電気化学インピーダンス法による燃料電池の水素リーク計測

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04102
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 江口 美佳 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (40302327)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鵜野 克宏 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (10280710)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 固体高分子形燃料電池 / クロスオーバー / 電気化学インピーダンス

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，燃料電池セルに既知の並列抵抗を接続することで，電圧急増を抑制しながら，電気化学インピーダンス分光(EIS)法によるガスクロスオーバー測定を試みた。
測定には電解質膜としてNafion212膜を組み込んだ固体高分子形燃料電池セルを使用した。セル温度，加湿器温度はそれぞれ室温とした。アノードには純水素を流し，カソード側への水素リークを模擬するため，カソードには窒素に少量の水素を混合したガスを流した。測定中にセル電圧が高くなり電極劣化が生じることがないよう，セルに51Ωの抵抗を並列に挿入した。カソード流量を変えて水素リーク量を調節しながらインピーダンスを測定した。
昨年度の研究では，既知の並列抵抗を接続することにより，EIS法を用いて電圧急増することなく，燃料電池の水素欠乏状態を観察することができた。しかし，得られた電圧，電流や抵抗などの値が，予想した値と異なっていた。ポテンショスタットのメーカに問い合わせたところ，基準となる値が異なっていたことが原因であることが判明した。設定値を修正し，電圧，電流値が予想した値と同じであることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

燃料電池セルに既知の並列抵抗を接続することで，電圧急増することなく固体高分子形燃料電池における水素欠乏状態を観察することができた。しかし，得られた電圧，電流や抵抗などの値が，予想した値と異なっていた。ポテンショスタットのメーカに問い合わせたところ，基準となる値が異なっていたことが原因であることが判明した。現在は規定の値を持つ抵抗やコンデンサを用いて正しい測定値が得られているかを確認している。

Strategy for Future Research Activity

測定した電圧，電流や抵抗などの値が，予想した値と一致していることが確認されたので，水素が十分ある状態から水素欠乏状態まで水素欠乏の程度や並列抵抗の値などを変化させ測定条件の影響を調べる。また，燃料電池セルのインピーダンスを測定し，測定したセルインピーダンスと等価回路を基に算出した計算値を比較しながら，実際の物理現象と対応づけてモデルを確立する。

Causes of Carryover

次年度使用が生じた理由は，セルおよびスタックのインピーダンス測定精度を向上させる目的でインピーダンスアナライザ装置を導入するためである。本研究の目的は，EIS法による水素欠乏や水素リーク状況の診断の基礎となる水素欠乏や水素リークとインピーダンスとの対応関係を理論と実験の両面から解明することである。今年度の研究により測定した電圧，電流や抵抗などの値が，予想した値と一致していることが確認された。次年度は，インピーダンス測定のための電気化学計測装置（AutoLab社PGSTAT128N）および導入したインピーダンスアナライザ装置を用いて，燃料電池セルおよびスタックのインピーダンスを測定し，測定したインピーダンスと等価回路を基に算出した計算値を比較しながら，実際の物理現象と対応づけてモデルを確立する。