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
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21360089
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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・工学研究院, 教授 (00155300)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田部 豊 北海道大学, 大学院・工学研究院, 准教授 (80374578)
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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 |
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。
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