2006 Fiscal Year Annual Research Report
低温環境適合型高性能PEM燃料電池のための気液・熱・電流移動分布の均一化研究
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17360089
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
近久 武美 北海道大学, 大学院工学研究科, 教授 (00155300)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田部 豊 北海道大学, 大学院工学研究科, 助教授 (80374578)
菊田 和重 北海道大学, 大学院工学研究科, 助手 (90214741)
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| Keywords | 燃料電池 / PEFC / 固体高分子 / 生成水 / 凍結 / 二相流 / 可視化 / 拡散層 |
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| Research Abstract |
セパレータ流路形状、拡散層(GDL)の空隙率や繊維状構造等が電池性能に対して及ぼす影響を明らかにすることを目的として、まずフラッディング中の電池内現象と電圧の相関について実験的な解析を行った。その結果、ガスが拡散層下層に潜り込むような現象仮説を提案した。すなわち、拡散層上部ならびに流路の一部を水で埋めるような状態が形成された場合に、拡散層深部のMEA近傍領域までカソードガスが侵入する流路が形成され、流路内に凝縮水が少ない場合よりも良好な電池性能を得られる可能性があると推定した。この仮説を検証するために大きさの異なるセルや気体流量条件および電流密度条件等を種々変化させ観察を行ったが、いずれの結果もこの解釈を肯定するものであった。以上より、ガスが拡散層下層に潜り込むような現象があり、このメカニズムを利用した流路設計ができるならば、少ない気体流量でフラッディングを回避し、良好な電池性能を得られる可能性を見出した。
次に、低温起動特性を調べるとともに電池内の凍結現象を把握することを目的として、種々のコンディショニング条件(電池を低温に冷却する前の電池状態を規定する条件)や電流密度・温度条件における起動特性について実験を実施し、主要因子の抽出および凍結機構の検討を行った。その結果、運転時間を長くするためには、起動前のセル抵抗がある程度高く保たれていることが重要であることが明らかとなった。また、燃料電池内での凍結機構は、温度条件によって過冷却状態から急速にMEA近傍で凍結する場合と、MEA表面近傍で凍結層が徐々に成長し、電池電圧が低下する場合があることが推定された。
以上、本年度の研究により、拡散層内の水分挙動と電流密度分布との相関、フラッディングにおける特異なGDL内のガス潜り込み現象、および低温起動時の凍結挙動に関する新知見を得た。
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