Effects of surface modified nano carbon materials by pulsed power on polymer electrolyte fuel cell

脉冲功率表面改性纳米碳材料对聚合物电解质燃料电池的影响

基本信息

批准号：
21K04010
负责人：
今坂公宣
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Kyushu Sangyo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、パルスパワー技術を用いてカーボンナノチューブ(CNT)等のナノカーボンの表面改質を行うことにより付加価値の高い材料として創製し、固体高分子型燃料電池(PEFC)の電極材料として応用することを目的としている。本年度は、パルスパワー技術として磁気パルス圧縮パルスパワー電源を用いて酸素雰囲気中でのバリア放電によりオゾンを生成し、ナノカーボンのオゾン暴露による表面改質を昨年度より継続して行った。バリア放電の条件として繰り返し周波数の影響を調査するために100、500Hzで行った(昨年度300Hz)。表面改質におけるオゾン暴露の時間依存性を検討するために放電時間は30分(昨年度60分)とした。酸素供給量は1L/minとした。100、500Hzにおけるオゾン濃度は放電開始1分程度で50、150ppmに達し、30分でそれぞれ100、300ppm程度まで達した。ナノカーボンとして多層CNTとカーボンナノホーン(CNH)を用いた。本バリア放電の条件下でオゾン暴露後のナノカーボンの水中分散性の経時変化を観察した結果、1週間ほど分散性が維持された。X線光電子分光法(XPS)のスペクトル波形分離を用いて表面分析を行った結果、酸素を含む複数種類の親水性官能基が導入されていることがわかった。このとき酸素の結合割合は100Hzの方が500Hzよりも多くなる傾向が伺えた。さらにCNTとCNHをPEFCの電極材料として膜電極接合体(MEA)を作製し、水素極と酸素極に使用する表面改質の有無によるナノカーボンの4種類の組み合わせで出力特性試験を行った。その結果、表面改質したナノカーボンを水素極、または両電極に使用することで出力電力が2倍以上増加することがわかった。これらの実験結果は非常に有益な研究成果であると考えられる。

这项研究旨在通过使用脉冲功率技术修改纳米碳（例如碳纳米管（CNT））来创建具有高添加价值的材料，并将其用作固体聚合物燃料电池（PEFC）的电极材料。今年，使用磁性脉冲压缩的脉搏电源作为脉冲功率技术，在氧气大气中通过屏障排放产生臭氧，并且自去年以来继续进行纳米碳的表面修饰。这是在100和500Hz下进行的，以研究重复频率作为屏障排放条件的影响（去年300Hz）。为了调查臭氧暴露在表面修饰中的时间依赖性，将放电时间设置为30分钟（去年60分钟）。氧气供应量设置为1L/min。在100和500Hz处的臭氧浓度在大约一分钟的放电中达到50和150 ppm，并在30分钟内分别达到约100 ppm和300 ppm。多层CNT和碳纳米角（CNH）用作纳米碳。在这种屏障排放的条件下，随着臭氧暴露后的时间，观察到纳米碳在水中的分散体，并将分散体保持大约一周。通过X射线光电光谱（XP）使用光谱波形分离进行表面分析，发现已经引入了多种类型的亲水官能团，包括氧气。目前，很明显，氧的结合比在100Hz时往往高于500Hz。此外，使用CNT和CNH作为PEFC的电极材料制备膜电极组件（MEA），并使用四种类型的纳米碳来测试输出特性，具体取决于表面修饰是否用于氢电极和氧电极和氧气电极。结果，发现在氢电极上使用表面修饰的纳米碳或两个电极都会增加输出功率两次以上。这些实验结果被认为是非常有用的研究结果。