電位印可による新たな多孔質構造形成プロセスの創成

• 研究課題/領域番号: 21H01695
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分27010:移動現象および単位操作関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 井上 元 九州大学, 工学研究院, 教授 (40336003)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円); 2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2021年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
• キーワード: 混相流 / 多孔質構造 / 電気化学 / 粒子制御 / 直接計測

研究開始時の研究の概要

各種電池や分離システムでは粒子堆積状多孔質層が主に用いられている。これらの多くは溶媒中に粒子を分散させ、そして塗布乾燥させる「湿式法」で形成されている。しかしながらその内部の多孔構造はこの一連の操作条件の僅かな差で大きく変化し、制御が困難であり、勘と経験に現状依存している。そこで本研究では、従来にないプロセスとして湿式法の中間工程で電場を印加することで、気泡発生制御、粒子凝集制御、親疎水性制御を精密に行う技術構築を目指し、そのためのこれら現象解明を進める。本研究により多孔質体の特性取得と構造設計の高度化を図ることができ、各種デバイスやシステムの性能向上に貢献することができる。

研究実績の概要

各種電池や分離システムで用いられる粒子堆積状多孔質層の形成方法である湿式作製過程を対象にし、電場印加による気泡発生と輸送挙動、そして多孔質構造の形成に関する基礎現象に注目しその機構解明を進めた。昨年度に引き続き、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell: PEFC）の緻密カーボン層（MicroPorous Layer:MPL）の材料となるカーボンブラックを用い、その混合スラリー液を、プレート電極とニッケルメッシュ電極の間に流しこみ、下部面から加熱し乾燥させて堆積層を製膜した。昨年度感度評価を行った印加電位、スラリー中のpH調整、水アルコール比の最適化により、粒子体積構造における二次細孔径を任意に可変できることを確認した。これを次に燃料電池触媒層を想定した混合スラリーにも応用した。その際にPt/C粒子を流し込んだ後に電場印加することができないため、予め粒子を含まない溶媒のみで電場印加し、その後電極触媒スラリーを流し込み、細孔制御を試みた。MPLほどの明確な差異は確認できなかったが、気泡が鋳型として残存する表層においては、わずかに粒子凝集性が異なることを確認した。そこで次に、このような触媒層の二次細孔径が異なる場合を対象に数値シミュレーションで、カソード酸素還元反応の計算を行った。Pt担持量を変えた２種類の触媒層を対象に、細孔径を100nm～500nmまで変えて計算した。計算には当研究室独自開発のマルチブロック法を用いたコードを用いた。二次細孔が酸素輸送性として有利になることを仮説として考えていたが、細孔径が大きくなることで、相対的に凝集部が拡大し、かえって酸素輸送性の低下、発電特性の低下を引き起こした。計算プログラムに課題があると考え、その改良を今後行う必要がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画では二次細孔を多く形成させることは燃料電池発電特性の向上につながると考えていた。昨年度MPLについてはその効果を認めることができたが、その技術を今年度触媒層に適用したところ、その効果を数値シミュレーションで確認したが、想定よりもその発電特性向上が認められなかった。その要因として二次細孔制御のみならず、凝集粒子径の制御も不可欠であることを見出した。そして触媒層厚さに依存することも確認し、層厚さ方向の物質輸送性と、凝集粒子半径方向の輸送性のバランスを考慮した制御が必要であることを見出した。このような新規知見を得ることができ、本研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

燃料電池触媒層の二次細孔の効果向上のためには、凝集粒子径の制御も不可欠であることを見出した。特に細孔内の酸素輸送性を考慮するとクヌッセン拡散が支配的であるため、微細細孔径のわずかな差異が特性を左右する。最終年度ではより高精度な細孔制御に向けて条件探索や評価を行う。