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

2002 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: 燃料電池 / メタノール改質器 / 燃料電池システム / 燃料電池自動車 / 運転特性 / シミュレーション

Research Abstract

セパレータの薄型化しガス流路をマイクロチャンネル構造による電池の高出力密度化,氷点下における電池起動,加圧化による無加湿電池性能の向上を図ると共にメタノール改質装置の性能シミュレーションの開発とシステムを検討した。
(1)電池の高出力密度化 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。さらに電池の大きさを従来の10×10cmから10×20cmに大きくしたマイクロチャンネル型電池を組立て性能を測定した結果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。4セル積層電池の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。さらに10セル積層した電池0.4A/cm^2で5Vの性能を得た。電池を積層することによって電池性能が若干低下している。これは多層化することによりガスの流れるチャンネルの数が増加し,チャンネル内に水分が凝縮することによって,流れが不安定になりガスの編流が起ったと考えられる。
(2)氷点下における電池性能 氷点下の低温においては,カソードに生成する水分が反応面に凍結し酸素の拡散を阻害するため時間と共に性能は低下する。この傾向は電流密度が高いほど生成する水分量が多くなるので,加速する。しかし-5℃程度であれば電気化学反応に伴って発生する熱により加熱されるので,他の熱源によって加熱する必要がなく自立運転が可能である。
(3)加圧化における電池性能 電池を低温から起動する場合,湿度が低いため水分の供給が不足し電池性能が低下するが,加圧した場合ではその影響が少なくなり,電流密度0.2A/cm^2までであれば無加湿運転が可能である。
(4)メタノール改質装置 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。さらに燃料系,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・制御系より構成したkW級システムを完成した。

Research Products

• [Publications] 高木康晴, 菱沼孝夫, 近久武美: "薄いマイクロチャネル型セパレータを有するPEFCの性能に関する研究"日本機械学会論文集B編. (掲載決定). (2003)
• [Publications] 吉川大雄, 菱沼孝夫, 近久武美, 早坂厚: "燃料電池自動車システム評価と走行特性"日本機械学会論文集B編. 68(665). 218-223 (2002)
• [Publications] F.Kagami, Y.Hishinuma, T.Chikahisa: "Perfomance and self-starting of a PEFC at Temperature below Freezing"Thermal Sience & Engineering. 10(3). 25-33 (2002)
• [Publications] K.Takeda, A.Baba, Y.Hishinuma, T.Chikahisa: "Performance of a methanol reforming system for a fuel cell powered vehicle and system evaluation of a PEFC system"JASE Review. 23. 183-188 (2002)
• [Publications] H.Yoshikawa, Y.Hishinuma, T.Chikahisa: "Performance of a Polymer Electrolyte Fuel Cell for Automotive Applications"Heat Transfer Asian Research. 31. 6 (2002)
• [Publications] F.Kagami, T.Ogawa, Y.Hishinuma, T.Chikahisa: "Simulating the Performance of a PEFC at a Temperature below Freezing"Fuel Seminar Abstracts. 239-242 (2002)