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），创建了一个膜电极组件，并测试了燃料电池的操作。为了在低湿化条件下提高质子电导率，合成了一种新型的SPE-1膜，并通过增加的离子交换能力（IEC）合成，并引入了分支或交联点以稳定它。这些分支和交联的SPE-1膜的质子电导率高于未交联膜的质子电导率。特别是，具有高IEC（2.50 mEq/g）的交联膜的效果尤其明显，并且在100和120°C的温度下，质子电导率在低湿度化条件下通过数量级成功提高了质子电导率。使用SPE-1电解液通过胶体沉积制备催化剂层，并进行了燃料电池操作测试。当更改电解质和碳黑色的组成比（SPE-1/CB）以研究阴极性能时，SPE/CB = 1.0电极的铂质量活性在900 mA/cm^2的电流密度为27 a/g时为27 a/g，这是由毛泽西方法制备的相同组合物的电极的两倍。该值大于用基于氟的电解质（Nafion）优化的电极的质量活性。此外，由于获得了与70 mV/dec的理论值几乎一致的Tafel梯度，因此可以证实质子和氧气得到了足够的供应。实际电位的电流密度为0.7V，达到了糊电极的两倍（320 mA/cm^2）。胶体沉积法提高了催化剂的利用率，而不会阻碍材料供应，并且被认为显着改善了总体性能。此外，发现在胶体沉积法中具有SPE/CB = 0.5的电极显示最低值，并且当需要高电流密度操作时，SPE/CB <1.0的范围是合适的。从上述结果中可以揭示出新的聚醚电解质的使用可以提高燃料电池的性能。