2018 Fiscal Year Annual Research Report
エネルギー損失最小化を実現する燃料電池電極触媒層の設計解の解明と実証
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18H01383
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
津島 将司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30323794)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 崇弘 大阪大学, 工学研究科, 助教 (90711630)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 物質輸送 / ナノマイクロ構造制御 / 数理最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，固体高分子形燃料電池におけるエネルギー損失を最小化する電極触媒層の設計解を明らかにした上で実証することを目指している．そのために，燃料電池内反応輸送解析と数理科学的手法を融合し，電極触媒層内のアイオノマー，白金担持カーボン，空隙の体積分率分布が燃料電池性能に及ぼす影響を解析し，最適解を導出する．その上で，電極触媒層の多孔質構造形成技術と断面分析手法を適用することで，電極触媒層の設計解の実現と燃料電池性能の向上を目的としている．本年度は，電極触媒層中のアイオノマー，白金担持カーボン，空隙の体積分率に加えて，気液二相流挙動が電気化学反応と物質輸送へ及ぼす影響を考慮した固体高分子形燃料電池の３次元数値解析モデルを構築した．その上で，次年度以降の電極触媒層の設計解の導出に向けて，電極触媒層の構造因子とエネルギー損失（反応過電圧，抵抗過電圧，濃度過電圧）の関係についての検討を開始した．多孔質構造形成技術については，電極触媒インク作製において高圧分散法を導入することで，マイクロプリンティングにおける吐出安定性を向上した．同時に，分散促進により電極触媒層が緻密化することを示す結果を得た．さらに，イオンビーム二段階加工による断面分析からアイオノマー厚さの統計分布を算出する手法を開発し，熱分析測定の結果とあわせて，ドクターブレード法により作成された従来の電極触媒層とマイクロプリンティング法で作成された電極触媒層では空隙構造が異なり，電池性能にも違いが生じることを明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，次の研究開発項目を推進することとしている．（１）燃料電池反応輸送解析と大規模数理解析手法の統合による電極触媒層の「設計解」の解明，（２）マイクロプリンティングと断面分析による電極触媒層の構造制御と「設計解」の実証．初年度においては，それぞれ次の研究開発を推進するとした．①電極触媒層の「設計解」を導出する数理最適化モデルの研究開発，②マイクロプリンティングによる電極触媒層の局所構造制御の研究開発．現在までに，固体高分子形燃料電池の電極触媒層構造について数理最適化を実施する基盤となる３次元数値解析モデルを構築できている．電極触媒層の構造制御については，マイクロプリンティング技術の適用範囲を拡大する知見に加えて，アイオノマー厚さを定量的に評価する手法の確立することができた．これらの成果は本研究で目的とする，固体高分子形燃料電池のエネルギー損失を最小化する電極触媒層の設計解の解明と実証，に向けて基盤となるものであり，研究開発は順調に推移しているものと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では，次の研究開発項目を推進することとしている．（１）燃料電池反応輸送解析と大規模数理解析手法の統合による電極触媒層の「設計解」の解明，（２）マイクロプリンティングと断面分析による電極触媒層の構造制御と「設計解」の実証．研究開発の二年目においては，それぞれ次の研究開発を推進する．①電極触媒層の「設計解」を導出する数理最適化手法の研究開発：固体高分子形燃料電池の電極触媒層における白金担持カーボンとアイオノマーの体積分率分布を汎関数として，反応過電圧，抵抗過電圧，濃度過電圧を最小化する解析手法についての検討を行う．出力電流密度，供給ガス条件などが各過電圧に及ぼす影響について考察し，最適化に用いる評価関数に関して検討する．その上で，白金担持カーボンとアイオノマーの体積分率分布について独立して最適化を行い，設計変数分布としての解の導出を行う．②電極触媒層の局所構造制御の研究開発：マイクロプリンティング法およびドクターブレード法を融合した電極触媒層内の白金担持カーボン，アイオノマー，空隙の局所体積分率の制御手法と空間分布の構築手法を確立する．その際，固体高分子形燃料電池の流路部とリブ部のそれぞれに適合した電極触媒層の構築についての検討を行う．そのために，固体高分子形燃料電池電極インクの作成手法に関して，従来の遠心分散法，超音波分散法に加えて，高圧分散法をマイクロプリンティングに適用し，固体高分子形燃料電池の発電性能を最大化するプロセス条件を明らかにする．その際，マイクロプリンティング法およびドクターブレード法で構築した電極触媒層について，イオンビーム二段階加工による断面分析手法を適用した構造評価を行う．
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