Multiscale Transport Enhancement of Water and Oxygen for High Power Output PEM Fuel Cells
| Project/Area Number |
21H01254
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田部 豊 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80374578)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
植村 豪 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70515163)
境田 悟志 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (40816170)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
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| Keywords | 熱工学 / 燃料電池 |
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| Outline of Research at the Start |
固体高分子形（PEM）電池内でナノからサブミリスケールまでの一貫したマルチスケール水・酸素輸送促進を実現する電池構造、運転手法を明らかにする。まず、これまで個々に評価されてきた電池内の様々なスケールの輸送現象が電池性能に及ぼす影響を分離して解析可能な手法を開発し、相互影響も考慮しながらの一貫した評価を可能とする。さらに開発済みの独創的な解析・実験手法を組み合わせ、数十マイクロスケールの多孔体であるガス拡散層内の凝縮水排出の高度化、マイクロポーラス層とナノスケール触媒層内の凝縮水滞留抑制手法の確立、さらには酸素を極限まで有効に利用する触媒層構造の提案を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体高分子形燃料電池内のナノからサブミリスケールまで、触媒層からガス拡散層までの一貫したマルチスケール水・酸素輸送促進を実現する電池構造、運転手法を明らかにすることを目的とし、酸素輸送抵抗の分離手法の確立およびそれぞれのスケールの輸送抵抗低減のための検討を行った。主な成果を以下にまとめる。
１．初年度に確立した電池内のマルチスケールの凝縮水がそれぞれ酸素輸送損失に及ぼす影響を分離して評価できる手法を用い、セル温度および供給ガス湿度が凝縮水滞留と酸素輸送抵抗の増大に及ぼす影響の詳細な解析を行い、本手法の有効性を幅広い条件下で確認した。
２．ガス拡散層内のリブ下から流路への凝縮水排出を促進するために確立したナフィオンのスプレー塗布において、親水性の度合い、親水層深さを調節する手法を確立した。さらに、比較的弱い親水層を浅く形成することが有効であることを示し、表面親水処理により僅かではあるが電池の出力向上を達成した。
３．触媒層とマイクロポーラス層の界面からの滞留水排出を期待し、マイクロポーラス層中に親水性繊維を付与する方法およびマイクロポーラス層表面にも親水層を形成させる方法を検討した。親水性繊維付与では、比較的長いファイバーとすることで電池の出力向上を達成した。また親水層形成では、マルチスケール酸素輸送抵抗の分離評価の結果、低電流密度域では触媒層からの排水性能力が向上することが示唆された。
４．酸素の有効利用の限界、そのときの触媒層構造を明らかにするために、初年度までに確立した酸素輸送抵抗モデルと実験的分離評価手法を用い、白金使用量に応じた適切なカーボンとアイオノマーの割合を明らかにした。また、前年度までに超低白金でも高い発電性能が達成できることを示したグラフェンアイオノマーフリーの触媒層において、課題であった作製過程の再現性の向上を達成した。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(24 results)
