2020 Fiscal Year Research-status Report
極低白金・自己加湿型酸－アルカリハイブリッド燃料電池のシステム設計と水移動解析
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19K05148
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大柴 雄平 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (10708530)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 酸－アルカリハイブリッド燃料電池 / 細孔フィリング薄膜 / 水挙動 / カーボンアロイ触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究提案では、燃料電池システムの極低白金化及び自己加湿を目指して、酸－アルカリハイブリッド燃料電池のシステム設計と水移動解析を行う。酸環境のアノードで白金量を減らし、アルカリ環境のカソードでは非白金系のカーボンアロイ触媒の利用により、燃料電池システム全体の白金使用量の効果的な低減を目指す。アニオン伝導膜は、アニオン伝導性高分子をプロトン伝導膜に薄く塗布することで作製する。プロトン伝導膜やアニオン交換膜における膜厚などの膜特性の変化が電池性能や水移動に与える影響を、実験・モデル計算の両面から明らかにするとともに、自己加湿を実現する、ハイブリッド燃料電池用電解質膜の設計指針獲得を目指す。
今年度は、昨年度発電に初めて成功した酸-アルカリハイブリッド型燃料電池の電池システムの最適化に向け、まずは酸環境下での運転で、アノード触媒層における低白金化を試みた。市販のナフィオン膜を電解質膜として、アノード、カソードともに白金担持カーボン触媒を用いて燃料電池評価したところ、白金担持量を0.03 mg cm-2まで低減しても従来と同様の電池性能を示した。また、カソード触媒をFeCo-NCZ触媒に変更し電池性能を評価したところ、開放起電力が0.72 Vと低く、カソードの過電圧も大きいことが分かった。
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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
今年度は、酸－アルカリハイブリッド型燃料電池の最適化に向け、酸環境下にてアノード触媒層の低白金化を試み、従来の白金担持量の1/10まで減らすことに成功した。一方、酸環境下にてカソード触媒層をFeCo-NCZに変更した燃料電池では、FeCo-NCZが酸環境でORR活性が低いことに起因して電池性能が低く、カソードをアルカリ環境で発電するハイブリッド燃料電量電池の優位性を燃料電池試験においても示した。以上の進展はおおむね当初の計画に沿ったものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、カソード触媒層の最適化に向け、アルカリ環境下での燃料電池試験を試みる。FeCo-NCZ触媒量やアイオノマー量を系統的に変化させてカソード触媒層の最適化を試みる。そして、今年度最適化したアノード低白金触媒層とカソード非白金FeCo-NCZ触媒層を組み合わせたハイブリッド型燃料電池システムを構築し、水移動解析を行う。そして、ハイブリッド燃料電池の水移動モデルを構築し、プロトン伝導膜自身やアニオン伝導膜の厚みを変化させた場合に、出口露点を測定して水挙動を定量的に評価することで、膜特性の変化が水挙動に与える影響を明らかにする。
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