PEMFCマイクロ多孔質層における広範な湿度範囲での適応型気液輸送を可能にする階層的界面構造

科学分野:

• 材料科学; 電気化学; 化学工学

背景:

• 効果的な水分管理は、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の性能にとって極めて重要です。マイクロ多孔質層（MPL）の構造変更は、水分バランスを最適化するための重要な戦略です。

研究 の 目的:

• PEMFCにおける水分管理を強化するための階層的界面構造MPLを開発・評価すること。この新しいMPL構造が広範な湿度範囲にわたる燃料電池の性能に与える影響を調査すること。

主な方法:

• 高密度表面と穿孔を備えた階層的界面構造MPLの作製。新しいMPLを用いたPEMFCの実験的テスト。水分管理メカニズムを分析するためのミリメートルスケール格子ボルツマン法（LBM）シミュレーション。

主要な成果:

• 階層型MPLは、通常のMPLと比較して2 A/cm²で12%の出力密度向上を達成し、広範な湿度条件下で優れた性能を示しました。この構造は酸素輸送抵抗（OTR）を大幅に低減し、動作乾燥領域を拡大しました。LBMシミュレーションにより、異なる湿度レベルでの高密度領域（水分保持）と穿孔（ガス拡散/水除去）の二重の役割が解明されました。

結論:

• 階層的界面構造MPLは、PEMFCにおける優れた水分管理を実現するための効果的な戦略を提供します。この設計は、燃料電池コンポーネント内のガス液輸送ダイナミクスを強化します。この発見は、将来のMPL設計と燃料電池の最適化に貴重な洞察を提供します。