性のデータの拡充を行う。また、市販の炭素担持白金触媒を用いた測定から、担体の違いや導電性高分子の違いなど、触媒構造の違いがどの輸送に直結するかを定量的に議論する。

将导电聚合物离聚物添加到聚合物电解质燃料电池（PEFC）阴极催化剂层（CCL）中的铂负载催化剂中，作为质子传输路径。另一方面，由于离聚物涂覆在铂负载碳的表面，因此它成为氧传输的障碍。尚未阐明离聚物内氧渗透系数如何取决于相对湿度、温度和离聚物膜厚度。在这项研究中，我们在铂板上制造了一种具有狭缝状空隙的狭缝催化剂，而不是铂负载的催化剂，产生电力，并量化氧渗透阻力以方便分析。在2022年的研究中，实验是在反应温度60℃至80℃、相对湿度0.3至1、离聚物膜厚度240nm和410nm下完成的。结果表明，透氧系数可以表示为含水量的指数函数，而含水量是相对湿度的函数。我们还证实传输阻力与离聚物厚度成正比。关于温度依赖性，获得了与渗透系数随着温度降低而变小的预测相反的结果。除了铂狭缝催化剂之外，还使用市售的碳负载铂催化剂层来测量电流-电压曲线。我们表明，即使当使用市售的负载催化剂层时，也可以通过测量电流-电压曲线的氧分压依赖性来量化催化剂层厚度方向上的传质阻力。在电池温度为 80 °C、电池湿度为 79%、界面电位差为 0.80 V、氧分压为 66 kPa 时，质子传输阻力对电池性能的影响比氧大 3.2%运输阻力增加了一倍。在 2023 财年，我们将扩展有关透射系数对离聚物厚度依赖性的数据。此外，基于使用市售碳载铂催化剂的测量，我们将定量讨论催化剂结构的差异（例如载体和导电聚合物的差异）如何与传输直接相关。