溝付き電極はプロトンの性能を向上させる可能性がある

ニューメキシコ州ロスアラモス – 固体高分子型燃料電池は、輸送部門における炭素排出量を削減するための有望なエネルギーソリューションです。名前が示すように、これらのセルには電解質として機能するポリマー材料をベースとしたプロトン伝導膜が含まれています。

PEMFC には顕著な利点がある可能性がありますが、大規模に実装する前に、そのコスト、耐久性、および動作に必要な燃料の入手可能性を改善する必要があります。

ロスアラモス国立研究所の研究者らは最近、PEMFC の性能と耐久性を大幅に改善できる新しい電極を開発しました。 Nature Energy で紹介されたこれらの電極は、燃料電池内の酸素とプロトンの両方の輸送を促進できる特徴的な溝付き構造を持っています。

「従来の電極の性能は、酸素や陽子などの種の輸送によって制限されることを私たちは知っていました。また、炭素担持白金触媒と炭素担持白金触媒を組み合わせる方法を発見した、1990 年代の LANL の同僚の歴史的な研究に触発されました。」と、この研究を実施した研究者の一人、ジェイコブ・スペンデロー氏はTech Xploreに語った。

「30 年経った今でも、最先端の電極が本質的に同じ構造を使用していることは少し驚くべきことです。そこで私たちは、酸素とプロトンの両方の輸送を促進する合理的な設計アプローチを使用して構造を再設計することに着手しました。」

スペンデロー氏らによって設計された溝付き電極には、多数のマイクロスケールの隆起があり、本質的に空のくぼみで分離された炭素担持白金触媒で構成されています。その独特の構成により、酸素とプロトンの輸送を構造の異なる部分に分割することができます。

「従来の電極では、電極のすべての部分で酸素とプロトンを混合輸送する必要がありますが、プロトン伝導性アイオノマーが酸素の輸送を妨げるため、設計にある程度の妥協が必要になります」とスペンデロウ氏は説明した。「対照的に、溝付き電極の設計では、酸素とプロトンの輸送を分離することで、電極の一部（溝）を酸素の輸送に最適化し、他の部分（リッジ）をプロトンの輸送に最適化することができます。この「分割統治」アプローチにより、より高速な転送とより高いパフォーマンスが可能になります。」

研究者らは、燃料電池の標準動作条件で実行される一連のテストで溝付き電極を評価しました。彼らは、その性能が従来の電極よりも最大 50% 優れており、酸素の輸送を促進し、化学反応の均一性を改善できることを発見しました。さらに、溝付き電極は、炭素腐食試験後も性能がそれほど低下しなかったため、従来の電極よりも耐久性が高いように見えました。

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