オペランド技術を用いて、高性能で安定なアルカリ膜燃料電池を理解し、設計することができます

Using operando techniques to understand and design high performance and stable alkaline membrane fuel cells.

• Xiong Peng
• Devashish Kulkarni
• Ying Huang
• Travis J Omasta
• Benjamin Ng
• Yiwei Zheng
• Lianqin Wang
• Jacob M LaManna
• Daniel S Hussey
• John R Varcoe
• Iryna V Zenyuk
• William E Mustain

抄録

高性能化・長期安定運転を可能にする電極を実現するためには、様々な運転条件下でのアルカリ膜型燃料電池の水の動態を理解する必要があります。本研究では、操作中性子イメージングと操作X線CTを用いて、操作セル内の液体水の空間的・時間的な分布を可視化し、アイオノマーの膨潤や性能低下を引き起こす負極に液体水が蓄積していることを明らかにしました。その結果、分極時の最高出力密度につながる運転条件は、一般的に長期安定運転を可能にする条件ではないことがわかった。このことから、新たな触媒層設計やガス拡散層の開発が必要であることがわかった。本研究では、600mAcmで1000時間以上の連続運転が可能なアルカリ膜型燃料電池を、電圧減衰率がわずか32-μV hと、これまでに報告された中で最も耐久性が高いことを報告します。

There is a need to understand the water dynamics of alkaline membrane fuel cells under various operating conditions to create electrodes that enable high performance and stable, long-term operation. Here we show, via operando neutron imaging and operando micro X-ray computed tomography, visualizations of the spatial and temporal distribution of liquid water in operating cells. We provide direct evidence for liquid water accumulation at the anode, which causes severe ionomer swelling and performance loss, as well as cell dryout from undesirably low water content in the cathode. We observe that the operating conditions leading to the highest power density during polarization are not generally the conditions that allow for long-term stable operation. This observation leads to new catalyst layer designs and gas diffusion layers. This study reports alkaline membrane fuel cells that can be operated continuously for over 1000 h at 600 mA cm with voltage decay rate of only 32-μV h - the best-reported durability to date.