軟X線ミクロ可視化とLBM解析によるPEFC電極構造とフラッディング現象の解明

通过软 X 射线显微可视化和 LBM 分析阐明 PEFC 电极结构和溢流现象

基本信息

批准号：
12J09344
负责人：
鈴木崇弘
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

固体高分子形燃料電池(PEFC)の高性能化,低コスト化のためには,内部で反応物質の輸送を担う電極の性能向上が不可欠であり,電極内で凝縮水が生成されること(フラッディング現象)による物質輸送抵抗の増加が性能低下の大きな要因と考えられている.そのため,具体的に電極内のどの領域で水分が凝縮・滞留することが性能低下を引き起こすのかを明らかにすることにより,物質輸送に基づく電極構造の設計指針を提示することが重要である.そこで本研究では,PEFC電極構造とフラッディング現象の関係について,実験及び数値解析より明らかにすることを目的とした.触媒層形成プロセスにおいて,塗布厚さと白金担持カーボン・非担持カーボン混合比を形成パラメーターとすることにより,触媒層厚さ及び白金担持量をそれぞれ独立した構造パラメーターとして触媒層を作製し,性能評価を行った.これより,触媒層薄膜化により抵抗過電圧が低減される一方,低白金化によっては抵抗過電圧及び濃度過電圧が増加することが示された.性能解析より,これらの過電圧増加による性能低下は触媒層内における局所の物質輸送フラックスの増加及び白金周囲における局所フラッディングの影響であると考えられる.以上の電極内の抵抗因子に加えて,軟X線を用いた水分可視化計測より電極の多孔質積層構造の層間に液水が滞留することが示唆されており,更なる酸素輸送の抵抗因子となることが予想されることから,層間の構造解析を行いモデル化し,格子ボルツマン法(LBM)を用いた物質輸送解析を行った.これより,層間にクラック(隙間)が生じており,ここに液水がフィルム状に滞留することにより,ガス輸送が著しく阻害されることが明らかになった.これらの電極内及び電極層間における物質輸送抵抗因子の抽出・評価は,最適な電極構造設計に向けて重要な知見であると考えらえる.

为了提高聚合物电解质燃料电池（PEFC）的性能并降低成本，必须提高内部输送反应物的电极的性能，而电极内部会产生冷凝水（因水淹而增加传质阻力）（现象）被认为是性能恶化的主要因素。因此，重要的是要弄清楚电极内的哪些区域水会凝结和停滞，从而导致性能恶化。我们提出了基于传质的电极结构设计指南。因此，在本研究中，我们旨在通过实验和数值分析来阐明PEFC电极结构与液泛现象之间的关系。在催化剂层形成过程中，涂层厚度和铂负载碳以无负载碳混合比为形成参数，制备催化剂层，并使用催化剂层厚度和负载的铂量作为独立的结构参数来评价性能。由此发现，通过使催化剂层更薄，可以降低电电阻过载。结果表明，当压力降低时，由于铂的减少，电阻过电压和浓度过电压增加。性能分析表明，由于过电压增加而导致的性能下降是由于内部局部传质通量的增加。铂周围的催化剂层。除了上述电极内的电阻因素外，使用软 X 射线的湿度可视化测量表明液态水在电极的多孔层状结构层之间积聚并进一步传输氧气。由于这被认为是一个阻力因素，我们分析了层之间的结构，创建了一个模型，并使用格子玻尔兹曼方法（LBM）进行了质量传输分析，很明显，气体传输受到积累的显着抑制。这些电极内和电极层之间的传质阻力因子的提取和评估是寻找最佳电极的关键，这被认为是结构设计的重要知识。