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

高功率输出 PEM 燃料电池的水和氧的多尺度传输增强

基本信息

批准号：
21H01254
负责人：
田部豊
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01254/
关键词：
熱工学燃料電池

项目摘要

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。

A study of cell structure, operation method, determination of acid transport resistance separation method, and reduction of acid transport resistance in solid polymer fuel cells The main results are below. 1. In the past year, the concentration of water in the battery has been determined, and the effects of acid transport have been evaluated. The method of application, temperature and supply, humidity, condensed water retention and acid transport resistance have been quantified. 2. The method of promoting the discharge of condensed water from the flow path under the diffusion layer is established. The importance of the drainage of the inner surface of the dispersion layer and the drainage of the outer surface of the dispersion layer is clearly stated. 3. The catalyst layer and the interface of the catalyst layer are expected to be drained, and the structure of the catalyst layer and the interface of the catalyst layer are discussed. Evaluation of the separation of the transport resistance of the acid, the results of SEM observation, the improvement of the condensation distribution in the interface with large pores, and the improvement of the condensation distribution in the interface. The effects of low temperature and high humidity conditions on the environment can be reduced. In addition, a hydrophilic and water-repellent composite layer was tested and the improvement results were confirmed. 4. The use of electrolyte in the production of ultra-low platinum and high dielectric properties was demonstrated. In addition, the platinum content is increased, and the performance is improved. The catalyst layer thickness direction is improved, and the catalyst layer structure is improved.