成果報告書詳細
管理番号20150000000642
タイトル平成22年度ー平成26年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化推進技術 基盤技術開発 MEA材料の構造・反応・物質移動解析
公開日2016/4/19
報告書年度2010 - 2014
委託先名技術研究組合FCーCubic 国立大学法人電気通信大学 学校法人上智学院 独立行政法人日本原子力研究開発機構 大学共同利用機関法人自然科学研究機構分子科学研究所 国立大学法人北海道大学 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 国立大学法人東北大学 国立大学法人東京大学 国立大学法人京都大学 国立大学法人東京工業大学
プロジェクト番号P10001
部署名新エネルギー部
和文要約燃料電池の性能を支配する触媒活性並びに物質移動性の解析技術開発と、得られた知見を広く燃料電池技術開発につなぐことを目的とし、三分野(電解質材料、電極反応、物質移動)について、実験・解析およびシミュレーションの協奏により、技術研究組合FC?Cubicを中心に計11機関で分担するプロジェクト体制で推進した。<電解質分野>構造制御が容易な炭化水素系モデル電解質材料ならびに汎用電解質材料であるNafion®を対象に、水クラスター構造がプロトン伝導性に与える影響を計算科学、小角中性子線散乱等により詳細な解析を進め、プロトン伝導性と構造の相関性についての糸口を明らかにした。また、炭化水素系電解質材料の劣化機構解析についても、上記モデル分子を対象としてシミュレーションにより進めた。触媒層内のアイオノマーの挙動に関しては、モデルPt電極系を用いた解析を進め、表面構造形成への影響因子を探索し、さらにフッ素系と炭化水素系でアイオノマーのミクロ構造と酸素透過のメカニズムを明らかにした。なお、共通的に使用するモデル電解質材料開発も進化を遂げ、特性的にも優れたものとなった。
<電極反応分野>電極触媒周りのミクロな現象解析について、モデル触媒材料を用い、計算科学および振動分光実験により進める取り組みと、触媒自身の主に電子状態等を解析するXAFSを中心とする技術の開発・活用を並行して進めてきた。前者に関して、Pt系電極触媒上の各種吸着種の構造、吸着状態などを第一原理分子動力学計算および振動分光法により明らかにした。また高い酸素還元活性を示す表面修飾剤の開発ならびに機能解析を第一原理分子動力学計算、赤外反射吸収分光および電気化学測定により進めてきた。XAFSを中心とする解析技術開発に関しては、SPring?8に「NEDO燃料電池専用ビームライン」を完成させ、電極触媒の化学状態・局所構造分布等のin?situ三次元観察を可能とするため、in?situ三次元ラミノグラフィーをはじめ各種計測システムを構築した。その性能がこれまで困難であった実用MEA電極触媒の各種状態変化を捉えることが可能なレベルであることを実証し、解析実験に活用を進めてきた。<物質移動分野>プロトン輸送、酸素輸送、水移動・相変化並びにセル性能と環境・運転条件因果関係を明らかにする取り組みを進めた。プロトン輸送に関しては、高電流密度時、低白金化時における分極の詳細な解析により、プロトン輸送抵抗増大に対する影響度合いを明確にした。酸素輸送性に関しては、MPLおよび触媒層の三次元構造の定量的計測技術開発を進め、三次元構造の再構築を実現し、触媒層の酸素拡散抵抗を解析することに成功した。水移動・相変化に関する解析については、実運転条件下での軟X線計測手法により電極触媒担体種、MPLの有無、酸素濃度の影響を明らかにした。これらと並行し、セル性能と環境・運転条件の因果関係を定量的に明らかにするため、酸素還元反応速度を定式化し、それらの影響を検討した。
以上の成果は、主に技術研究組合を介してシステムメーカー、材料メーカーに展開が進み、各々性能向上に貢献した。
産業界が期待する重要課題「耐久性・信頼性の大幅な向上と革新的低コスト化との両立」に貢献するために必要な今後の技術課題についてもその糸口を提示した。
英文要約As a lead center for NEDO project, FC-Cubic collaborates with 10 other research groups to conduct research, experiment analysis and concerted simulation in three technical fields (Electrolyte Material, Electrode-Reaction, and Materials Transportation in the Catalyst Layer) with the view to lead the catalytic activity and analysis technology development of mass transfer degree controlling the fuel cell performance, and the obtained knowledge into the fuel cell technological development widely.
[Research field of “Electrolyte Material”] The clues about correlativity of proton conductivity and structure have been clarified, by advancing the elaborate analyses such as water cluster configuration controlling proton conductivity for the easily-structure controlled hydrocarbon model electrolyte with the numerical simulation, SANS. The deterioration mechanism analyses of hydrocarbon system electrolyte were also progressed with the numerical simulation for the model molecule. As for an ionomer in Catalyst Layer, the analyses with the model Pt electrode were progressed and the influencing factor to the surface structure formation was explored, then the mechanism of oxygen permeation in fluorine system and hydrocarbon system was clarified.
[Research field of “Electrode-Reaction”] An approach of the numerical simulation and vibrational spectroscopy using the model catalyst material for micro phenomenon analyses around catalyst, and the development and utilization of advanced analysis technology based on XAFS that analyzes the catalyst own condition were developed in parallel. For the former, the development and function analyses of the surface-modifier showing high oxygen reduction activity have been promoted by the first principle molecular dynamics, IR and electrochemical measurement. For the latter, in order to enable in-situ 3D laminography of chemical states and local structural distribution in catalyst of FC cell by using a beamline built last year, the various measurement system starting with in-situ 3D laminography was created and it is verified that its performance is feasible level which is able to catch the change of practical MEA electrode catalyst never before possible.
[Research field of “Mass Transfer in Catalyst layer”] The activity to clarify the causality between proton conduction, oxygen permeation, water transfer and phase change, cell performance, and the environmental/operating conditions is advanced. As for oxygen transportability, it is succeeded to reproduce the resistance of oxygen diffusion in catalyst layer regularly, by achieving 3D-structure reconstruction with developing a quantitative MPL and 3D structure of catalyst layer. As for analyses of water, the carrier spices by soft X-ray measurement under actual operation, the presence or absence of MPL, and the influence of oxygen concentration were clarified.
These results have been expanded from mainly FC-Cubic to the manufacturers (system makers and material makers), and have contributed to improve fuel cell performance of each company, respectively
The clues about “the compatibility between significant progress of durability and reliability and innovative low cost which the industry has a high expectation as the next step” were also clarified.
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