2017 Fiscal Year Annual Research Report
PEM形燃料電池の氷点下起動におけるマルチスケール水輸送・凍結分布制御
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17H03178
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田部 豊 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80374578)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近久 武美 北海道大学, 工学研究院, 特任教授 (00155300)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体高分子形燃料電池の氷点下環境からの起動における電池内のマルチスケール水輸送・凍結機構を明らかにするとともに、耐氷点下起動性ならびに耐久性向上のための触媒層・MPL・ガス拡散層構造および制御手法を提示することを目的とし、検討および実験方法の確立を行った主な成果を以下にまとめる。
１．自動車に搭載されるスタック中央部のセルの断熱環境を模擬するために、集電板の外側に表裏に熱電対を有する断熱板、端板の外側にヒータを設置して温度制御する方法を構築し、-5℃からの昇温過程における氷点下起動実験を行った。実験から起動に成功する場合としない場合が観測され、過冷却解除のタイミングが重要になってくることが示唆されたが、本手法では短時間で触媒層内の温度上昇が起こる過渡状況を十分に模擬できないことも確認された。
２．親水性MPLを使用した0.02A/cm2の一定温度の氷点下起動では、疎水性MPLで存在していたCL-MPL界面の氷層とCL内部の氷は存在せず、生成水はMPL内部へと移動させることができることを示した。
３．GDL内部の凝縮水挙動を観察するために、GDL構造を3Dプリンターにより約300倍程度で任意に作製し内部の液体挙動を観察できる拡大スケールモデル実験を確立した。この手法と既に開発済みである格子ボルツマンシミュレーションにより、キャピラリー数を0.001オーダ以下、ウェーバー数を.1オーダ以下にすることにより、サブミリオーダであるGDL内部の凝縮水挙動を模擬できることを明らかにした。
４．集電板の外側に直接ヒーターを設置し出力制御することにより、自動車に搭載されるスタック中央部のセル環境を模擬する実験方法を確立した。これを用いて-10℃から-15℃の範囲で温度上昇過程を模擬した氷点下起動を行い、昇温過程の起動特性と氷分布の関係を詳細に調べられることを確認した。
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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
研究目的に則した研究実施計画通りに研究を進めることができた。特に、実際の昇温過程を模擬するための実験手法を確立するとともに、拡大モデル実験の信頼性を向上させることができた。これにより、次年度からの検討を予定通りに順調に進められると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
計画通りに、スタック中央部のセル環境を模擬した条件に焦点を当て、起動特性と凍結挙動の関係を明らかにしている予定である。ここで、より低温からの起動を可能とするためには従来のセル構造の最適化だけでは不十分なことが予想され、親水性と疎水性のハイブリッド構造としたMPLや触媒層の検討もあわせて進めていくことを考えている。
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