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2010 Fiscal Year Annual Research Report

固体高分子形燃料電池の拡散層内気液輸送現象ならびに凍結機構の解明

Research Project

Project/Area Number 21360089
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

近久 武美  北海道大学, 大学院・工学研究院, 教授 (00155300)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田部 豊  北海道大学, 大学院・工学研究院, 准教授 (80374578)
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
Research Abstract

本研究は、内部現象観察と電流密度分布の同時計測、内部水分状態の瞬時凍結法を用いた観察、ならびに並列演算可能な高密度比対応LBM法により、燃料電池内の気液輸送現象について解明することを目的としたものである。本年度の研究により、下記の知見を得た:
(1)これまで拡散層の繊維方向を異方化することにより電池性能を向上できることが示されていたが、リブ下の凝縮水が繊維に沿って円滑に排出されることが主因であることが確認された。
(2)金属製多孔体セパレータは良好なフラッディング特性を有する一方、ドライアウトしやすい特徴がある。このドライアウトは多孔構造による熱伝導性の低下によるものであることを明らかにし、次いで接触熱抵抗の度合いや空隙率による熱伝導性の変化特性について解析を行った。
(3)凝縮水の凍結固定化観察実験から、拡散層にあるMPL層は触媒層と拡散層の界面に凝縮水が滞留するのを抑制する効果を持ち、これが電池性能を良好に保つ要因であることが明らかとなった。
(4)低温起動時に凍結・運転不能となった電池を常温に戻して運転した場合には、性能がなかなか回復しないことがあるが、これは触媒層とMPL層に形成された融解水によることが明らかとなった。
(5)Cryo SEMを用いた観察から、酸素濃度や電流密度によって触媒層内の凍結層成長方向が異なる様子が観察され、この現象をプロトンと酸素の供給バランスによることから説明した。
(6)触媒層内の電気化学反応モデルを作成し、性能に影響する主要構造因子を明らかにした。
(7)LBMシミュレーション法の改良を行い、複雑な拡散層繊維構造内の凝縮水挙動をシミュレートできるようにした。

  • Research Products

    (16 results)

All 2011 2010

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (12 results)

  • [Journal Article] 固体高分子形燃料電池性能に及ぼすカソード触媒層構造と物性の支配影響解析2011

    • Author(s)
      田部豊, 西野昌芳, 高松宏行, 近久武美
    • Journal Title

      日本機械学会論文集(B編)

      Volume: 77(774) Pages: 301-311

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 固体高分子形燃料電池の氷点下起動に及ぼす温度影響と電池内凍結機構2011

    • Author(s)
      田部豊, 齋藤正尭, 福井薫, 近久武美
    • Journal Title

      日本機械学会論文集(B編)

      Volume: 77(773) Pages: 160-167

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Performance and liquid water distribution in PEFCs with different anisotropic fuber directions of the GDL2011

    • Author(s)
      Kyaw Swar Soe Naing, Y.Tabe, T.Chikahisa.
    • Journal Title

      Journal of Power Sources

      Volume: 196 Pages: 2584-2594

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation of Factors Influencing Performance of PEM Fuel Cell with Thin Separator Channels2010

    • Author(s)
      H.Takahashi, S.Sekiguchi, T.Chikahisa
    • Journal Title

      Journal of Environment and Engineering, JSME

      Volume: 5-2 Pages: 372-382

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Microscopic Observation of Ice Distribution in PEM Fuel Cell2011

    • Author(s)
      Y.Tabe, M.Saito, R.lchikawa, T.Chikahisa
    • Organizer
      Proceedings of the ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference
    • Place of Presentation
      Marriott Resort & Spa, Honolulu, USA
    • Year and Date
      2011-03-13
  • [Presentation] Performance Characteristics and Liquid Water Transport in PEFC with Porous Separator2010

    • Author(s)
      Y. Tabe, S. Morioka, T. Nasu, and T. Chikahisa
    • Organizer
      218th ECS Meeting
    • Place of Presentation
      Riviera Hotel, Las Vegas, USA
    • Year and Date
      2010-10-15
  • [Presentation] Analysis of Major Parameters in Catalyst Layer Structure Affecting on PEFC Performance2010

    • Author(s)
      M.Nishino, Y.Tabe, T.Chikahisa
    • Organizer
      218th ECS Meeting
    • Place of Presentation
      Rivier Hotel, Las Vegas, USA
    • Year and Date
      2010-10-12
  • [Presentation] 格子ボルツマン法によるPEFC内におけるガス拡散層内気液二相流動轍シミュレーション2010

    • Author(s)
      佐々木隆行, 田部豊, 近久武美
    • Organizer
      日本機械学会第23回計算力学講演会
    • Place of Presentation
      北見工業大学,北見
    • Year and Date
      2010-09-23
  • [Presentation] 多孔体セパレータを有するPEFCの内部現象の数値解析2010

    • Author(s)
      下舘拓也, 田部豊, 近久武美
    • Organizer
      日本機械学会第23回計算力学講演会
    • Place of Presentation
      北見工業大学,北見
    • Year and Date
      2010-09-23
  • [Presentation] Performance and Liquid Water Distribution in PEFCs with Different Anisotropic Fibber Directions of the GDL2010

    • Author(s)
      Kyaw-Swar, S.N., Y.Tabe., T.Chikahisa
    • Organizer
      Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference
    • Place of Presentation
      Omni Shoreham Hotel, Washington, D.C., USA
    • Year and Date
      2010-08-08
  • [Presentation] 多孔体セパレータを有する固体高分子形燃料電池の性能特性に関する研究2010

    • Author(s)
      那須拓哉, 森岡怜史, 田部豊, 近久武美
    • Organizer
      第15回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京
    • Year and Date
      2010-06-21
  • [Presentation] 固体高分子形燃料電池の氷点下起動影響と電池内凍結現象の観察2010

    • Author(s)
      難波陵二, 齋藤正尭, 田部豊, 近久武美
    • Organizer
      第15回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京
    • Year and Date
      2010-06-21
  • [Presentation] Liquid Water and Gas Flow Simulation in a Channel of PEM Fuel Cells Using the Lattice Boltzmann Method2010

    • Author(s)
      B. S. Yasser, Y. Tabe, and T. Chikahisa
    • Organizer
      Proceedings of FUELCELL2010 8th International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology
    • Place of Presentation
      Marriott Hotel, New York, USA
    • Year and Date
      2010-06-14
  • [Presentation] 固体高分子形燃料電池性能に関わる触媒層構造の主要影響因子解析2010

    • Author(s)
      西野昌芳, 田部豊, 近久武美
    • Organizer
      第47回日本伝熱シンポジウム講演論文集
    • Place of Presentation
      札幌コンペンションセンター,札幌
    • Year and Date
      2010-05-26
  • [Presentation] Effect of Anisotropic GDL Fiber Directions on PEFC Performance and Liquid Water Distribution Analysis with Freezing Method2010

    • Author(s)
      Kyaw-Swar, S.N., Y.Tabe, T.Chikahisa
    • Organizer
      第47回日本伝熱シンポジウム講演論文集
    • Place of Presentation
      札幌コンペンションセンター,札幌
    • Year and Date
      2010-05-26
  • [Presentation] Analysis of liquid water discharge performance in a channel of PEM fuelcells using lattice Boltzmann method2010

    • Author(s)
      B.S.Yasser, Y.Tabe, T.Chikahisa
    • Organizer
      第47回日本伝熱シンポジウム講演論文集
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター,札幌
    • Year and Date
      2010-05-26

URL: 

Published: 2012-07-19  

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