PEM燃料電池触媒層における質量輸送向上のための勾配炭素マイクロ構造に関するポアスケール調査

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• 化学工学

背景:

• プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）はクリーンエネルギーにとって重要である。
• 触媒層（CL）の性能は、質量輸送と構造によって制限される。
• 炭素支持体の形態を最適化することが、PEMFCの効率を向上させる鍵となる。

研究 の 目的:

• PEMFC触媒層における不均一な炭素球径分布の影響を調査すること。
• 炭素球径の変化が酸素輸送、電気化学的反応性、CL形態にどのように影響するかを分析すること。
• 最適化されたCL構造を設計するためのフレームワークを開発すること。

主な方法:

• 触媒層の詳細なシミュレーションのために格子ボルツマン法（LBM）を利用した。
• 勾配設計を含む様々な炭素球径分布をシミュレーションした。
• 細孔径分布、酸素拡散経路、電気化学的活性表面積を分析した。

主要な成果:

• 勾配炭素球設計は、細孔構造と酸素輸送を効果的に調整する。
• ガス拡散層に近い大きな球は細孔の接続性を高め、膜に近い小さな球は反応部位を増やす。
• 3層のL-M-S勾配設計は、酸素分布を改善し、電流密度を15.4%向上させた。

結論:

• 炭素球径分布の最適化は、PEMFC触媒層の性能向上に不可欠である。
• 勾配設計は、CLにおける質量輸送と電気化学的効率を改善するための新しいアプローチを提供する。
• 本研究は、次世代高性能PEMFCの開発に貴重な洞察を提供する。