2018 Fiscal Year Annual Research Report
Research for the optimum structure of PEM fuel cells based on the observation of water transport phenomena in the nano-scaling field
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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 / 限界電流密度 / 生成水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は燃料電池の高電流密度化を目的として物質移動と電池性能との相互作用について研究を行なったものであり、下記のような成果を得た：
１．凍結固定化法による凝縮水分布のCryo-SEM断面観察ならびに熱伝導・水蒸気拡散についての一次元数値解析の結果、触媒層に隣接するMPLを親水性・繊維状構造とすることによって幅広い電流密度条件で良好な運転をなし得ることを確認した。これは親水性・繊維状MPLは従来の疎水性・粒子状MPLに比べて凝縮水を良好にガス拡散層（GDL）側に輸送するためである。ただし、高電流密度条件ではフラッディングではなく、むしろドライアウトが生じる場合もあることがわかった。そのため、MPLの熱伝導率を高くすることが合わせて重要であることが示された。
２．氷点下起動に関してMPL構造による比較を行なった結果、親水性・繊維状MPLは通常の疎水性・粒子状MPLと比べて生成水がMPL中にまで移動する割合が大きく、優れた氷点下起動特性を有することが確認された。さらに、起動時の電流密度制御法について検討をおこなった結果、ドライ状態に設定された電解質膜の含水率変化に応じて、起動初期には0.04A/cm2程度の低電流密度で起動し、約30秒後に0.07A/cm2程度に電流密度を上げるような運転法によって、－30℃からの起動が可能であることが示された。
３．触媒層内の酸素輸送抵抗を革新的に低減できる可能性を検討する目的で、電子とプロトンの両方を輸送し得ると報告されているグラフェンの利用を試みた。その結果、白金担持量が0.21 mg/cm2の従来型Ketjen Black触媒層と同等のIV性能を、わずか0.044 mg/cm2の白金担持量で得られることを確認した。これにより、今後触媒層の構造安定化等の課題はあるものの、グラフェンの触媒層利用の大きな可能性が示唆された。
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| Research Progress Status |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
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