2021 Fiscal Year Annual Research Report
Enhancement of robustness and detection of abnormal operation conditions for marine fuel cells
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21H01549
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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) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 船舶海洋工学 / 燃料電池 / ロバスト性 / 安全性 / 異常診断 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体高分子形燃料電池（PEFC）は膜電極接合体（MEA）をガス拡散層およびセパレータで挟んだ構造になっており，発電性能を向上させるためには電解質膜を適正な湿潤状態に保ちドライアップを防ぐとともに，電極触媒層で生成した過剰な水分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である．舶用燃料電池は長時間の高負荷運転が要求されるため過剰な生成水に起因するフラッディング，並びに局所的発熱による電解質膜のドライアップを防止することが不可欠であり，耐フラッディングと耐ドライアップの両特性を向上させることが重要課題である．撥水性マイクロポーラス層（MPL）を塗布したガス拡散層を適用すると燃料電池の水管理性が向上し，高い発電性能が得られることを示した研究結果は従来から多く報告されている．しかし耐ドライアップ性と耐フラッディング性を向上させるためのMPLに関する設計指針が異なっており，耐ドライアップ性を高めたMPL付き拡散層は，一般に耐フラッディング性に劣ることが問題である．
そこで本研究では撥水MPLの表面に薄い親水層を塗布した親水・撥水Double MPL，並びに撥水MPLに親水性カーボンナノチューブ（CNT）を分散させた親水・撥水複合MPLを開発した．いずれのMPLの場合も親水性を付与したことにより電極触媒層における保湿性が高まるため耐ドライアップ性が向上することがわかった．一方，適正なDouble MPLおよびCNT分散MPLを用いると排水性が高まり，高負荷（高電流密度）条件で電極触媒層の過剰な生成水が排出できるため，従来の撥水MPL付き拡散層の場合と比較して耐フラッディング性が大幅に向上でき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ことがわかった．そこで本研究では撥水MPLの表面に薄い親水層を塗布した親水・撥水Double MPL，並びに撥水MPLに親水性カーボンナノチューブ（CNT）を分散させた親水・撥水複合MPL付きガス拡散層を考案した．いずれのMPLの場合も親水性を付与したことにより電極触媒層における保湿性が高まるため耐ドライアップ性が向上することがわかった．適正な親水性を付与した複合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できることを明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
撥水MPLの表面に薄い親水層を塗布した親水・撥水Double MPL，並びに撥水MPL中に親水性の細孔を分散させた複合MPL付きガス拡散層の設計諸元が基本性能と発電性能に及ぼす影響を明らかにする．いずれの親水・撥水MPLの場合も親水性を付与することにより電極触媒層における保湿性が高まり耐ドライアップ性が向上することが期待できる．MPL付き拡散層の一次物性（細孔孔分布、厚さ、空隙率、接触角、熱伝導率）と二次物性（空気透過性、水蒸気透過性、排水性、相対酸素拡散性）の関係を明らかにする．拡散層の一次物性・二次物性の測定データおよびFIB-SEM画像解析から，ポアネットワークモデル解析における細孔分布および親水・撥水性分布を決定する．PEFC発電試験（電流電圧特性）における限界電流密度から求めた酸素拡散抵抗の実測値をポアネットワークモデルに適用して，セパレータ流路から拡散層を通り電極触媒層に至るまでの物質輸送シミュレーションを行いMPL付き拡散層内の液水，水蒸気，酸素濃度分布を明らかにする．これらの結果を基に，燃料電池船に要求される長時間連続の高負荷運転と急激な負荷変動に対応した幅広い運転条件下で，ロバスト性（発電性能）を向上させるための親水・撥水複合MPL付き拡散層の細孔構造と親水・撥水性に関する最適設計指針を明らかにする．
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