2012 Fiscal Year Annual Research Report
固定化法による固体高分子形燃料電池内の反応および気液輸送機構の解明
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24360076
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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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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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / PEFC / 固体高分子 / 生成水 / 凍結 / 二相流 / Cryo-SEM / 拡散層 |
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| Research Abstract |
本研究は、内部水分状態の瞬時凍結法による観察、ならびに高密度比対応LBM法による二相流シミュレーション等により、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)Cryo-SEMを用いた凝縮水の凍結固定化観察実験から、MPL層は触媒層と拡散層との間の接触電気抵抗を低減するほか、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、これが性能を向上させる要因となっていることを明らかにした。また、生成水は蒸気状態でMPL細孔を通過できる可能性を示すことができ、MPLによってフラッディング特性が向上するメカニズムをある程度説明することができた。
(2)酸素濃度や電流密度を変化させた際の低温起動特性実験の結果から、低温起動時の氷形成による酸素拡散阻害の部位を概略推定することができた。ただし、詳細については継続的な解析研究が必要である。
(3)これまでに提案している触媒層内の電気化学反応モデルの妥当性を実験的に確認した。次にこの解析モデルから、性能を維持したまま白金の使用量を減らす方策の一つとして、カーボン粒子径を小さくすることが有効であることが示唆されたので、実験を行ったところ、それを裏付ける傾向が見られた。これについても継続的な研究を次年度行う計画である。
(4)複雑な拡散層繊維構造内の凝縮水挙動をシミュレートするために、LBMシミュレーション法の高速演算化を行い、従来の計算時間を1/150に短縮できた。
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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
Cryo-SEMによってMPL近傍の凝縮水の様子が期待通りに観察され、MPLの機能をある程度明らかにすることができた。また、苦労していた3次元格子ボルツマン法の高速演算化にも成功し、概ね順調に研究が進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は順調に進展しているが、Cryo SEMの利用回数に制限があったため、関連経費を次年度に持ち越すこととなった。今後、さらに多層構造中の凝縮水分布計測を行う一方、触媒層内のイオンおよび酸素の移動特性、MPL内の気液透過現象ならびに拡散層内の凝縮水移動現象を明らかにする。成果を種々の国際会議で発表するほか、論文投稿を多数行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
種々のMPL構造を持つ電解質膜・触媒・MPL接合体を製作する必要があるので、そうした消耗品費に充当する。また、Cryo-SEMによる観察実験費にも充当する計画である。
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