Multiscale Transport Enhancement of Water and Oxygen for High Power Output PEM Fuel Cells

固体高分子形燃料電池内のナノからサブミリスケールまで、触媒層からガス拡散層までの一貫したマルチスケール水・酸素輸送促進を実現する電池構造、運転手法を明らかにすることを目的とし、酸素輸送抵抗の分離手法の確立およびそれぞれのスケールの輸送抵抗低減のための検討を行った。主な成果を以下にまとめる。１．前年度に確立した電池内のマルチスケールの凝縮水がそれぞれ酸素輸送損失に及ぼす影響を分離して評価できる手法を用い、セル温度および供給ガス湿度が、凝縮水滞留と酸素輸送抵抗の増大に及ぼす影響を定量的に明らかにした。２．ガス拡散層内のリブ下から流路への凝縮水排出を促進するために、ナフィオンのスプレー塗布をリブ下ガス拡散層表面のみに限定する手法を確立した。さらに、ガス拡散層内から表面への排出とガス拡散層表面からのセル外への排水の両者をバランスよく効率的に実現する重要性を明らかにした。３．触媒層とマイクロポーラス層の界面からの滞留水排出を期待し、マイクロポーラス層に大細孔を付与する構造を検討した。マルチスケール酸素輸送抵抗の分離評価、および凍結固定化法とクライオSEM観察の結果、大細孔付与は界面の凝縮水排出ではなく、マイクロポーラス層内の凝縮水分布の改善に主に効果があることを明らかにした。これにより、低温・高湿度条件でのフラッディングの影響を軽減することが可能であることを示した。また、親水性と疎水性のハイブリッドマイクロポーラス層を試作し、その改善効果を確認した。４．グラフェンを用いた電解質を使用しないアイオノマーフリーの触媒層をエレクトロスプレー法により作製し、超低白金でも高い発電性能が達成できることを示した。さらに、白金量を増やして性能向上を実現するために、触媒層厚み方向のプロトン伝導を賄うナフィオン骨格構造の試作もエレクトロスピニング法を用いて行った。

固体高分子形燃料電池内のナノからサブミリスケールまで、触媒層からガス拡散層までの一貫したマルチスケール水・酸素輸送促進を実現する電池構造、運転手法を明らかにすることを目的とし、酸素輸送抵抗の分離手法の確立およびそれぞれのスケールの輸送抵抗低減のための検討を行った。主な成果を以下にまとめる。１．前年度に確立した電池内のマルチスケールの凝縮水がそれぞれ酸素輸送損失に及ぼす影響を分離して評価できる手法を用い、セル温度および供給ガス湿度が、凝縮水滞留と酸素輸送抵抗の増大に及ぼす影響を定量的に明らかにした。２．ガス拡散層内のリブ下から流路への凝縮水排出を促進するために、ナフィオンのスプレー塗布をリブ下ガス拡散層表面のみに限定する手法を確立した。さらに、ガス拡散層内から表面への排出とガス拡散層表面からのセル外への排水の両者をバランスよく効率的に実現する重要性を明らかにした。３．触媒層とマイクロポーラス層の界面からの滞留水排出を期待し、マイクロポーラス層に大細孔を付与する構造を検討した。マルチスケール酸素輸送抵抗の分離評価、および凍結固定化法とクライオSEM観察の結果、大細孔付与は界面の凝縮水排出ではなく、マイクロポーラス層内の凝縮水分布の改善に主に効果があることを明らかにした。これにより、低温・高湿度条件でのフラッディングの影響を軽減することが可能であることを示した。また、親水性と疎水性のハイブリッドマイクロポーラス層を試作し、その改善効果を確認した。４．グラフェンを用いた電解質を使用しないアイオノマーフリーの触媒層をエレクトロスプレー法により作製し、超低白金でも高い発電性能が達成できることを示した。さらに、白金量を増やして性能向上を実現するために、触媒層厚み方向のプロトン伝導を賄うナフィオン骨格構造の試作もエレクトロスピニング法を用いて行った。