水分と熱の発生・輸送現象解明とマイクロチャンネル化による高分子燃料電池の高出力化

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555049
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 菱沼 孝夫 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20281785)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菊田 和重 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90214741) ; 近久 武美 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00155300)
• Keywords: 固体高分子燃料電池 / 薄型セパレータ / マイクロチャンネル / メタノール改質 / シミュレーション

Research Abstract

燃料電池は反応ガスが流れるセパレータと電極・電解質一体成型体(MEA)より構成される。電池セルの薄型により,高出力密度を得るためにはMEAの厚さは0.1mm程度なので,カーボンセパレータの厚さを薄くすることが必要である。又カーボンセパレータを薄くすることはコスト削減にもつながるので,カーボンセパレータの強度を考慮し,極限の厚さに挑戦した。セパレータの厚みを従来の4mmから0.6mmに薄くし,ガスの流れるチャンネルの深さをガスの圧力損失を考慮し1mmから0.2mmとマイクロチャンネル化した。電池性能は従来並みの性能である0.5A/cm^2,0.6Vを得ることが出来た。しかしセパレータの厚さを薄くすると強度が低下するので、ボルトで多層セルを均一に締め付ける必要があり,シール構造をOリングとした。又ガス流路溝が狭くなるとカソード側で生成する水が凝縮し電極におけるガスの拡散を阻害するため,セパレータを撥水処理し水の排出を促進すると共にカソードガスの湿度を調整することにより最適な条件を明らかにした。特に電池電流密度が高くなるほど水の生成量は増加するので,流入カソードガスの湿度を下げることが有効であることが分かった。この結果を踏まえ4セル積層電池を組立て性能を評価した結果,電流密度0.4A/cm^2で2.5Vであった。出力密度に換算すると1.5kW/Lに相当し,内燃機関並の性能を得ることが出来た。
燃料系についてはkWクラスのメタノール改質装置について改質器での熱の供給を燃焼熱を直接利用するオートサーマル方式を検討し水素収率が高くCO濃度を10ppm以下にするガスの供給,温度条件,触媒量を明らかにした。一つの反応器内に水蒸気改質,熱交換器、CO選択酸化器を組み合わせ最適条件を明らかにした。
さらにkWクラスのメタノール燃料電池発電装置を組立てた。システムはメタノール供給系,メタノール改質系,空気供給系,熱交換器系,燃料電池,水の回収供給系、電力変換・制御系より構成され,システムとしての課題を明らかにするため試運転を開始した。

Research Products

• [Publications] F.Kagami, H.Yoshikawa, Y.Hishinuma, T.Chikahisa: "The Performance and selfstarting of a PEFC below freezing"Thermal Science & Engineering. Vol.9, No.4. 15-16 (2001)
• [Publications] 吉川大輔, 菱沼孝夫, 近久武美, 早坂 厚: "燃料電池自動車のシステム評価と走行特性"日本機械学会論文集 (B編). 68巻, 665号. 218-223 (2002)
• [Publications] 菱沼孝夫, 近久武美, 馬場章浩, 武田清賢: "メタノール改質型PEFCシステムの最適化と効率"第8回燃料電池シンポジウム講演予講集. 344-349 (2001)
• [Publications] 各務文雄, 吉川大雄, 菱沼孝夫, 近久武美: "低温環境下におけるPEFCの凍結挙動と自立運転"第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 883-884 (2001)
• [Publications] 高木康晴, 菱沼孝夫, 近久武美, 吉川大雄: "固体高分子燃料電池の薄型化とセパレータ内の流れ"自動車技術会2001年春季大会学術講演改前刷集. No.28-01. 15-18 (2001)
• [Publications] 武田清賢, 馬場章浩, 菱沼孝夫, 近久武美: "自動車用メタノール改質器の性能とPEFCシステムの評価"自動車技術会2001年春季大会学術講演改前刷集. No.28-01. 19-22 (2001)
• [Publications] 武田清賢, 菱沼孝夫, 近久武美: "FEFC用メタノール改質システムの運転特性および解析"2001日本機械学会2001年度年次大会後援論文集(II). NO.01-1. 575-576 (2001)