マイクロ3Dプリンティングを駆使した固体高分子形燃料電池の凝縮水・温度分布観察

• Project/Area Number: 24K07335
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 境田 悟志 茨城大学, 応用理工学野, 講師 (40816170)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2026: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 固体高分子形燃料電池 / 凝縮水

Outline of Research at the Start

固体高分子燃料電池の性能向上には蒸気・凝縮水の輸送メカニズムを解明する必要がある。そのためには蒸気・凝縮水分布および温度をマイクロスケールで計測可能な、今までにない計測システムが必要である。そこで、本研究ではマイクロ3Dプリンティング技術により光学的にアクセス可能なガス拡散層を作製し、赤外吸収イメージング法を用いた非接触で微細な温度計測を可能とするシステムを構築する。これにより凝縮水分布および温度を同時計測する。また、構築した計測システムと申請者が独自に開発してきた電池内の2相流シミュレーションを組合せ、凝縮水の生成メカニズムに迫る。

Outline of Annual Research Achievements

水素と酸素で動作する固体高分子形燃料電池はクリーンな動力源である。その普及には高出力密度化が不可欠であるが、そのために水素と酸素を多量に反応させるとマイクロスケールの細孔を有するガス拡散層に凝縮水が滞留し、触媒への酸素供給が阻害される。つまり、電池の出力密度は凝縮水の生成に制限される。この問題の解決には「なぜ凝縮水は生成するのか」を明らかにしなければならない。そのためには、蒸気・凝縮水分布および温度をマイクロスケールで計測可能な、今までにない計測システムが必要である。そこで、本研究ではマイクロ3Dプリンティング技術により光学的にアクセス可能なガス拡散層を作製し、赤外吸収イメージング法を用いた非接触で微細な温度計測を可能とするシステムを構築する。これにより凝縮水分布および温度を同時計測する。2024年度では実験装置の構築に注力し、赤外吸収イメージング法を適用可能な顕微鏡システムを構築するとともに得られた画像から液水分布、温度分布を導出するための画像解析プログラムの作成を行った。構築したシステムでは赤外線を照射可能なハロゲンランプを光源とし、コンデンサレンズを使い赤外線を集束させ観察対象であるガス拡散層に照射する。照射する赤外線はバンドパスフィルタを用いて温度依存性のある波長とない波長を取り出し、各波長における観察画像を赤外線カメラで撮影することで温度と凝縮水分布を計測する。これらの装置は研究の基盤となるシステムであり、今後、着実な研究の進展が期待できる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

顕微鏡システムを構築し、定性的には液水の分布およびその量を計測できる見込みが立った。一方で量的な計測を行うには十分な精度が得られておらず改善が必要である。

Strategy for Future Research Activity

より出力の高い光源に変更するほかサンプルを設置するセルの材質を見直し精度の改善を図る。また、固体高分子形燃料電池を模擬した実験系に装置を拡張し、電池内の凝縮現象の観察に取り組む。