2018 Fiscal Year Annual Research Report
Enhancement of the safety, durability and reliability of marine fuel cells
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17H03497
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
北原 辰巳 九州大学, 工学研究院, 准教授 (50234266)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 船舶海洋工学 / 燃料電池 / 異常診断 / 安全性 / ガス拡散層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（PEFC）はエネルギー変換効率が高く，生成物が水のみであることからゼロエミッション化が可能であり，高効率・低公害性が強く求められている船舶への適用が期待されている．しかし舶用PEFCは長時間の高負荷運転，並びに急激な負荷変動に対応する出力特性が要求されため，電解質膜のドライアップを防ぐと同時に，電極触媒層における過剰な生成水を速やかに排出してフラッディングによる酸素供給の阻害を防ぐことが重要課題である．従来から一般に適用されている撥水性のマイクロポーラス層（MPL）付きガス拡散層の場合，耐ドライアップ性と耐フラッディング性を高めるための設計指針が異なっており，MPLの細孔径を減少すると耐ドライアップ性は向上するが，排水性が悪化して耐フラッディング性が低下することが問題であることがわかった．そこで親水性カーボンナノチューブ（CNT）を撥水MPLに分散させた新規なガス拡散層を考案した．CNT分散MPLの平均流量細孔径を2μmまで減少すると，撥水MPLのみの場合と比較して低加湿運転時の発電性能が向上する．親水性CNTを分散させると生成水の保湿性が高まり耐ドライアップ性の向上に有効であることがわかった．一方，高加湿運転時の発電性能を調べた結果，CNT分散MPLの場合は細孔径を2μmまで減少しても発電性能の低下は認められず耐フラッディング性が大幅に向上した．CNT分散MPLの場合，親水性CNTにより形成された細孔により電極触媒層からMPLを通り排出される液水パスが増大し排水性が高まるために，細孔径を減少させても耐フラッディング性が低下せず，PEFCの耐ドライアップと耐フラッディングの両特性を向上させる方策として有効であることが明らかになった．
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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
舶用燃料電池（PEFC）は長時間の高負荷運転，並びに急激な負荷変動に対応する出力特性が要求されるため，電解質膜のドライアップを防ぐとともに，電極触媒層における過剰な生成水を速やかに排出してフラッディングによる酸素供給の阻害を防ぐことが重要課題である．従来から一般に適用されている撥水性マイクロポーラス層（MPL）付きガス拡散層の場合，耐ドライアップ性と耐フラッディング性を高めるための設計指針が異なっており，耐ドライアップ性を向上させたMPL付き拡散層は耐フラッディング性が低下することが問題である．そこで本研究では親水性カーボンナノチューブ（CNT）を撥水MPLに分散させたガス拡散層を考案した．CNT分散MPLを適用すると排水性が高まり透水圧が低下するためMPL細孔径を減少させることが可能になり，PEFCの耐ドライアップと耐フラッディングの両特性を向上させることが可能であることを明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
燃料電池の運転中における各部過電圧を等価回路に置き，各々の抵抗値と容量値を同定する方法として，計測が容易で精度に優れるFRA（Frequency Response Analyzer）法が一般に適用されている．しかしFRA法は各周波数の正弦波を一つずつ掃引していくため，計測終了までに数十分の時間を要し，時々刻々と変化する舶用燃料電池の運転状態をリアルタイムで計測する手法としては適していない．そこでFFT（Fast Fourier Transform）を用いた交流インピーダンス法により各部過電圧を実時間で精度良く測定する手法を開発する．燃料電池船の運転中に想定される冷却系故障によるオーバーヒート，ガス供給系故障による反応ガス供給不足，加湿器故障による電解質膜のドライアップおよびフラッディング，電解質膜および白金触媒の劣化などの異常を人為的に発生させて，ナイキスト線図における各部抵抗値および容量値の変化を解析する．さらにカソード供給ガスに海水（塩粒子）を混入し，ナイキスト線図における各部抵抗値および容量値の変化を解析する．これらの結果に基づいて，燃料電池運転中の異常を早期に検知して燃料電池システム全体の故障を未然に防ぐ手法を確立する．
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