Creation of innovative process of porous structure by applying electric potential
| Project/Area Number |
21H01695
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27010:Transport phenomena and unit operations-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
井上 元 九州大学, 工学研究院, 教授 (40336003)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
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| Keywords | 混相流 / 多孔質構造 / 電気化学 / 粒子制御 / 直接計測 |
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| Outline of Research at the Start |
各種電池や分離システムでは粒子堆積状多孔質層が主に用いられている。これらの多くは溶媒中に粒子を分散させ、そして塗布乾燥させる「湿式法」で形成されている。しかしながらその内部の多孔構造はこの一連の操作条件の僅かな差で大きく変化し、制御が困難であり、勘と経験に現状依存している。そこで本研究では、従来にないプロセスとして湿式法の中間工程で電場を印加することで、気泡発生制御、粒子凝集制御、親疎水性制御を精密に行う技術構築を目指し、そのためのこれら現象解明を進める。本研究により多孔質体の特性取得と構造設計の高度化を図ることができ、各種デバイスやシステムの性能向上に貢献することができる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。昨年度まで取り組んでいた、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell: PEFC）の触媒層の構造制御への適用について、細孔拡大の効果は確認できたが、相対的に凝集体が顕在化してしまう問題について、数値計算による取り組みを進めた。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。これについて電解質ポリマー量の変更や、担持密度変更など試みたが、いずれも同じ結果となった。これについてより多様な条件でも、この結果が普遍的なものであるのかを検証するために、計算空間内で粒子凝集を再現し、空隙率、凝集粒子径、組成比を変えた約１００条件の構造に対して、学習モデルを用意し、畳み込みニューラルネットワークによる機械学習モデルを構築した。これにより発電特性は細孔径サイズよりも凝集粒子サイズに強く相関することを確認した。これはクヌッセン拡散が支配的な領域において、酸素の二次細孔中の拡散が触媒層厚さ方向で抵抗となるよりも、粒子凝集体の半径方向に抵抗となることが理由であると確認でき、すなわち本研究により、対象アプリケーションに適した構造の設計と作製が可能となった。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(3 results)
