製品紹介
バー
ビーズと球体
ボルト＆ナット
坩堝
ディスク
繊維
映画
フレーク
フォーム
フォイル
顆粒
ハニカム
インク
ラミネート
しこり
メッシュ
メタライズド・フィルム
プレート
粉類
ロッド
シーツ
単結晶
スパッタリングターゲット
チューブ
洗濯機
ワイヤー
コンバータと計算機
私たちのために書く
ガス拡散層：ファイバーフェルトが選ばれる理由
ガス拡散層（GDL）は、燃料電池や電解槽において重要な要素である。GDLは、ガス、電子、液体を流路と触媒の間で効率的に輸送することができる。ファイバーフェルトは、導電性、多孔性、柔軟性の理想的な組み合わせであるため、好ましい選択肢です。
ガス拡散層とは？
ガス拡散層は、電気化学デバイスの触媒層とフローフィールドの間に配置される多孔質材料です。その主な機能は、触媒表面への反応ガスの均一な供給と、生成ガスの効率的な排出を可能にすることです。燃料電池では、GDLは水素と酸素の輸送を管理し、電気化学反応を最大化し、濃度損失を最小化する。電解槽では、電極で発生する水素ガスと酸素ガスの効率的な排出を支援します。
ガス輸送以外にも、GDLは触媒層の機械的支持を提供し、水管理にも関与している。水を均一に分散させることで、触媒のフラッディングや乾燥を防ぐことができる。電気伝導性も重要な機能で、GDLは触媒と外部回路との間で電子を伝導する。このような要求から、GDLの材料選択は、デバイスの効率と長期的な寿命にとって不可欠である。
図1 ゼロギャップ電解槽セルの模式図[1]。
ファイバーフェルトとは？
ファイバーフェルトは、繊維を絡ませて高い多孔性ネットワークを形成した不織布マットである。一般的に炭素でできており、電気伝導性と化学的安定性が特徴である。フェルト内の繊維はランダムに配向し、気体や液体の通り道となる三次元構造を形成している。この構造は織物やカーボンペーパーとは異なり、機械的強度を維持したまま高い多孔性と柔軟性を与える。
繊維フェルトの製造工程では、加熱、加圧、樹脂処理によって繊維を結合させ、厚さ、密度、透過性を調整したマットを作ります。カーボンフェルトは、不活性、耐高温性、耐腐食性であるため、電気化学環境に非常に適しています。
なぜファイバーフェルトがガス拡散層に最適なのか？
ファイバーフェルトは、GDLとしての使用に非常に適したバランスのとれた特性を備えています。最も重要な特性のひとつは、高いガス透過性と気孔率を持つことで、反応ガスが触媒層に均一に分布する一方で、生成ガスが効率的に排出される。これにより、濃度分極を最小限に抑え、電気化学的効率を高くすることができる。
もうひとつの重要な利点は、優れた導電性である。カーボンファイバーフェルトは電子の抵抗経路が少ないため、効率的な電流の収集と触媒表面全体への分配が容易になる。化学的安定性も重要で、繊維フェルトは、燃料電池や電解槽で一般的な酸性やアルカリ性の腐食や劣化に強い。
機械的柔軟性も重要な要素である。繊維で構成されたフェルトは、ひび割れや構造的完全性の劣化なしに、触媒と流れ場に密着させるために圧縮することができる。圧縮性は、運転中の熱膨張や機械的応力に対応し、長期的な性能を実現する。
燃料電池では、水を管理する。水を均一に拡散し、フラッディングを防ぎ、触媒の最適な水和を実現する。電解槽では、気泡の蓄積を最小限に抑えながら水素と酸素の気泡を迅速に放出し、高電流密度での高効率を可能にします。
ガス拡散層にファイバーフェルトを使用する場所は？
ファイバーフェルトは、水管理とガス輸送が重要な燃料電池と水電解槽で最も多く使用されています。PEM燃料電池では、触媒層への水素と酸素の均一な供給と水の自由な排出のために、ファイバーフェルトがGDLとして採用されます。アルカリまたはPEM電解槽では、高電流密度運転を容易にするため、電極表面から水素と酸素の気泡を効果的に放出するために繊維フェルトが使用される。これら以外にも、ファイバーフェルトはユニット化された再生燃料電池、レドックスフロー電池、その他の電気化学反応器にも応用され、そこではガスと液体の均一な分布、化学的および機械的安定性が高性能のために不可欠です。
繊維フェルト材料一覧
チタン、ニッケル、ステンレスのファイバーフェルトは、それぞれガス拡散層に明確な利点をもたらします。チタンフェルトは、高い気孔率、強度、酸性環境に対する優れた耐性により、PEM電解槽や燃料電池で珍重されています。カスタマイズ可能なサイズと気孔率により、高電流密度でも安定した性能と効率的なガス放出を保証します。ニッケルフェルトは、導電性と耐アルカリ腐食性で知られ、アルカリ電解槽のカソード側や、水素生成を促進する一部の燃料電池に広く使用されています。ステンレス鋼フェルトは耐食性に劣るものの、耐久性、耐摩耗性、低コストを兼ね備えており、機械的強度が重要な大型電解槽やフロー電池に実用的な選択肢となっています。
|
特徴 / 材質 |
チタン（Ti） |
ニッケル（Ni） |
ステンレス（SS） |
|
特性 |
高い気孔率、強い耐酸性 |
高導電性、耐アルカリ性 |
強度、耐摩耗性、低コスト |
|
用途 |
電解槽（アノード）、燃料電池 |
アルカリ電解槽（正極）、一部の燃料電池 |
大型電解槽、フロー電池 |
|
利点 |
大電流で安定、腐食に強い |
効率的な水素放出 |
耐久性があり、経済的 |
結論
ガス拡散層は、燃料電池と電解槽の性能と寿命に大きく貢献する。有望な材料の中でも、繊維フェルトは高い多孔性、電気伝導性、化学的安定性、機械的柔軟性で際立っている。より高度な材料については、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
参考文献
[1] Samu AA, Szenti I, Kukovecz Á, Endrődi B, Janáky C. Systematic screening of gas diffusion layers for high performanceCO2 electrolysis.Commun Chem.2023 Feb 24;6(1):41. doi: 10.1038/s42004-023-00836-2.pmid: 36828885; pmcid: pmc9958001.
Chin Trento
