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

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K05148
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 大柴 雄平 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (10708530)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 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

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、これまでに作製したカーボンアロイ触媒であるFeCo-NCZ触媒をカソード触媒として、アルカリ環境下での運転を試みた。発電試験の結果、開放起電力は0.96 Vと昨年の酸環境下での電池試験の結果と比較して高くなっており、FeCo-NCZ触媒がアルカリ環境下で有利であることが示された一方、白金担持カーボンを使用したアノードの過電圧は大きくなり、アノード反応は不利であることが示唆された。最後に、アノード（白金担持カーボン）を酸環境下、カソード（FeCo-NCZ触媒）をアルカリ環境下にしたハイブリッド型燃料電池として電池性能を評価した。ハイブリッド型での開放起電力は0.86 Vと酸型と比較して向上し、アノードの過電圧は酸型の場合と同程度の低い値を示した。以上より、ハイブリッド型燃料電池の酸型アノードとアルカリ型カソードの発電システムの利点を実証することに成功した。