PEFC長寿命化のための温度・含水場計測と膜分子構造分析に基づく煙劣化機構解明

• Project/Area Number: 15686010
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 伏信 一慶 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (50280996)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000); Fiscal Year 2005: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2004: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000); Fiscal Year 2003: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
• Keywords: 固体高分子形燃料電池 / 劣化 / 高分子膜 / 触媒 / MEA / 計測

Research Abstract

PEFC動作時の固体高分子膜温度・含水場を計測し、運転後の膜の分子構造分析との比較検討により、膜劣化機構の解明を図ることが本研究の目的である。PEFCの開発は、効率・コスト・耐久性・寿命のそれぞれで革新が必要な段階にあり、その一つが、電解質である固体高分子膜の高耐久性・長寿命化であるが、実は未だ膜劣化機構自体が明確でなく、高耐久性、長寿命化を目指す膜開発の具体的な指針が存在しない現状であり、劣化に関わる評価の概念が確立されていない。機構が明確でない大きな理由は、従来、運転中のバルクな膜面温度・含水場さえ明確でなく、劣化の進む箇所と温度・含水場の因果関係が明確でなかったことにある。もう一つは、触媒粒子と接する位置で、膜の温度が局所的に極めて高温になる可能性が指摘されるためである。触媒粒子は数nm〜数十nmのいわゆるナノ粒子である。触媒反応が発熱の主因であり、膜の低熱伝導率を勘案すると、触媒近傍に特異な高温部が存在しかつ樹脂の熱分解温度に達する可能性さえ否定できない。
本年度は、昨年度のまでの検討をふまえ、MEA劣化に係る最新の研究状況調査を行う一方で、自作MEAを対象とした劣化試験を行った。この結果、負荷変動により大いに発電特性が変化すること、またその度合いが条件により異なることなどを明らかにしている。一方、マイクロマシニングにより製作したGDLにより触媒層の温度が直接可視化可能となることを実証している。これらの成果に加えて、熱伝導ベースの触媒層バルク温度予測シミュレータを開発し、触媒層の熱伝導率に対する温度上昇の傾向を予測している。

Research Products

• [Journal Article] Optical measurement technique of water contents in polymer membrane for PEFCs (2006)
  • Author(s): Fushinobu, Shimizu, Miki, Okazaki
  • Journal Title: ASME Journal of Fuel Cell Science and Technology 3,1 Pages: 13-17
• [Journal Article] Micromachined Metallic Thin Films for the Gas Diffusion Layer of PEFCs (2006)
  • Author(s): Fushinobu, Takahashi, Okazaki
  • Journal Title: Journal of Power Sources (in press)
• [Journal Article] An investigation of concentration overpotential of PEFCs by means of MEMS-technology based highly-ordered GDL (2006)
  • Author(s): Fushinobu, Takahashi, Miura, Okazakiki
  • Journal Title: Proc.13th International Heat Transfer Conference (Abst.accepted)
• [Journal Article] PEFC運転条件が及ぼすMEA劣化現象解明に向けた研究 (2006)
  • Author(s): 村井, 三木, 伏信, 岡崎
  • Journal Title: 第43回日本伝熱シンポジウム講演論文集
• [Journal Article] A Study on metallic gas diffusion layer for PEFCs by using micromachining technology (2004)
  • Author(s): Takahashi, Fushinobu, Okazaki
  • Journal Title: Thermal Science and Engineering, Extended Abstracts 12.4 Pages: 111-112
  • NAID: 10013430307
• [Journal Article] 金属拡散層を用いたPEFC単セルの発電特性 (2004)
  • Author(s): 犬信, 高橋, 岡崎
  • Journal Title: JSME2004年度年次大会講演論文集 3 Pages: 301-302
• [Journal Article] 微細加工技術を用いたPEFC用金属拡散層に関する研究 (2004)
  • Author(s): 高橋, 伏信, 岡崎
  • Journal Title: 熱工学コンファレンス2004講演論文集 Pages: 417-418
• [Journal Article] PEFC運転条件が及ぼす膜電極接合体への影響 (2004)
  • Author(s): 三木, 伏信, 岡崎
  • Journal Title: 熱工学コンファレンス2004講演論文集 Pages: 415-416
• [Journal Article] Visualization of the membrane temperature field of a polymer electrolyte fuel cell (2004)
  • Author(s): Shimoi, Masuda, Fushinobu, Kozawa, Okazaki
  • Journal Title: ASME Journal of Energy Resources Technology 126, 4 Pages: 258-261
• [Book] マイクロ・ナノ熱流体ハンドブック(分担部分:燃料電池) (2006)
  • Author(s): 伏信一慶
  • Publisher: エヌ・ティー・エス(発刊決定)
• [Book] 燃料電池の解析手法(分担部分:6.3.1光学的測定、p.188-189) (2005)
  • Author(s): 伏信一慶
  • Total Pages: 255
  • Publisher: 化学同人
• [Publications] 高橋, 伏信, 岡崎: "微細加工技術を用いたPEFC用金属拡散層に関する研究"第41回日本伝熱シンポジウム講演論文集. (発表決定). (2004)
• [Publications] Shimoi, Masuda, Fushinobu, Kozawa, Okazaki: "Visualization of the membrane temperature field of a polymer electrolyte fuel cell"ASME Journal of Energy Resources Technology. (投稿中).