2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of Three-Dimensional Self-Water-Managed Catalyst Layer Structure for Cost Reduction of Polymer Electrolyte Fuel Cells
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22K03976
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University College of Technology |
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Principal Investigator |
杉浦 公彦 大阪公立大学工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (00249814)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | PEFC / 固体電解質形燃料電池 / 触媒層 / 白金触媒 / インクジェットプリンタ / スプレーコート |
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| Outline of Annual Research Achievements |
①DB法を用いて疎水性や親水性を有する炭素種をガス上流部や下流部，または電池全体に添加した5cm×5cmの触媒層を形成し，セル特性評価を行った結果，SWMCは標準セルよりも白金触媒が6.5wt%少なかったが常温無加湿条件下で標準セルよりも良好な性能を得ることができ，SWMCの有効性を確認できた．2分割して添加炭素種を変化させた場合では，アノード極に球状黒鉛，カソード極上流部にグラファイト屑，下流部に黒鉛を添加したSWMCはオーム抵抗が最も低く，分極抵抗は他のパターンよりも低い結果を得たが，再現性やメカニズムなどは未解明であるため更なる検証を要す．
②IJP法を用いて有効電極面積3㎝×3㎝の触媒層を４分割し，I/C比を1/3, 2/3, 3/3, 4/3と上流部から下流部，下流部から上流部と変化させた２種類の触媒層を形成し，電池性能評価を行った結果，上流部からI/C=4/3～1/3と減少させると上流部のアイオノマーによる電子輸送抵抗が上昇した．一方，上流部からI/C=1/3～4/3と増加させると電子輸送抵抗は減少したが，高電流密度域でガス下流部のガス拡散抵抗が増加した．分割数を3分割としてI/C=1/3～3/3で上述の2パターンを検証した結果，両者ともに4分割に比べて各抵抗成分が低減したことで性能向上し，上流部からI/C=1/3～3/3では常温無加湿条件で標準触媒層よりも良好な性能を得て2D触媒層の優位性を確認できた．
③白金触媒リッチインクとアイオノマー修飾炭素インクを交互に塗布した1㎝×1cmの触媒層を形成し，80℃フル加湿条件と常温無加湿条件で評価した結果，SWMCは標準触媒層よりも6.5wt%も白金触媒量が少ないにもかかわらず，常温無加湿条件下では標準触媒層と同等のセル性能を得ることができた．DRT解析では添加炭素によって分極抵抗の内容が異なることを示めせた．
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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
①自己水管理型触媒層の開発では，個別の添加炭素種の検討およびその効果による白金触媒使用量の低減はできているが，同一電極内で添加炭素種を組み合わせることは未だできていない．また，添加炭素の触媒層内での状態の分析もイオンミリング装置の不備が続いており未達である．
②IJP法を用いた3D触媒層の開発では，触媒層厚み方向の1Dと電極面内の2Dについてはそれぞれの優位性を確認する時間が長くかかったため，これらを組み合わせた3Dについて検討開始がやや遅れている．
③SP法での2種類の触媒インクを用いた触媒層厚み方向の1D-SWMCについてはその優位性を確認できたが，2D-SWMCに関してはこれから実施していく．
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| Strategy for Future Research Activity |
検討項目①では，SWMC内の添加炭素の状態を確認するために，イオンミリング装置を修理したが上手くいかなかったため，外部分析委託する予定である
検討項目②では，得られた知見を基に3D-SWMC形成を試み，セル性能評価を行う予定である．
検討項目③では，2D-SWMC形成を試み，セル性能評価を行う予定である．
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| Causes of Carryover |
当初，自動スプレーコート装置の作製を予定していたが，白金触媒の高騰による使用量低減と，3cm×3cmの触媒層で評価を行うものを1cm×1cmでも評価できるとしたため，スプレーノズルを稼働させなくても均一塗布が可能となたため，上述した装置の製作を取りやめた．また，成果報告のために予算計上していた米国ECSへの参加と論文化までに至らなかったために計上予算を最終年度の国際会議参加と論文投稿費用に充てるため次年度へ予算を繰り越した．
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