光ファイバ型レーザ分光と計算の融合による実作動燃料電池の界面物質輸送の解明と制御

• 研究課題/領域番号: 15K05827
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 京都工芸繊維大学
• 研究代表者: 西田 耕介 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (00397043)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2015年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 熱工学 / 燃料電池 / レーザ計測 / 吸収分光法 / TDLAS法

研究成果の概要

本研究では初めに、光ファイバを用いた波長可変半導体レーザ吸収分光法（TDLAS法）を応用することにより、燃料電池ガス流路内の反応ガス濃度を高速・高感度で測定可能な「光ファイバプローブ式レーザガス分析システム」を開発し、発電モードPEFCのカソード流路内の水分濃度を直接モニタリングできるようにした。さらに、多孔質構造を考慮したガス拡散電極内の物質輸送数値シミュレーションを援用することにより、カソード側電極／電解質界面における液水挙動や酸素拡散現象の解明を試みた。

研究成果

• [雑誌論文] Measurement of Water Vapor Concentration in Narrow Channel of PEFC Using Fiber-Optic Sensor Based on Laser Absorption Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, R. Nakauchi, Y. Maeda, T. Umekawa, and M. Kawasaki
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: Vol.80, No.8 号: 8 ページ: 527-534
  • DOI: 10.1149/08008.0527ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acceleration of Liquid Water Removal from Cathode Electrode of PEFC By Combination of Channel Hydrophilization and Diffusion Medium Perforation (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, Y. Kono, M. Sato, D. Mizuguchi
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 75 号: 14 ページ: 227-236
  • DOI: 10.1149/07514.0227ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fundamental investigation of oxygen concentration measurement in narrow channel of fuel cell based on fiber-optic laser absorption spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Nakauchi, Y. Maeda, K. Nishida, T. Umekawa, M. Kawasaki
  • 雑誌名: Proc. the 4th International Forum on Heat Transfer (IFHT2016) 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Hydrophilic Treatment of Cathode Channel on Liquid Water Transport through Gas Diffusion Layer and Performance of PEFC (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, Y. Kono, T. Nakamura, R. Giga
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 69 号: 17 ページ: 1121-1131
  • DOI: 10.1149/06917.1121ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of Microstructure of Cathode MPL on Interface Water Transport and Power Generation Characteristics of PEFC (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, G. Okuhata, T. Nakamura, K. Nishida
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 68 号: 3 ページ: 77-87
  • DOI: 10.1149/06803.0077ecst
  • 査読あり
• [学会発表] Measurement of Water Vapor Concentration in Narrow Channel of PEFC Based on Laser Absorption Spectroscopy with Fiber-Optic Probe (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Nakauchi, Y. Maeda, K. Nishida, T. Umekawa, and M. Kawasaki
  • 学会等名: The Ninth JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference (TFEC9)
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of Water Vapor Concentration in Narrow Channel of PEFC Using Fiber-Optic Sensor Based on Laser Absorption Spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, R. Nakauchi, Y. Maeda, T. Umekawa, and M. Kawasaki
  • 学会等名: 232th ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Fiber-Optic Laser Absorption Spectroscopy Techniques for Measuring Water and Oxygen Transports in PEM Fuel Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, R. Nakauchi, Y. Maeda, T. Umekawa, and M. Kawasaki
  • 学会等名: 68th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
  • 国際学会
• [学会発表] 光ファイバプローブを用いたPEFC狭小流路内水分のレーザ吸収分光測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中内崚河，前田雄也，西田耕介，梅川豊文，川崎昌博
  • 学会等名: 第54回日本伝熱シンポジウム
• [学会発表] 光ファイバプローブ型レーザ吸収分光法による燃料電池内水分濃度測定に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中内崚河，前田雄也，西田耕介，梅川豊文，川崎昌博
  • 学会等名: 日本機械学会関西支部平成28年度卒業研究発表講演会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府吹田市）
• [学会発表] 燃料電池内ガス濃度測定に向けた光ファイバを用いたレーザ吸収分光計測技術の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中内崚河，前田雄也，西田耕介，梅川豊文，川崎昌博
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス2016
  • 発表場所: 愛媛大学（愛媛県松山市）
  • 年月日: 2016-10-22
• [学会発表] 光ファイバレーザ吸収分光法による燃料電池狭小流路内のガス濃度測定に関する基礎研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西田耕介，前田雄也，梅川豊文，川崎昌博
  • 学会等名: 第53回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: グランキューブ大阪（大阪市）
  • 年月日: 2016-05-24
• [学会発表] 光ファイバを用いたレーザ変調分光法による燃料電池内酸素濃度測定技術に関する検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 前田雄也，細谷卓人，西田耕介，梅川豊文，川崎昌博
  • 学会等名: 日本機械学会関西支部平成27年度卒業研究発表講演会
  • 発表場所: 大阪電気通信大学（大阪府寝屋川市）
  • 年月日: 2016-03-10
• [学会発表] 光ファイバ型レーザ分光法に基づく燃料電池流路内の酸素濃度測定に関する基礎研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西田耕介，前田雄也，細谷卓人，梅川豊文，川崎昌博
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス2015
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-10-24
• [学会発表] PEFCカソード流路の親水化がMEA断面方向の液水輸送と電池性能に及ぼす影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 河野佑大，儀俄亮，西田耕介
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス2015
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-10-24
• [学会発表] PEFC微細多孔質層のカーボン担持量が水分輸送及び発電性能に与える影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中健太郎，奥畑剛，西田耕介
  • 学会等名: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 福岡国際会議場（福岡県福岡市博多区）
  • 年月日: 2015-06-03
• [学会発表] 断面可視化セルを用いたPEFC蛇行流路内の液水挙動と電池性能の相関性評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 河野佑大，儀俄亮，西田耕介，佐藤正洋，北島さつき
  • 学会等名: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 福岡国際会議場（福岡県福岡市博多区）
  • 年月日: 2015-06-03
• [図書] PEFCの内部現象・反応機構と評価・解析技術 (2015)
  • 著者名/発表者名: 犬飼潤治，米田雅一，唯美津木，石黒志，松井公佑，折笠有基，内本喜晴，上野武夫，矢口紀恵，清水貴弘，山田裕久，井上元，八木一三，西田耕介 他
  • 総ページ数: 247
  • 出版者: S&T出版
• [備考] 京都工芸繊維大学 熱エネルギー工学研究室ホームページ
  • URL: http://www.tee.kit.ac.jp
• [産業財産権] 吸収分光測定用の光吸収測定装置およびこれを用いた吸収分光測定システム (2017)
  • 発明者名: 西田耕介，梅川豊文，川崎昌博，本田真一
  • 権利者名: 京都工繊大，(株)プラムテック，神栄テクノロジー(株)，川崎昌博
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017
  • 外国