NEDO水素・燃料電池成果報告会2024
団体名:
発表日:2024年7月日
発表No.18燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業
/水素利用等高度化先端技術開発
/燃料電池および水電解の革新的な生産技術に資する静電スプレー法に関するプロセス要素技術の研究開発事業
P1-11
連絡先:国立大学法人山梨大学水素・燃料電池ナノ材料研究センター
fcnano-as@yamanashi.ac.jp
国立大学法人山梨大学国立大学法人大阪大学株式会社メイコー
ES塗工システム
1. 事業概要(事業期間:2022年7月〜2025年3月)
事業目標:研究開発用生産プロセス規模の「Ptの有効性を倍増可能な精密塗工と乾燥工程フリーを実現する業界初のマルチノズル式静電スプ
レー(ES)法」を、将来的に大量生産が可能な革新的プロセスへと進化させる。小規模装置から本格量産性のある装置への進化のマイルストー
ンとして、触媒有効性を50%・触媒層性能20%を向上させ、ダイ塗工比で乾燥炉長比50%減相当の乾燥負荷を低減する、500ピン規模のノズ
ルデバイス塗工を、実生産ラインに重要と考えられる1000ノズル規模も見据えながら実現する。
背景:ES法はポーラスでアイオノマー被覆率の高い触媒層を形成可能なことから、MEA性能向上の手段として非常に有用である。また塗工プ
ロセス中に触媒インクが微細液滴として飛散することにより急速に乾燥するため、別途の乾燥工程を必要とせず省エネルギーな塗工プロセスを
実現し、カーボンニュートラルへも高く貢献する。課題として塗工速度の低さと、塗工の安定性が作業者の経験や技量に依存することが挙げら
れている。我々は既にシングルピンノズルを72ピンまで多連化することによって塗工速度の改善に一定の成功を収めている。本報告ではノズ
ルの更なる多連化と、塗工プロセスの安定化条件の定量化に向けた取り組みを示す。各種発電性能検証と計算科学アプローチによる多角的解析
を実施、メカニズム解明を通してマルチノズル設計コンセプトを構築し、関連する各種プロセス技術をアジャイル開発で効率的に推進した。
ES形成触媒層のアイオノマー被覆
アイオノマー
Pt触媒
2. 研究成果
1 ES 法プロセスの要素技術原理解明 (山梨大学、大阪大学)
◆だいやまーく電場分布偏差を低減する実用サイズの数値解析を利用したノズル構造の最適化
2 ES 法プロセスを用いた触媒層の性能の検証 (山梨大学)
◆だいやまーく 81マルチノズルと既存の72マルチノズルとのセル性能の比較
3 ES 法マルチノズルデバイスモジュール設計・制御技術開発
(メイコー)
◆だいやまーく 500マルチノズルの設計・製作
静電場解析に基づき最適化された構造を持つ
81マルチノズル(a)による塗工痕(b)と、荷電
粒子の軌跡解析により予測した着弾地点(C)
とには非常に高い類似性が見られ、数値解析
の優位性が実証された。
1000ピン規模ノズルを構想し、数値解析によりノズル先端の
電場分布が高い均一性を持つこと(a)、及び荷電粒子の軌跡解
析によって非常に均一な塗工痕が得られること(b)を確認した。
革新的プロセスデバイス開発へのDX技術の活用により、最終
目標の姿が先取りできた事例と位置づけられる。
a)ノズル先端における吐出の様子
b)懸適法による界面張力測定EtOHH2O NPA
ノズル近傍の吐出挙動を連続撮像できるシステムを構築し、混合溶液
(H2O,NPA,EtOH)・インクを対象に実験を実施した。吐出条件に依
存して異なる吐出モードが発現することが示され、ノズル先端に形成さ
れるメニスカスの頭頂角は従来のテイラーコーン角度とは必ずしも一致
しないことを明らかにした(a)。メニスカス形状を支配する要因として溶
液の界面張力に着目し、懸滴法による測定を行った(b)。
安定化吐出条件はインク組成に依存し、粘性、誘電
率、界面張力、印加電圧,印可圧力等がパラメータ
となる。これら諸特性を考慮した気液二相ミューレ
ション手法を構築し、吐出後のES挙動を解析した。
このモデルは液滴群の蒸発および液滴に作用する
クーロン力を考慮している。
ES法の流動解析結果ノズル近傍吐出・分裂挙動の数値シミュレーション
不安定吐出安定吐出非吐出
ノズル近傍での吐出・分裂挙動を数値シミュレー
ションにより求めた。電場中の流体に作用するマク
スウェル応力の影響を組み込むことで、ノズル近傍
での逆円錐形状、ならびに吐出条件に依存して発現
する不安定吐出、安定吐出、非吐出などの挙動を再
現することに成功した。
72ノズル・81ノズルで作製したカソード触媒層を用いた
セル性能の各種電気化学特性比較
IR有無のIV特性、電気化学反応比表面積
(ECSA)、重量比活性(MA)、O2gain(O2 vs.
air性能比)、0.6Vでの電流密度の各種電気
化学特性等すべての項目において、81マル
チノズルでは性能の向上が見られ、数値解
析シミュレーション技術も駆使したノズル
構造改善の効果が実証された。今後、触媒
層の均一性の詳細解析も進める。
カソードアノード
触媒インク
Pt/C触媒 TEC10E50E
アイオノマー I:D521, I/C=0.7
触媒量(mg/cm2) 約0.1 約0.2
塗工法 ES法 PSS法
塗工対象
Nafion膜
(NRE212, 50 μm)
ガス拡散層
(SGL, 22BB)
ガス拡散層 SGL,22BB
触媒層面積 25 cm2
評価セル JARI標準セル
500マルチノズル試作
◆だいやまーく高時空間分解能可視化と計算科学によるESプロセス電極の材料から性能に至る
デジタルエンジニアリングの確立
評価セルパラメータ
81ノズルの検証結果をもとに、500ノズル
デバイスを設計・製作した。500ノズルは
81ノズルの6倍以上の塗工ピンの施工が必
要であり、組み立て作業の難易度も格段に
上がる。そのため、非接触測定器(キーエ
ンス)を活用し、組立容易性を確保しつつ
ノズルユニット全体での各ピンの高さ・位
置の精度を向上させる手法の構築も図った。
最外周は電場制御用ピンの構成に代わり、
静電場制御プレートを脱着できる構造を採
用した。
今後、本ノズルを用いてES吐出実験を行い、
静電場分布の偏差低減の効果検証および課
題抽出を行い、改良を進める。
8.37 8.31 8.26 8.23 8.23 8.24 8.24 8.24 8.26 8.25 8.24 8.23 8.24 8.21 8.23 8.23 8.22 8.24 8.26 8.24 8.24 8.24 8.23 8.23 8.24 8.26 8.24 8.26 8.24 8.26 8.28 8.30 8.28 8.34
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b)数値解析による予測塗工痕
a)目標実用電極の電場分布