クリーンエネルギー源として有望なメンブレンレス過酸化水素燃料電池

燃料電池は、燃料と酸化剤を利用して化学物質を電気エネルギーに変換する電気化学デバイスです。FCは、カルノーサイクル¹に縛られないため、従来の内燃機関よりもエネルギー変換効率が高くなります。水素(_H2)²、水素化ホウ素水素(NaBH4)³、アンモニア(_NH3)⁴などの燃料を利用することで、環境に優しく高性能なエネルギー源として期待されており、化石燃料への依存度を下げる大きな可能性を秘めています。しかし、FCテクノロジーは特有の課題に直面しています。一般的な問題の1つは、FCシステムにおけるプロトン交換膜(PEM)の内部の役割であり、内部短絡に対する保護手段として機能します。電解膜の一体化は、製造コスト、内部回路抵抗、およびアーキテクチャ^{の複雑さの増加}に寄与します5。さらに、シングルコンパートメントFCをマルチスタックアレイに変換すると、流路、電極、プレートを統合して電力と電流の出力を強化する複雑なプロセスにより、さらに複雑^{になります5。}

過去数十年にわたり、これらの膜関連の課題に対処し、FCシステムを合理化するために協調的な取り組みが行われてきました。特に、低レイノルド数での層流を用いたメンブレンレスFC構成の出現は、革新的なソリューションを提供しました。このような設定では、2つの流れの間の界面が「仮想的な」プロトン伝導性膜⁶として機能する。層流ベースのFC(LFFC)は、マイクロ流体工学の利点を活用して広く研究されています^7,8,9,10。ただし、LFFCには、層流燃料/酸化剤をポンピングするための高エネルギー入力、流体流での反応物クロスオーバーの緩和、流体力学的パラメータの最適化など、厳しい条件が必要です。

最近、H₂O 2は、そのカーボンニュートラルな性質のために潜在的な燃料および酸化剤として関心を集めており、電極^11,12での電気酸化および電気還元プロセス中に水(H 2 O)および酸素(O ₂)を生成する。_H2O2は、水₁₂から2電子還元プロセスまたは2電子酸化プロセスを用いて大量生産することができる。続いて、他の気体燃料とは対照的に、液体_H2O2燃料を既存のガソリンインフラ⁵に統合することができる。その上、H₂O 2不均化反応は、H 2_{O 2}を燃料および酸化剤の両方として機能させることを可能にする。図1Aは、簡易H2O2FCのアーキテクチャの概略構造を示す。従来の^FC2、³、⁴と比較して、H2O2FCは^、デバイスの「シンプルさ」の利点を利用しています。Yamasakiらは、燃料と酸化剤の両方の役割を果たす膜のない_H2O2FCを実証しました。電気エネルギー生成のメカニズムの説明は、研究コミュニティにこの研究の方向性⁶を継続するよう促しました。続いて、燃料および酸化剤としてH_{2O 2}を使用する電気酸化および電気還元メカニズムは、以下の反応^13,14によって表されている

酸性媒体中:

アノード:H₂O 2 →O₂ + 2H⁺ + 2e^–;E_a1 = 0.68 V vs. SHE
カソード:H₂O₂ + 2H ⁺ + 2e^– →2H_2O;E_a2 = 1.77 V 対彼女が
合計:2H₂O 2 → 2H 2 O + O ₂

基本メディアの場合:

_H2O2^+OH-→_HO2^–+_H2O
陽極:HO 2- ^{+ OH-} →O 2 + H ₂ O + 2e^–;E_b1 = 0.15 V 対彼女が
カソード:HO 2- + H₂O + 2e- → 3OH ^– ;E_b2 = 0.87 V 対彼女が
合計:2 H₂O 2 → 2H 2 O + O ₂

図1Bは、H2O2FCの動作原理を示す。 _H2O2は、陽極で電子を供与し、陰極で電子を受け入れる。アノードとカソードの間の電子移動は外部回路を介して行われ、電気が発生します。H2O2FCの理論上の開回路電位(OCP)は、酸性媒体で1.09V、塩基性媒体で_0.62Vである¹³。しかし、多くの実験結果では、理論上のOCPと比較して、酸性媒体で最大0.75V、塩基性媒体で最大0.35Vに達する低い値が示されています。この観察は、混合電位¹³の存在に起因することができる。さらに、H2O2FCの電力および電流出力は、電極の触媒選択性が限られているため、前述の^FC2、3、4と競合することができない。それにもかかわらず、表1に示されるように、現在のH2O2FC技術が、全体的なコストの点で_H2、NaBH4、および_NH3FCを凌駕し得ることは注目に値する。したがって、H_2O2電気酸化および電気還元のための電極の触媒選択性の向上は、これらのデバイスにとって依然として重要な課題である。

本研究では、電極と_H2O2燃料との相互作用を改善するために、三次元多孔質構造の電極を導入し、反応速度の向上と電力および電流出力の向上を目指します。また、溶液のpHと_H2O2濃度がFCの性能に与える影響についても調査しています。本研究で使用した電極対は、金電気めっき炭素繊維布とニッケル発泡体で構成されています。構造特性評価は、X線回折(XRD)と走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して行われ、開回路電位(OCP)、偏光、および出力曲線がFCテストの主要なパラメータとして機能します。