世界のエネルギーと輸送の状況は、再生可能エネルギーを補完するスマートエネルギー貯蔵により、急速に変化しています。 燃料電池はスマートエネルギーインフラの重要なコンポーネントです。燃料電池は固定用途およびモバイル用途のために局在的なエネルギー生成を提供します。 特に輸送部門では、水素燃料電池を使用した電気自動車が広く普及しており、間もなく電池駆動の電気自動車と競合することになります。 燃料電池自動車には、高速で充電できるというメリットがあります(電池駆動自動車は、フル充電まで30分以上かかります)。 

さらに、現在のリチウムイオン電池とは異なり、燃料電池の電極材は、有毒物質を使用しません。
 
当社の分析ソリューションは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)中のポリマー安定性、固体電解質型燃料電池(SOFC)中の現場の構造変化、および触媒効率などの燃料電池開発と最適化における様々な問題に対処します。 特に、当社の装置は、PEMFCアノードとカソードの電気化学反応の触媒として使用される炭素に担持したプラチナ(白金黒)が燃料電池の効率性にどのように影響するかを分析できます。 特定のPt負荷に対する燃料電池の効率性に影響する重要なパラメータには、Pt粒子サイズ、炭素凝集体サイズ、および触媒層のミクロおよびマクロ構造に影響する触媒インク配合があります。 これらの要素を分析することで、メーカーが可能な限り高い効率性を誇る燃料電池を開発できるようにサポートします。

燃料電池触媒で放電特性を確認する方法

PEMFCは、水素酸化反応(HOR)と酸素還元反応(ORR)の両方の高価なPt触媒に依存します。 Pt粒子径は、炭素担体に分散し、触媒作用に直接影響します。 小さくて十分に分散したPt粒子は、表面積が広いため、特定のPt負荷で優れた放電特性と陽子変換効率を提供します。

ただし、粒子は、高温で燃料電池を使用すると大きくなります。これは、炭素マトリクスを担持するミクロ構造に応じた触媒の移動や、変化したオストヴァルト熟成による進行が原因です。 炭素凝集体のミクロ構造も、効率的なイオン輸送で重要な役割を果たします。 したがって、Pt粒子径と炭素凝集体の粒子径は、燃料電池電極での触媒活性の最適化で重要な役割を果たしています。

Pt粒子サイズの測定方法

X線回折(XRD)の結晶子サイズ測定は、Pt粒子径の評価に使用されます。 これは、通常1~10 nmの金属ナノ粒子では、結晶子サイズが粒子サイズと同じ大きさになる場合があるためです。 簡単に操作できる当社のAeris XRDのような卓上型回折装置で現場の焼結温度でPt粒子がどのように粗大化するかを把握して、PEMFCで触媒活性を正確に分析できます。

Pt粒子径を直接測定するその他の方法には、小角X線散乱法(SAXS)があります。 SAXS単独の分析、または現場の焼結と組み合わせたSAXSとXRD分析は、Empyrean XRDで実施することができ、Pt粒子径と粗大化がどのように燃料電池の効率性に影響するか把握することができます。

炭素凝集体の粒子径を測定する方法

燃料電池中の炭素粒子触媒は、0.5~5 µmの非常に細長い形状で凝集します。 これらの形状を分析することで、燃料電池開発者は、効率性を最大限に高めることができます。 これには、非破壊的な技術であるレーザ回折を使用して、これらの粒子径分布を測定し、異なるサンプルで粒子径分布を比較します。 当社のマスターサイザー3000は、レーザ回析を使用する粒子径分布測定において、業界のグローバルスタンダードになっています。 サンプルは乾燥粉末またはスラリー分散の状態で測定できます。

炭素凝集体を測定するための別の手法には、動的光散乱(DLS)があります。 DLSは、液体中に分散した粒子のブラウン運動を分析することで粒子径を測定します。 大型粒子はゆっくりと動き、小さな粒子は速く動きます。 DLSは粒子が重力によって沈降しない粒子径が1~1000 nmの炭素粒子に対して非常に正確です。 当社のゼータサイザーは、DLSを使用してスラリー中の炭素凝集体計を測定する最適な装置であり、ゼータサイザーはゼータ電位を測定して、粒子が大きな凝集体を形成しやすいかどうかを判断できます。

触媒インクの安定性を測定する方法

触媒インクでは、アイオノマーとともに炭素に担持したPt粒子が液体中に分散し、通常は表面電荷を有しています。 これら粒子の凝集体は、不均一なコーティングの原因となり、イオン輸送の抵抗が高くなります。 これは、表面電荷に関連するゼータ電位を分析することで防ぐことができます。 絶対値の大きいゼータ電位(30mVを超えるる)を持つ粒子は反発するため、凝集しにくくなり、安定性の高いインクを製造できます。 

Zetasizerは、粒子径測定に加え、ゼータ電位も測定できます。 つまり、高濃度サンプルを測定する特殊化された電池を使用して触媒インクなどの導電性サンプルを測定することに適しています。 これにより、開発者は安定したインクを製造し、より効率的な燃料電池を提供できます。

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