高性能燃料電池のためのポリエーテル系電解質膜に関する研究

高性能燃料电池用聚醚电解质膜的研究

基本信息

批准号：
16750160
负责人：
宮武健治
金额：
$ 2.43万
依托单位：
University of Yamanashi
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16750160/
关键词：
燃料電池高分子電解質膜プロトン伝導ポリエーテル

项目摘要

平成17年度はポリエーテル電解質(SPE-1)の改良と膜電極接合体の作成および燃料電池運転試験を行った。低加湿条件下でのプロトン伝導度の向上を目的として、イオン交換容量(IEC)を増大させ分岐または架橋点を導入して安定化した新型のSPE-1膜を合成した。これら分岐・架橋SPE-1膜のプロトン伝導度は未架橋膜に比べて高い値を示した。特に、高いIEC(2.50meq/g)を有する架橋膜ではその効果が顕著であり、100、120℃いずれの温度でも低加湿条件下でのプロトン伝導度を1桁程度向上させることに成功した。SPE-1電解質を用いてコロイド沈着法により触媒層を調製し、燃料電池運転試験を実施した。電解質とカーボンブラックの組成比(SPE-1/CB)を変化させてカソード特性を調べたところ、電流密度900mA/cm^2におけるSPE/CB=1.0電極の白金質量活性は27A/gであり、ペースト法で調製した同じ組成の電極の約2倍高い活性が得られた。この値は、フッ素系電解質(Nafion)で最適化した電極の質量活性20A/gをも上回っている。また、Tafel勾配は理論値の70mV/decにほぼ一致した値が得られていることから、プロトンと酸素が十分に供給されていることが確認できた。実用電位0.7Vにおける電流密度はペースト法電極の2倍(320mA/cm^2)に達した。コロイド沈着法により物質供給を阻害することなく触媒利用率が高められた結果、総合的な性能が大幅に向上したものと考えられる。さらに、濃度過電圧はコロイド沈着法のSPE/CB=0.5の電極が、最も低い値を示しており、高電流密度運転が要求される場合には、0.5≦SPE/CB<1.0の範囲が適していることを見出した。以上の成果から、新型ポリエーテル電解質を用いることにより燃料電池の高性能化が達成できることが明らかとなった。

2005年，我们改进了聚醚电解质（SPE-1），创建了膜电极组件，并进行了燃料电池运行测试。为了提高低湿条件下的质子传导率，我们合成了一种新型SPE-1膜，通过引入支化或交联点来提高离子交换容量（IEC）和稳定性。这些支化/交联 SPE-1 膜的质子电导率高于未交联膜。对于具有高 IEC (2.50 meq/g) 的交联膜，这种效果尤其显着，并且我们成功地在 100 和 120°C 的低湿度条件下将质子电导率提高了约一个数量级。采用SPE-1电解液通过胶体沉积法制备催化剂层，并进行燃料电池运行测试。通过改变电解液和炭黑（SPE-1/CB）的组成比来研究阴极特性时，SPE/CB=1.0电极在电流密度为900 mA/cm^2时的铂质量活度为27 A /g，活性比糊法制备的相同组成的电极高约2倍。该值还超过了使用氟化电解质 (Nafion) 优化的电极的 20 A/g 质量活性。此外，由于塔菲尔斜率与70mV/dec的理论值几乎相同，所以确认质子和氧被充分供给。实用电位0.7V时的电流密度达到粘贴法电极的两倍（320mA/cm^2）。据认为，由于胶体沉积方法在不抑制材料供应的情况下提高了催化剂利用率，因此整体性能得到了显着提高。此外，胶体沉积法的SPE/CB=0.5的电极表现出最低的浓度过电位值，并且当需要高电流密度操作时，0.5≤SPE/CB<1.0的范围是合适的。从上述结果可以看出，通过使用新型聚醚电解质可以实现更高性能的燃料电池。