JP7063831B2 - How to create a simulation model of the catalyst layer for fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法、より詳細には、実物により近いカーボン積層構造の生成及びアイオノマーの配置を表現することができる燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法に関する。 The present invention relates to a method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell, and more specifically, a method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell capable of expressing the formation of a carbon laminated structure closer to the real thing and the arrangement of ionomers.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池として固体高分子型燃料電池がエネルギー源として注目されている。固体高分子型燃料電池は、室温作動が可能であり、出力密度も高いため、自動車用途などに適した形態として、活発に研究されている。 A solid polymer fuel cell is attracting attention as an energy source as a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas. Since the polymer electrolyte fuel cell can operate at room temperature and has a high output density, it is being actively studied as a form suitable for automobile applications and the like.
燃料電池を構成する部材は高価であることから、燃料電池の設計、製造の際には、シミュレーション(模擬)技術が広く活用されている。燃料電池の性能予測シミュレーションでは、実物と同等の触媒層モデルが必要である。 Since the members that make up a fuel cell are expensive, simulation techniques are widely used when designing and manufacturing fuel cells. In the fuel cell performance prediction simulation, a catalyst layer model equivalent to the actual one is required.
例えば、特許文献1は、触媒層の幾何形状及び特性データから触媒層のモデル化を行うモデル作成手段を開示している。 For example, Patent Document 1 discloses a model creating means for modeling a catalyst layer from geometrical shape and characteristic data of the catalyst layer.
特許文献2は、気孔率及び気孔サイズ分布などの気孔に関する情報に基づいて複数の粒状体からなる骨格を含む多孔体モデルを作成する方法を開示している。特許文献2では、割り当て数を算出した気孔の気孔サイズが、気孔と粒状体との界面に形成されるアイオノマーの厚さに基づいて補正される。 Patent Document 2 discloses a method for creating a porous body model including a skeleton composed of a plurality of granules based on information on pores such as porosity and pore size distribution. In Patent Document 2, the pore size of the pores for which the allocation number is calculated is corrected based on the thickness of the ionomer formed at the interface between the pores and the granules.
特許文献3は、電解質膜の両主面に触媒層を配置した燃料電池の前記触媒層の性能を算出する燃料電池のシミュレーション方法であって、前記触媒層の物質輸送を記述するボルツマン方程式のモデル方程式の解を格子ボルツマン法を用いて、前記触媒層の実構造に基づく前記触媒層の性能を算出する、燃料電池のシミュレーション方法を開示している。 Patent Document 3 is a fuel cell simulation method for calculating the performance of the catalyst layer of a fuel cell in which catalyst layers are arranged on both main surfaces of an electrolyte membrane, and is a model of the Boltzmann equation describing the material transport of the catalyst layer. We disclose a fuel cell simulation method that calculates the performance of the catalyst layer based on the actual structure of the catalyst layer by using the lattice Boltzmann method to solve the equation.
また、非特許文献1は、DLVOポテンシャルに基づいたカーボン配置を開示しており、そのカーボンの形状は、球体の連なりから形成された仮想的な形状である。 Further, Non-Patent Document 1 discloses a carbon arrangement based on DLVO potential, and the shape of the carbon is a virtual shape formed from a series of spheres.
しかしながら、特許文献1~3には、触媒層の3D立体幾何形状を具体的にモデル化する方法は開示されていない。また、非特許文献1においても、触媒層の実形状に基づく立体干渉の影響が3D立体構造に反映されていない。 However, Patent Documents 1 to 3 do not disclose a method for specifically modeling the 3D solid geometry of the catalyst layer. Further, even in Non-Patent Document 1, the influence of steric interference based on the actual shape of the catalyst layer is not reflected in the 3D steric structure.
例えば、図1に、非特許文献1に記載の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法を示す。図1では、黒はカーボンを示し、グレーはアイオノマーを示す。図1では、カーボンの形状を球体の連なりから仮想的に生成しているため、その形状からなるカーボンを積層してカーボン積層構造を形成させ、そこにアイオノマーを配置(付着)させたとしても、実際の触媒層の構造と同等の構造を生成することができない。 For example, FIG. 1 shows a method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell described in Non-Patent Document 1. In FIG. 1, black indicates carbon and gray indicates ionomer. In FIG. 1, since the shape of carbon is virtually generated from a series of spheres, even if carbon having that shape is laminated to form a carbon laminated structure and an ionomer is placed (attached) there, the carbon is formed. It is not possible to generate a structure equivalent to the structure of the actual catalyst layer.
つまり、従来の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法では、実際の触媒層において使用される内部に空孔(空隙部)を有するカーボンを表現すること(例えば、カーボン径よりも小さい空隙部を任意の位置に設定すること)が困難であり、得られるカーボン積層構造は、実物と異なる形状を有し得る。 That is, in the conventional method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell, carbon having pores (voids) inside used in an actual catalyst layer is expressed (for example, a void smaller than the carbon diameter is represented). It is difficult to set it at an arbitrary position), and the obtained carbon laminated structure may have a shape different from the actual one.
さらに、カーボンとして内部に空隙部を有するカーボンのモデルを使用したとしても、カーボンの空隙部にアイオノマーが詰まることがあり、アイオノマーの配置が実物と相違する場合がある。 Further, even if a carbon model having an internal void is used as the carbon, the ionomer may be clogged in the carbon void, and the arrangement of the ionomer may differ from the actual one.
実際の触媒層では、中空内部の触媒は他の位置の触媒よりも高活性であり、これは、アイオノマーに被覆されていない触媒が触媒被毒を免れて高活性になっているためと推察される。よって、カーボン内部の空隙部がアイオノマーによって詰まらない形状のモデルを作成する必要がある。 In the actual catalyst layer, the catalyst inside the hollow is more active than the catalyst at other positions, which is presumed to be because the catalyst not coated with ionomer is highly active without being poisoned by the catalyst. To. Therefore, it is necessary to create a model in which the voids inside the carbon are not clogged by ionomers.
したがって、本発明は、実物により近いカーボン積層構造の生成及びアイオノマーの配置を表現することができる燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法を提供することを課題とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell, which can express the formation of a carbon laminated structure closer to the real thing and the arrangement of ionomers.
触媒層構造は、触媒を担持したカーボン凝集体の積層構造(本明細書等では、「カーボン積層構造」ともいう)と、その構造内に配置されるアイオノマーとから成り立っており、ミクロレベルであり、且つ複雑である。したがって、その触媒層構造をシミュレーションするためには、一般的なCADソフトウェアではなく、専用のソフトウェアを用いることになる。その際、ニーズに合わせた構造生成手法が用意されていないことが多いため、独自で開発を進める必要がある。 The catalyst layer structure is composed of a laminated structure of carbon aggregates carrying a catalyst (also referred to as “carbon laminated structure” in the present specification and the like) and ionomers arranged in the structure, and is at the micro level. And it is complicated. Therefore, in order to simulate the catalyst layer structure, dedicated software is used instead of general CAD software. At that time, since the structure generation method that meets the needs is often not prepared, it is necessary to proceed with the development independently.
本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、図2に示すように、非特許文献1に記載の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法において、仮想的に生成したカーボンの形状を、透過型電子顕微鏡(TEM)により得られる3D画像(3D-TEM像)に置き換える方法を開発した。 As a result of various studies on means for solving the above-mentioned problems, the present inventors virtually generated in the method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell described in Non-Patent Document 1, as shown in FIG. We have developed a method to replace the shape of the carbon with a 3D image (3D-TEM image) obtained by a transmission electron microscope (TEM).
しかしながら、カーボンの形状を3D-TEM像により表す前記方法では、カーボンの形状が中空構造の場合、アイオノマーを配置する際に、アイオノマーがカーボンの空隙部に詰まるという、実際の触媒層構造には見られない構造を生成してしまうことがわかった。図3に、燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法における、カーボンの空隙部にアイオノマーが詰まった触媒層構造の断面図を示す。図3では、色の濃い方から順に、空隙(黒)、カーボン、アイオノマーを示す。 However, in the above method of expressing the shape of carbon by a 3D-TEM image, when the shape of carbon is a hollow structure, the ionomer is clogged in the voids of the carbon when the ionomer is arranged, which is seen in the actual catalyst layer structure. It turns out that it produces a structure that is not possible. FIG. 3 shows a cross-sectional view of a catalyst layer structure in which ionomers are clogged in carbon voids in a method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell. In FIG. 3, voids (black), carbon, and ionomers are shown in order from the darkest color.
そこで、本発明者らは、さらに前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法において、第1に透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像を取得し、第2に3D-TEM像により表されるカーボンが中空構造である場合に、中空構造における空隙部を後に取り除かれる物質Xにより置換し、第3にカーボンを積層してカーボン積層構造を作成し、第4にアイオノマーを配置させ、第5に物質Xを取り除いて再度空隙部を出現させることによって、実物により近いカーボン積層構造に、実物により近い状態でアイオノマーを配置させた燃料電池用触媒層を表現することができることを見出し、本発明を完成した。 Therefore, as a result of further studying various means for solving the above-mentioned problems, the present inventors have first described in the method of creating a simulation model of the catalyst layer for a fuel cell by using a transmission electron microscope to obtain 3D- of carbon as a raw material. A TEM image is acquired, and secondly, when the carbon represented by the 3D-TEM image has a hollow structure, the voids in the hollow structure are replaced with the substance X to be removed later, and thirdly, carbon is laminated and carbon is laminated. A fuel in which an ionomer is arranged in a carbon laminated structure closer to the real thing by creating a laminated structure, fourthly arranging an ionomer, and fifthly removing the substance X and causing a void portion to appear again. We have found that it is possible to express a catalyst layer for a battery, and completed the present invention.
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1)燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法であって、
(i)透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像を取得するステップ、
(ii)(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンに存在する空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換するステップ、
(iii)(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボンを積層してカーボン積層構造を作成するステップ、
(iv)(iii)で作成したカーボン積層構造にアイオノマーを配置するステップ、及び
(v)(iv)でアイオノマーを配置したカーボン積層構造から物質Xを取り除くステップ
を含む、シミュレーションモデル作成方法。
(2)(ii)のステップにおいて、8nm以下の大きさの空隙部を、物質Xに置換する、(1)に記載のシミュレーションモデル作成方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell.
(I) A step of acquiring a 3D-TEM image of carbon as a raw material by a transmission electron microscope,
(Ii) The step of replacing the voids existing in the carbon represented by the 3D-TEM image acquired in (i) with a substance X other than the substance existing in the catalyst layer for a fuel cell.
(Iii) The step of laminating carbon whose voids are replaced with the substance X in (ii) to create a carbon laminated structure,
(Iv) A method for creating a simulation model, which comprises a step of arranging an ionomer in the carbon laminated structure created in (iv) and (iv), and a step of removing the substance X from the carbon laminated structure in which the ionomer is arranged in (v) (iv).
(2) The method for creating a simulation model according to (1), wherein in the step (ii), the void portion having a size of 8 nm or less is replaced with the substance X.
本発明により、実物により近いカーボン積層構造の生成及びアイオノマーの配置を表現することができる燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell, which can generate a carbon laminated structure closer to the real thing and express the arrangement of ionomers.
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の特徴を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、本発明の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法は、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者がおこない得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
In the present specification, the features of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. The drawings exaggerate the dimensions and shapes of each part for clarity and do not accurately depict the actual dimensions and shapes. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the dimensions and shapes of the parts shown in these drawings. The method for creating a simulation model of the catalyst layer for a fuel cell of the present invention is not limited to the following embodiment, and changes and improvements that can be made by those skilled in the art are made without departing from the gist of the present invention. It can be carried out in various forms.
本発明の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法は、(i)透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像を取得するステップ、(ii)カーボンに存在する空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換するステップ、(iii)カーボンを積層してカーボン積層構造を作成するステップ、(iv)アイオノマーを配置するステップ、及び(v)物質Xを取り除くステップを含む。 The method for creating a simulation model of the catalyst layer for a fuel cell of the present invention is as follows: (i) a step of acquiring a 3D-TEM image of carbon as a raw material by a transmission electron microscope, and (ii) a void portion existing in carbon for a fuel cell. The steps of substituting a substance X other than the substance existing in the catalyst layer, (iii) laminating carbon to create a carbon laminated structure, (iv) arranging an ionomer, and (v) removing the substance X are performed. include.
以下に、(i)~(v)のステップについて詳細を示す。 The details of the steps (i) to (v) are shown below.
(i)透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像を取得するステップ
(i)のステップでは、透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像を取得する。
(I) Step of Acquiring a 3D-TEM Image of Raw Material Carbon by Transmission Electron Microscope In step (i), a 3D-TEM image of raw material carbon is acquired by a transmission electron microscope.
本発明において、原料であるカーボンの3D-TEM像は、当該技術分野において公知である透過型電子顕微鏡により取得することができ、縦が、通常100nm~400nm、好ましくは150nm~250nmであり、横が、通常100nm~400nm、好ましくは100nm~200nmであり、奥行が、通常100nm~400nm、好ましくは100nm~150nmの大きさの範囲の3D-TEM像である。 In the present invention, a 3D-TEM image of carbon as a raw material can be obtained by a transmission electron microscope known in the art, and the length is usually 100 nm to 400 nm, preferably 150 nm to 250 nm, and the width is horizontal. However, it is a 3D-TEM image having a depth of usually 100 nm to 400 nm, preferably 100 nm to 200 nm, and a depth of usually 100 nm to 400 nm, preferably 100 nm to 150 nm.
原料であるカーボンの3D-TEM像は、1画像取得しても、複数画像、例えば2画像~触媒層を構成するカーボンの数の画像を取得してもよい。 As the 3D-TEM image of carbon as a raw material, one image may be acquired, or a plurality of images, for example, two images to an image of the number of carbons constituting the catalyst layer may be acquired.
(i)のステップにおいて、透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像を取得することにより、(iii)のステップにおいて、実物により近いカーボン積層構造を作成することができる。 By acquiring a 3D-TEM image of carbon as a raw material by a transmission electron microscope in the step (i), a carbon laminated structure closer to the real thing can be created in the step (iii).
(ii)カーボンに存在する空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換するステップ
(ii)のステップでは、(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンに存在する空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換する。
(Ii) The step of replacing the voids existing in the carbon with a substance X other than the substance existing in the catalyst layer for the fuel cell In the step of (ii), the carbon represented by the 3D-TEM image obtained in (i) is used. The existing void is replaced with a substance X other than the substance existing in the fuel cell catalyst layer.
燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xは、(v)のステップにおいて取り除かれるため、燃料電池用触媒層に存在する物質(例えば、カーボン、アイオノマー、及び白金)以外の物質であれば限定されない。 Since the substance X other than the substance existing in the fuel cell catalyst layer is removed in the step (v), any substance other than the substance existing in the fuel cell catalyst layer (for example, carbon, ionomer, and platinum) can be used. Not limited.
(ii)のステップにおいて、(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンに存在する空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換することで、(iv)のステップにおいてアイオノマーを配置する際に、カーボン内部の空隙部がアイオノマーにより詰まることがなく、最終的に得られる燃料電池のシミュレーションと実物との差を小さくすることができる。 In the step (ii), by replacing the voids existing in the carbon represented by the 3D-TEM image acquired in (i) with a substance X other than the substance existing in the catalyst layer for the fuel cell, (iv). When the ionomer is arranged in the above step, the voids inside the carbon are not clogged by the ionomer, and the difference between the finally obtained fuel cell simulation and the actual product can be reduced.
(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンに存在する空隙部は、全て物質Xで置換されてもよいが、物質Xで置換される空隙部の大きさを、円相当径としたときに通常8nm以下に調節してもよい。 The voids existing in the carbon represented by the 3D-TEM image obtained in (i) may be all replaced with the substance X, but the size of the voids replaced with the substance X is defined as the equivalent circle diameter. When it is used, it may be adjusted to 8 nm or less.
(ii)のステップにおいて、(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンに存在する空隙部のうち前記範囲の大きさの空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換することで、(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンにおいて様々な大きさの空隙部が存在する場合に、(iv)のステップにおいて、大きな空隙部にはアイオノマーが入り込み、小さな空隙部にはアイオノマーが入り込まないモデルを作成することができる。 In the step (ii), of the voids existing in the carbon represented by the 3D-TEM image acquired in (i), the voids having the size in the above range are substances other than the substance existing in the catalyst layer for the fuel cell. By substituting with X, when voids of various sizes are present in the carbon represented by the 3D-TEM image obtained in (i), ionomers are present in the large voids in the step (iv). It is possible to create a model in which ionomers do not enter into small gaps.
(iii)カーボンを積層してカーボン積層構造を作成するステップ
(iii)のステップでは、(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボンを積層してカーボン積層構造を作成する。
(Iii) Step of laminating carbon to create a carbon laminated structure In the step of (iii), carbon whose voids are replaced with the substance X in (iii) is laminated to create a carbon laminated structure.
(iii)のステップにおいて、(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボンの積層方法は、限定されない。例えば、(iii)のステップでは、(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボンをランダムに積層させることで、カーボン積層構造を作成する。 In the step (iii), the method for laminating carbon in which the voids are replaced with the substance X in (iii) is not limited. For example, in the step (iii), a carbon laminated structure is created by randomly laminating carbon whose voids are replaced with the substance X in (iii).
なお、(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボンは、(i)のステップにおいて取得した画像の数に応じて、1種類であっても、複数種類、例えば2種類~触媒層を構成するカーボンの数の種類であってもよい。 The carbon whose voids are replaced with the substance X in (ii) may be of one type, for example, two types to a catalyst layer, depending on the number of images acquired in the step (i). It may be of the type of the number of carbons constituting.
また、(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボンとして、当該カーボンの鏡像を使用してもよい。したがって、(i)のステップにおいて取得した画像が1画像であっても、(ii)で当該画像から得られた空隙部が物質Xで置換されたカーボンと、当該カーボンの鏡像との2種類のカーボンから、カーボン積層構造を作成することができる。 Further, a mirror image of the carbon may be used as the carbon in which the void portion is replaced with the substance X in (ii). Therefore, even if the image acquired in the step (i) is one image, there are two types of carbon, in which the voids obtained from the image in (ii) are replaced with the substance X, and a mirror image of the carbon. A carbon laminated structure can be created from carbon.
(iii)のステップにおいて、(i)のステップで透過型電子顕微鏡により取得された3D-TEM像に基づくカーボンを積層させることにより、実物により近いカーボン積層構造を作成することができる。 By laminating carbon based on the 3D-TEM image acquired by the transmission electron microscope in step (i) in step (iii), a carbon laminated structure closer to the real thing can be created.
(iv)アイオノマーを配置するステップ
(iv)のステップでは、(iii)で作成したカーボン積層構造にアイオノマーを配置する。
(Iv) Step of arranging ionomers In the step of (iv), ionomers are arranged in the carbon laminated structure created in (iii).
(iv)のステップにおいて、配置されるアイオノマーの量は限定されず、シミュレーションモデルとして所望の燃料電池用触媒層に応じて、変更することができる。例えば、特定の燃料電池用触媒層において、アイオノマーの量の違いによる燃料電池の発電性能の変化をシミュレーションしたい場合は、アイオノマーの量を、当該技術分野で通常用いられる量よりも少ない量から多い量まで、様々な量に変更することができる。 In the step (iv), the amount of ionomers arranged is not limited and can be changed according to the desired fuel cell catalyst layer as a simulation model. For example, in a specific fuel cell catalyst layer, when it is desired to simulate a change in fuel cell power generation performance due to a difference in the amount of ionomer, the amount of ionomer is set to an amount smaller or larger than the amount normally used in the art. Can be changed to various quantities.
(iv)のステップにおいて、(iii)で作成したカーボン積層構造にアイオノマーを配置することで、アイオノマーは、物質Xで置換されているカーボン積層構造のカーボン内部の空隙部、特に小さい空隙部に詰まらず、カーボンとカーボンの間に配置される。したがって、(v)のステップにおいて、物質Xを取り除いた後の触媒層は、通常カーボン内部の空隙部がアイオノマーにより詰まることのない実物により近いものになる。 By arranging the ionomer in the carbon laminated structure created in (iii) in the step (iv), the ionomer is clogged in the voids inside the carbon of the carbon laminated structure substituted with the substance X, particularly small voids. It is placed between carbon and carbon. Therefore, in the step (v), the catalyst layer after removing the substance X becomes closer to the real thing in which the voids inside the carbon are usually not clogged by the ionomer.
(v)物質Xを取り除くステップ
(v)のステップでは、(iv)でアイオノマーを配置したカーボン積層構造から物質Xを取り除く。
(V) Step of removing substance X In step (v), the substance X is removed from the carbon laminated structure in which the ionomer is arranged in (iv).
(v)のステップにおいて、(iv)でアイオノマーを配置したカーボン積層構造から物質Xを取り除くことで、得られる燃料電池用触媒層のシミュレーションは、通常カーボン内部の空隙部がアイオノマーにより詰まることのない実物により近いものになる。 In the simulation of the catalyst layer for a fuel cell obtained by removing the substance X from the carbon laminated structure in which the ionomer is arranged in the step (v), the voids inside the carbon are usually not clogged by the ionomer. It will be closer to the real thing.
なお、本発明の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法において、白金は、(i)のステップと(ii)のステップの間、及び/又は(iii)のステップと(iv)のステップの間に配置することができる。 In the method for creating a simulation model of the catalyst layer for a fuel cell of the present invention, platinum is used between steps (i) and (ii) and / or between steps (ii) and (iv). Can be placed in.
図4に、本発明の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法の一例を模式的に示し、図5に、本発明の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法により作成された触媒層構造の断面図を示す。図4では、黒はカーボンを示し、グレーはアイオノマーを示す。図5では、色の濃い方から順に、空隙(黒)、カーボン、アイオノマーを示す。 FIG. 4 schematically shows an example of a method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell of the present invention, and FIG. 5 shows a catalyst layer structure created by the method for creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell of the present invention. A cross-sectional view is shown. In FIG. 4, black indicates carbon and gray indicates ionomer. In FIG. 5, voids (black), carbon, and ionomers are shown in order from the darkest color.
図4及び5より、本発明の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法により、カーボン内部に空隙部が存在し、カーボン内部の空隙部がアイオノマーにより詰まっていない、実物により近いカーボン積層構造及びアイオノマーの配置を有する燃料電池用触媒層を表現できることがわかる。 From FIGS. 4 and 5, according to the method for creating a simulation model of the catalyst layer for a fuel cell of the present invention, there are voids inside the carbon, and the voids inside the carbon are not clogged by ionomers. It can be seen that the catalyst layer for a fuel cell having the arrangement of can be expressed.
以上により、本発明の燃料電池用触媒層のシミュレーションモデル作成方法により、実物により近いカーボン積層構造に、実物により近い状態でアイオノマーを配置させた燃料電池用触媒層を表現することができ、その結果、従来では表現することができなかった燃料電池用触媒層における細孔径と体積分率との関係におけるカーボン中空構造に由来する細孔径ピークを表現でき、さらに、従来のシミュレーションにおける特性、例えばプロトン伝導度、電流密度とセル電圧との関係、過電圧分離などの特性と、異なるシミュレーションの結果を表現することができる。 From the above, by the method for creating a simulation model of the catalyst layer for a fuel cell of the present invention, it is possible to express a catalyst layer for a fuel cell in which an ionomer is arranged in a state closer to the real thing in a carbon laminated structure closer to the real thing. It is possible to express the pore size peak derived from the carbon hollow structure in the relationship between the pore size and the body integration rate in the fuel cell catalyst layer, which could not be expressed in the past, and further, the characteristics in the conventional simulation, such as proton conduction. It is possible to express characteristics such as degree, relationship between current density and cell voltage, overvoltage separation, and different simulation results.
以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some examples of the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such examples.
比較例として、非特許文献1に記載の方法(図6)を使用して作成した燃料電池用触媒層のシミュレーションモデルを使用した。図6では、黒はカーボンを示し、グレーはアイオノマーを示す。 As a comparative example, a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell prepared by using the method described in Non-Patent Document 1 (FIG. 6) was used. In FIG. 6, black indicates carbon and gray indicates ionomer.
実施例として、(i)透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像(縦×横×奥行=200nm×150nm×120nm)を取得し、(ii)(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンに存在する4nm以下の空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換し、(iii)(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボン及び当該カーボンの鏡像をランダムに積層してカーボン積層構造を作成し、(iv)(iii)で作成したカーボン積層構造にアイオノマーを配置し、(v)(iv)でアイオノマーを配置したカーボン積層構造から物質Xを取り除くこと(図7)で作成した燃料電池用触媒層のシミュレーションモデルを使用した。図7では、黒はカーボンを示し、グレーはアイオノマーを示す。 As an example, (i) a 3D-TEM image (length x width x depth = 200 nm x 150 nm x 120 nm) of carbon as a raw material was acquired by a transmission electron microscope, and the 3D-TEM acquired in (ii) and (i). The voids of 4 nm or less present in the carbon represented by the image are replaced with a substance X other than the substance existing in the catalyst layer for the fuel cell, and the voids are replaced with the substance X in (iii) and (ii). From the carbon laminated structure in which the mirror image of the carbon is randomly laminated to create a carbon laminated structure, the ionomer is arranged in the carbon laminated structure created in (iv) and (iii), and the ionomer is arranged in (v) and (iv). The simulation model of the catalyst layer for a fuel cell prepared by removing the substance X (FIG. 7) was used. In FIG. 7, black indicates carbon and gray indicates ionomer.
比較例及び実施例のシミュレーションモデルを使用して、構造解析と発電計算を実施した。 Structural analysis and power generation calculation were performed using the simulation models of Comparative Examples and Examples.
構造解析の結果について、図8に細孔径分布を示し、図9にプロトン伝導度を示す。図8より、実施例では、比較例では表現できなかった3D-TEM像特有のカーボン中空構造に起因するピークを表現できることがわかった。また、図9より、実施例と比較例では、異なるプロトン伝導度を示すことがわかった。 Regarding the results of the structural analysis, FIG. 8 shows the pore size distribution, and FIG. 9 shows the proton conductivity. From FIG. 8, it was found that in the example, the peak caused by the carbon hollow structure peculiar to the 3D-TEM image, which could not be expressed in the comparative example, can be expressed. Further, from FIG. 9, it was found that the examples and the comparative examples show different proton conductivitys.
発電計算の結果について、図10にI-V特性を示し、図11に過電圧分離の結果を示す。図10より、実施例と比較例では、異なるI-V特性を示すことがわかった。また、図11より、実施例と比較例では、異なる過電圧分離を示すことがわかった。 Regarding the results of power generation calculation, FIG. 10 shows the IV characteristics, and FIG. 11 shows the results of overvoltage separation. From FIG. 10, it was found that the examples and the comparative examples exhibited different IV characteristics. Further, from FIG. 11, it was found that the examples and the comparative examples showed different overvoltage separations.
以上により、本発明によって、従来の方法では捉えることができなかった燃料電池用触媒層の実際の形状に由来する特性を捉えることができたと考えられる。したがって、本発明によって、実際のカーボンの形状が触媒層構造の特性に与える影響及び発電特性に与える影響を評価することができ、本発明は、FCの発電性能を向上させるカーボンの形状、すなわち触媒層構造の設計に有用である。 From the above, it is considered that the present invention has made it possible to capture the characteristics derived from the actual shape of the fuel cell catalyst layer, which could not be captured by the conventional method. Therefore, according to the present invention, it is possible to evaluate the influence of the actual carbon shape on the characteristics of the catalyst layer structure and the power generation characteristics, and the present invention is based on the carbon shape that improves the power generation performance of FC, that is, the catalyst. Useful for layer structure design.
Claims (2)
(i)透過型電子顕微鏡により原料であるカーボンの3D-TEM像を取得するステップ、
(ii)(i)で取得した3D-TEM像により表されるカーボンに存在する空隙部を燃料電池用触媒層に存在する物質以外の物質Xに置換するステップ、
(iii)(ii)で空隙部が物質Xで置換されたカーボンを積層してカーボン積層構造を作成するステップ、
(iv)(iii)で作成したカーボン積層構造にアイオノマーを配置するステップ、及び
(v)(iv)でアイオノマーを配置したカーボン積層構造から物質Xを取り除くステップ
を含む、シミュレーションモデル作成方法。 It is a method of creating a simulation model of a catalyst layer for a fuel cell.
(I) A step of acquiring a 3D-TEM image of carbon as a raw material by a transmission electron microscope,
(Ii) The step of replacing the voids existing in the carbon represented by the 3D-TEM image acquired in (i) with a substance X other than the substance existing in the catalyst layer for a fuel cell.
(Iii) The step of laminating carbon whose voids are replaced with the substance X in (ii) to create a carbon laminated structure,
(Iv) A method for creating a simulation model, which comprises a step of arranging an ionomer in the carbon laminated structure created in (iv) and (iv), and a step of removing the substance X from the carbon laminated structure in which the ionomer is arranged in (v) (iv).
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