2017 Fiscal Year Annual Research Report
PEM形燃料電池内のナノスケール水輸送現象観察と高性能電池構造の解明
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16H04272
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
近久 武美 北海道大学, 工学研究院, 特任教授 (00155300)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田部 豊 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80374578)
大島 伸行 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10217135)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 燃料電池 / 固体高分子 / 二相流 / 生成水 / 限界電流密度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃料電池の性能を左右する酸素輸送抵抗を触媒層内外で分離して評価する方法を提案し、実際に疎水性CB（カーボン粒子）-MPLと親水性CF（カーボンファイバー）-MPLに対して酸素輸送抵抗解析を行った。その結果、セル温度が35℃程度の低い状態では親水性CF-MPLの方が触媒層中の凝縮水量が減少しており、優れたフラッディング抑制特性があることが示された。一方、セル温度が80℃を超える高温となると、CF-MPLの方が高い放熱特性と触媒層の保湿効果によってドライアウトを抑制する効果があることが分かった。これらより、温度によってそれぞれメカニズムは異なるものの、いずれの場合もCF-MPLの方がCB-MPLよりも良好な性能を示すことが明らかとなった。さらに、これまで確立しているCryo-SEMを用いた凍結固定化観察法による凝縮水分布結果も、上記分析と良く対応していることが確認できた。
この他、表面細孔特性の異なる2種類のカーボン粒子（VulcanとKetjen Black）と、特性の異なる2種類のイオノマー（AquivionとNafion）に関して、性能の比較とその差異のメカニズムについて研究を行った。その結果、表面細孔の少ないVulcanの方が有効に利用される白金粒子が多く、またプロトン移動では劣るものの白金粒子周りに厚く凝集しないNafionの方が良好な酸素輸送特性を示すことが示唆された。
一方、複雑繊維構造を持つGDL内の凝縮水挙動を明らかにするために、前年度までに確立したスケールモデル実験および格子ボルツマン（LBM）計算を用いて、GDL繊維の配向影響について解析した。その結果、流路に対して直角方向に繊維をより多く配向すると、リブ下の凝縮水をスムーズにチャネル側に排出でき、フラッディング抑制と限界電流密度の向上に寄与できることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Cryo-SEMを用いた凍結固定化法の妥当性に関する研究はあまり進捗しなかったが、その他の項目については予定通り、もしくは予定よりも良好に進展しており、全体として概ね順調に進捗していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで懸案事項となっていたCryo-SEMを用いた凍結固定化法の妥当性に関して、X線CT計測法による観察結果との比較を行いたいと考えている。これにより、凍結固定期間中に凝縮水の移動は殆ど生じておらず、Cryo-SEMで観察された映像が、運転停止直後の凝縮水分布と一致することを確認したい。
また、本年度の研究によって細孔特性の異なるカーボン粒子や分子構造の異なるイオノマーに関して、ある程度の性能差とメカニズムを明らかにできたが、次年度はさらに性能をより一層向上させるための組合せ条件について研究を行う計画である。特に今年度の研究によって、酸素拡散抵抗、酸素溶解抵抗・白金表面抵抗を分析する手法を確立したので、それを用いてメカニズムをより一層明確にしたい。
一方、本年度開発した拡大スケールモデル実験法ならびに高速格子ボルツマン（LBM）計算を用いて、凝縮水を速やかにGDLからチャネルに排出するための繊維構造ならびに濡れ性分布について解析を行う計画である。併せて、MPLについても濡れ性や構造影響についてCryo-SEMを用いた研究を行う。
さらに、燃料電池の氷点下起動特性の改善を目的として、膜含水率に応じた電流密度制御法を明らかにするほか、親水・疎水ならびに粒子・繊維構造の異なるMPLに関して、低温起動性を評価したいと考えている。
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