Creation of innovative process of porous structure by applying electric potential

通过施加电势创建多孔结构的创新工艺

基本信息

批准号：
21H01695
负责人：
井上元
金额：
$ 9.9万
依托单位：
Kyushu 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-21H01695/
关键词：
混相流多孔質構造電気化学粒子制御直接計測

项目摘要

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。

湿制造的过程，一种用于形成各种电池和分离系统中粒子沉积的多孔层的方法，重点介绍了与由于应用电场的应用以及多孔结构的形成以及机制的形成与气泡形成和运输行为有关的基本现象。从去年开始，使用了聚合物电解质燃料电池（PEFC）的微孔层（MPL）的碳黑色，并将混合浆液液体倒在板电极和镍网电极之间，并从下表面加热并干燥以形成一个沉积层。去年，通过进行灵敏度评估，浆液中的应用电位，pH调节以及优化水含量比，可以证实颗粒体积结构中的二级孔径可以自由变化。然后将其应用于假定燃料电池催化剂层的混合浆液。此时，由于将PT/C颗粒倒入它们后不能应用PT/C颗粒，因此仅使用不包含颗粒的溶剂提前应用电场，然后将电催化剂浆液倒入孔控制系统中。尽管没有确认与MPL一样明显的明显差异，但可以证实颗粒聚集在表面层中略有不同，那里的气泡保留为模具。接下来，使用数值模拟计算了阴极氧还原反应，对于催化剂层的二次孔径有所不同的情况。使用具有不同PT支持的两种类型的催化剂层进行计算，将孔径从100 nm更改为500 nm。使用代码使用我们实验室开发的多块方法进行计算。我们假设二级孔作为氧运输特性将是有利的，但是孔径越大，凝聚部分相对扩大，从而导致氧运输特性的降低和发电特性的降低。我们认为计算程序存在问题，因此我们需要在将来进行改进。