2017 Fiscal Year Annual Research Report
Clarification and control of interfacial mass transport in operational fuel cells by the combination of fiber-optic laser spectroscopy and simulation
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15K05827
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
西田 耕介 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (00397043)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 燃料電池 / レーザ計測 / 吸収分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体高分子形燃料電池（PEFC）における水分管理の問題を解決し発電性能の改善を図るためには、ガス流路から電極／電解質界面に至るまでの物質輸送現象を包括的に理解することが求められる。そこで本研究では、光ファイバを用いた波長可変半導体レーザ吸収分光法（TDLAS法）を応用することにより、実作動状態の燃料電池狭小流路内における水分・酸素濃度分布を高速・高精度かつin-situで定量測定できるようにすることを目的とした。さらに、多孔質構造を考慮したガス拡散電極内の水分・酸素輸送数値シミュレーションを援用することにより、カソード電極／電解質界面における液水挙動や酸素拡散現象の解明を試みた。
平成29年度は、前年度に開発した「送受一体型光ファイバプローブ」を用いることにより、模擬流路セル内における水分のTDLAS測定を実施した。ミリスケールの狭小流路内でも水分の吸収スペクトルは明瞭に観測できており、第2高調波（2f）ならびに第4高調波（4f）スペクトルを同時に取得し、それらのpeak-valley高さの比を計算することによって水分濃度を高精度で定量化できることが示された。また、本研究で開発した「光ファイバプローブ式TDLASガス濃度計測システム」を実作動状態のPEFCセル内の水分濃度測定に応用したところ、出力電流密度の増加とともにカソード流路内の水分濃度が上昇する様子が確認され、十分適用可能であることが明らかになった。さらに、多孔質構造を考慮したガス拡散電極内の水分・酸素輸送モデルを構築し、数値シミュレーションを援用することにより、測定が困難な電極／電解質界面における液水輸送ならびに酸素拡散の挙動解析を実施した。その結果、セパレータのリブ下部において多量の液水が貯留し、酸素の供給が阻害されることが示された。
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