2014 Fiscal Year Annual Research Report
固体高分子形燃料電池ロバスト性向上のための高性能ガス拡散層設計指針の構築
| Project/Area Number |
25289042
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
北原 辰巳 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50234266)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
|
| Keywords | 熱工学 / 固体高分子形燃料電池 / ガス拡散層 / マイクロポーラス層 / 水管理 / 撥水性 / 親水性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
固体高分子形燃料電池（PEFC）の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プロトン伝導性を高めるとともに，電極触媒層の過剰な水分を速やかに排出してフラッディングの発生を防止することが重要である．通常のPEFCでは加湿器を設けアノード・カソード両極に加湿した反応ガスを供給している．近年はPEFCの総合効率向上，並びにコスト低減の方策として加湿器を設けない簡便なPEFCの実用化が求められている．撥水マイクロポーラス層（MPL）を塗布した拡散層を適用するとPEFC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になっている．無加湿運転時においても高電流密度条件下では生成水によるフラッディング発生を防止することが不可欠であり，耐ドライアップと耐フラッディングの両特性を向上させた高ロバスト性のMPL付き拡散層の開発が課題である．本研究では親水性のカーボンナノチューブ（CNT）を混入したMPL付き拡散層を考案し，MPL細孔径の変化が空気透過性，水蒸気透過性，並びに透水性に及ぼす影響を明らかにするとともに，耐ドライアップと耐フラッディングの両特性を向上させるための設計指針について検討した．撥水MPLの場合，最大細孔径を20μmに設定すると耐フラッディング性が向上するが，細孔径を過小に設定すると発電性能が低下する．一方，CNT混入MPLの場合は細孔径を減少させても発電性能の低下は認められず，5μm に設定すると耐フラッディング性が大幅に向上した．透水試験の結果から，CNT混入MPLの透水圧は撥水MPLと比較して大幅に低下した．排水性に優れるCNT混入MPLは細孔径を小さく設定することができるため，耐ドライアップ性と耐フラッディング性の両特性を向上させることが可能であることを明らかにした．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
PEFCの耐ドライアップ性を向上させる方策として，親水性のカーボンナノチューブ（CNT）を混入した親水・撥水複合MPL付き拡散層を考案した．撥水MPLの場合，最大細孔径を20μmに設定すると耐フラッディング性が向上するが，細孔径を過小に設定すると発電性能が低下した．一方，CNT混入MPLの場合は細孔径を減少させても発電性能の低下は認められず5μmに設定すると耐フラッディング性が大幅に向上した．透水試験の結果から，CNT混入MPLの透水圧は撥水MPLと比較して大幅に低下することがわかった．排水性に優れるCNT混入MPLは細孔径を小さく設定することができるため，耐ドライアップ性と耐フラッディング性の両特性を向上させることが可能であることを明らかにした．
|
| Strategy for Future Research Activity |
MPL付き拡散層の一次物性（細孔径分布，厚さ，空隙率，接触角など）と高次物性（空気・液水・水蒸気透過性など）の評価を行う．すなわちPEFCに組付けた拡散層と同様な圧縮荷重を負荷した条件で，拡散層の膜厚方向・面方向の空気透過性を評価できるようにした試験装置を用いて空気透過試験を実施する．表面張力の小さい不揮発性アルコールを細孔中に含浸させた拡散層を用い空気透過試験を実施することにより細孔径分布を求める．空気透過試験と水蒸気透過試験の両結果から得られる最大細孔径が等しくなることに着目して拡散層の細孔内の接触角を求める．拡散層下部に透水開始（バブルポイント）以下の圧力で液水を供給し，拡散層上面に設けた流路を流れる空気中の水蒸気濃度の変化から水蒸気透過性を評価する．PEFC発電時の生成水量と同一の液水を拡散層に供給して水透過試験を実施する．水透過試験を実施した直後にガスクロマトグラフを用いて酸素透過量を測定することにより，拡散層細孔中の液水飽和度と酸素透過性の関係を調べ，拡散層の排水性と酸素透過性を評価する．さらにPEFCの電流－電圧特性における限界電流密度の測定により，発電中の酸素拡散抵抗の値を求める．これらの実験結果に基づき拡散層内部における酸素・水蒸気・液水の物質移動現象を解明する．撥水MPL中に親水性のカーボンナノチューブ(CNT)を混入した親水・撥水複合MPL付き拡散層の設計諸元が無加湿から高加湿運転時の発電性能に及ぼす影響を明らかにする．自動車用PEFCと同様なアノードガス再循環システムを取り入れた加湿器フリーPEFCの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ガス拡散層の細孔構造，並びに親水・撥水性に関する最適設計指針を明らかにする．
|
