2018 Fiscal Year Research-status Report
高電流密度運転を指向した燃料電池用カーボンフリー触媒層の構造設計・開発
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18K04841
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| Research Institution | Kanagawa Institute of Industrial Sclence and Technology |
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Principal Investigator |
黒木 秀記 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所, 高効率燃料電池開発グループ, サブリーダー (70716597)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / カソード / カーボンフリー / 触媒層 / マイクロポーラス層 / 水移動 / 物質移動抵抗 / 高電流密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は、固体高分子形燃料電池（PEFC）のためのカーボンフリーカソード触媒層における高速物質移動構造の設計・開発を目的としている。カソード内部では、触媒反応、プロトン・電子の伝導、酸素ガスの拡散など、複雑な現象が起こり、電池性能を決定している。特に、高出力化に必要な高電流密度領域での運転においては生成水の影響が顕著となるため、酸素の物質移動抵抗の低減には、カソード触媒層内での水の移動や凝縮（液水形成）を考慮した電極構造設計が必要である。
2018年度は、カーボンフリーカソード触媒層から水を効率よく移動・排出させるために、触媒層とガス拡散層の間に設置するマイクロポーラス層（MPL）の構造に着目した。MPLは触媒層と直に接するため、水移動を制御する上で重要な構成要素である。本課題では、MPLに用いるカーボン粒子の粒径とバインダーポリマーの種類を変えることで、MPLの細孔構造および親疎水性を制御した。細孔構造の異なるMPLを用いた発電性能の比較から、大きい細孔径を有するMPLの場合、カーボンフリー触媒層からMPLに移動した水が凝縮しにくく、フラッディングが起こりにくいことが示唆された。さらに、親水性MPLは疎水性MPLに比べ、発電性能の向上が確認された。疎水性MPLの場合、触媒層/MPL界面に水が溜まり、液水によるフラッディングが生じ、一方で、親水性MPLは、カーボンフリー触媒層からMPLへの水移動が容易に起こり、高電流密度領域での物質移動抵抗低減につながったと示唆された。本成果は、カーボンフリーカソード触媒層における水移動特性向上に向けた重要な知見であり、現在着手している触媒層の構造制御と合わせて、電極全体での設計・開発を進めている。
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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
2018-2019年度は、カソード電極におけるカーボンフリー触媒層およびガス拡散層構造が高電流密度領域での発電性能（物質移動特性）に与える影響の調査を目的としており、2018年度は主にガス拡散層構造に着目し研究を進めた。ガス拡散層に用いるMPLの細孔構造や親疎水性を制御し、カーボンフリー触媒層と組み合わせた電極において、高電流密度領域で異なる発電性能を示した。得られた結果から、MPL構造が電極内部の水移動特性に与える影響を考察し、カーボンフリー触媒層に適したMPLの構造設計指針が得られた。さらに現在、テンプレート粒子を用いた触媒層の構造制御にも着手している。以上から、2018-2019年度の研究計画を順調に進めており、カソード電極全体（触媒層＋拡散層）での構造設計から、高電流密度領域で液水の形成を抑え、酸素の物質移動抵抗を低減する電極を構築できると期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
テンプレート粒子を用いた新規手法によるカーボンフリー触媒層の細孔構造制御を引き続き進め、カソード触媒層構造と高電流密度領域での発電性能との関係性を整理する。ここでは、導入するテンプレート粒子の粒径、粒径分布、濃度により、細孔構造の制御を試みる。さらに、2018年度で得られた知見を活かし、ガス拡散層を含めたカソード電極全体での水移動特性を議論する。得られた結果を踏まえて、触媒層の親疎水性制御も検討し、電極の各構造因子（カーボンフリー触媒層および拡散層の細孔構造、親疎水性）が水移動特性および酸素の物質移動抵抗に与える影響を明確にする。この際、電極内部での液水形成や物質移動現象を理解するために、カソード電極へ供給する酸素ガスの分圧や湿度を変化させた発電試験や電気化学的解析を行う。これらの知見を触媒層・拡散層開発にフィードバックさせ、高電流密度領域で高効率・高出力発電が可能なPEFCの実現を目指す。
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