固体高分子形燃料電池の拡散層内気液輸送現象ならびに凍結機構の解明

• 研究課題/領域番号: 21360089
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 近久 武美 北海道大学, 大学院・工学研究院, 教授 (00155300)
• 研究分担者: 田部 豊 北海道大学, 大学院・工学研究院, 准教授 (80374578)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円); 2011年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2010年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2009年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
• キーワード: 燃料電池 / 固体高分子 / 生成水 / 凍結 / 二相流 / 可視化 / 拡散層 / PEFC

研究概要

PEM形燃料電池の内部現象観察と電流密度分布の同時計測、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LBM法により、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。本研究により、拡散層の一部であるMPL層が気液輸送現象に及ぼす効果とメカニズム、触媒層内の電気化学反応および物質拡散現象と主要影響因子、低温起動時における触媒層内の凍結現象、凝縮水排出に適した流路形状などを明らかにすることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Cold start characteristics and freezing mechanism dependence on start-up temperature in a polymer electrolyte membrane fuel cell (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Tabe, M. Saito, K. Fukui, and T. Chikahisa
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 208 ページ: 366-373
  • NAID: 120005946608
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ice Formation and Current Distribution in the Catalyst Layer of PEM Fuel Cell at Cold Start (2011)
  • 著者名/発表者名: R. Ichikawa, Y. Tabe, T. Chikahisa
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 41 ページ: 733-740
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of Micro-Porous Layer for Water Transfer Phenomena in PEFC (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Kadowaki, Y. Tabe, T. Chikahisa
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 41 ページ: 431-438
  • 査読あり
• [雑誌論文] Performance and liquid water distribution in PEFCs with different anisotropic fiber directions of the GDL (2011)
  • 著者名/発表者名: Kyaw Swar Soe Naing, Y. Tabe, and T. Chikahisa
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 196 ページ: 2584-2594
  • NAID: 120002834729
  • 査読あり
• [雑誌論文] 固体高分子形燃料電池性能に及ぼすカソード触媒層構造と物性の支配影響解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 田部豊, 西野昌芳, 高松宏行, 近久武美
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 巻: 77(774) ページ: 301-311
  • NAID: 130000873942
  • 査読あり
• [雑誌論文] 固体高分子形燃料電池の氷点下起動に及ぼす温度影響と電池内凍結機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 田部豊, 齋藤正尭, 福井薫, 近久武美
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 巻: 77(773) ページ: 160-167
  • NAID: 130000873927
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ice Formation and Current Distribution in the Catalyst Layer of PEW Fuel Cell at Cold Start (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Ichikawa, Y.Tabe, T.Chikahisa
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 41 ページ: 733-740
  • 査読あり
• [雑誌論文] Performance and liquid water distribution in PEFCs with different anisotropic fuber directions of the GDL (2011)
  • 著者名/発表者名: Kyaw Swar Soe Naing, Y.Tabe, T.Chikahisa.
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 196 ページ: 2584-2594
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of Factors Influencing Performance of PEM Fuel Cell with Thin Separator Channels (2010)
  • 著者名/発表者名: H. Takahashi, S. Sekiguchi, and T. Chikahisa
  • 雑誌名: Journal of Environment and Engineering, JSME 巻: 5(2) ページ: 372-382
  • NAID: 130000303710
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of Factors Influencing Performance of PEM Fuel Cell with Thin Separator Channels (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Takahashi, S.Sekiguchi, T.Chikahisa
  • 雑誌名: Journal of Environment and Engineering, JSME 巻: 5-2 ページ: 372-382
  • NAID: 130000303710
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of Dominant Parameters in Structure and Properties of Cathode Catalyst Layer on PEM Fuel Cell Performance (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Tabe, H. Takamatsu and T. Chikahisa
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 25(1) ページ: 39-47
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic Observation of Freezing Phenomena in PEM Fuel Cell at Cold Start (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Y. Tabe, and T. Chikahisa
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 25(1) ページ: 773-779
  • NAID: 120005333600
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic Observation of Freezing Phenomena in PEM Fuel Cell at Cold Start (2009)
  • 著者名/発表者名: Masataka Saito, Yutaka Tabe, Takemi Chikahisa
  • 雑誌名: ECS Transactions 25(1) ページ: 773-779
  • NAID: 120005333600
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of Dominant Parameters in Structure and Properties of Cathode Catalyst Layer on PEM Fuel Cell Performance (2009)
  • 著者名/発表者名: Y.Tabe, H.Takamatsu, T.Chikahisa
  • 雑誌名: ECS Transactions 25(1) ページ: 39-47
  • 査読あり
• [学会発表] 固体高分子形燃料電池内の凝縮水分布に及ぼすMPLの影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 門脇主将, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 第16回動力・エネルギー技術シンポジウム
  • 発表場所: 関西大学(大阪府)
  • 年月日: 2011-06-24
• [学会発表] 氷点下起動時におけるPEFC内凍結現象が常温復帰運転に及ぼす影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 市川亮輔, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 第16回動力・エネルギー技術シンポジウム
  • 発表場所: 関西大学(大阪府)
  • 年月日: 2011-06-23
• [学会発表] Microscopic Observations of Freezing Phenomena in PEM Fuel Cell at Cold Starts (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Chikahisa
  • 学会等名: ASME 2011 9th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels (ICN MM2011)
  • 発表場所: University of Alberta (Edmonton, CANADA)
  • 年月日: 2011-06-21
• [学会発表] Microscopic Observations of Freezing Phenomena in PEM Fuel Cell at Cold Starts (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Chikahisa
  • 学会等名: ASME 2011 9th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels (ICNMM2011)
  • 発表場所: University of Alberta (Edmonton, CANADA)(招待講演)
  • 年月日: 2011-06-21
• [学会発表] 多孔体セパレータを有する固体高分子形燃料電池の性能特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 那須拓哉, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 第48回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 岡山コンベンションセンター(岡山市)
  • 年月日: 2011-06-03
• [学会発表] Microscopic Observation of Ice Distribution in PEM Fuel Cell (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Tabe, M.Saito, R.lchikawa, T.Chikahisa
  • 学会等名: Proceedings of the ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference
  • 発表場所: Marriott Resort & Spa, Honolulu, USA
  • 年月日: 2011-03-13
• [学会発表] Performance Characteristics and Liquid Water Transport in PEFC with Porous Separator (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Tabe, S. Morioka, T. Nasu, and T. Chikahisa
  • 学会等名: 218th ECS Meeting
  • 発表場所: Riviera Hotel, Las Vegas, USA
  • 年月日: 2010-10-15
• [学会発表] Analysis of Major Parameters in Catalyst Layer Structure Affecting on PEFC Performance (2010)
  • 著者名/発表者名: M. Nishino, Y. Tabe and T. Chikahisa
  • 学会等名: 218th ECS Meeting
  • 発表場所: Riviera Hotel, Las Vegas, USA
  • 年月日: 2010-10-12
• [学会発表] Analysis of Major Parameters in Catalyst Layer Structure Affecting on PEFC Performance (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Nishino, Y.Tabe, T.Chikahisa
  • 学会等名: 218th ECS Meeting
  • 発表場所: Rivier Hotel, Las Vegas, USA
  • 年月日: 2010-10-12
• [学会発表] 格子ボルツマン法によるPEFC内におけるガス拡散層内気液二相流動轍シミュレーション (2010)
  • 著者名/発表者名: 佐々木隆行, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 日本機械学会第23回計算力学講演会
  • 発表場所: 北見工業大学,北見
  • 年月日: 2010-09-23
• [学会発表] 多孔体セパレータを有するPEFCの内部現象の数値解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 下舘拓也, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 日本機械学会第23回計算力学講演会
  • 発表場所: 北見工業大学,北見
  • 年月日: 2010-09-23
• [学会発表] Performance and Liquid Water Distribution in PEFCs with Different Anisotropic Fibber Directions of the GDL (2010)
  • 著者名/発表者名: Kyaw-Swar, S. N., Y. Tabe. and T. Chikahisa
  • 学会等名: Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference
  • 発表場所: Omni Shoreham Hotel, Washington, D. C., USA
  • 年月日: 2010-08-08
• [学会発表] Performance and Liquid Water Distribution in PEFCs with Different Anisotropic Fibber Directions of the GDL (2010)
  • 著者名/発表者名: Kyaw-Swar, S.N., Y.Tabe., T.Chikahisa
  • 学会等名: Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference
  • 発表場所: Omni Shoreham Hotel, Washington, D.C., USA
  • 年月日: 2010-08-08
• [学会発表] 多孔体セパレータを有する固体高分子形燃料電池の性能特性に関する研究 (2010)
  • 著者名/発表者名: 那須拓哉, 森岡怜史, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 第15回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集
  • 発表場所: 早稲田大学,東京
  • 年月日: 2010-06-21
• [学会発表] 固体高分子形燃料電池の氷点下起動影響と電池内凍結現象の観察 (2010)
  • 著者名/発表者名: 難波陵二, 齋藤正尭, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 第15回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集
  • 発表場所: 早稲田大学,東京
  • 年月日: 2010-06-21
• [学会発表] Liquid Water and Gas Flow Simulation in a Channel of PEM Fuel Cells Using the Lattice Boltzmann Method (2010)
  • 著者名/発表者名: B. S. Yasser, Y. Tabe, and T. Chikahisa
  • 学会等名: Proceedings of FUELCELL2010 8th International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology
  • 発表場所: Marriott Hotel, New York, USA
  • 年月日: 2010-06-14
• [学会発表] 固体高分子形燃料電池性能に関わる触媒層構造の主要影響因子解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 西野昌芳, 田部豊, 近久武美
  • 学会等名: 第47回日本伝熱シンポジウム講演論文集
  • 発表場所: 札幌コンペンションセンター,札幌
  • 年月日: 2010-05-26
• [学会発表] Effect of Anisotropic GDL Fiber Directions on PEFC Performance and Liquid Water Distribution Analysis with Freezing Method (2010)
  • 著者名/発表者名: Kyaw-Swar, S.N., Y.Tabe, T.Chikahisa
  • 学会等名: 第47回日本伝熱シンポジウム講演論文集
  • 発表場所: 札幌コンペンションセンター,札幌
  • 年月日: 2010-05-26
• [学会発表] Analysis of liquid water discharge performance in a channel of PEM fuelcells using lattice Boltzmann method (2010)
  • 著者名/発表者名: B.S.Yasser, Y.Tabe, T.Chikahisa
  • 学会等名: 第47回日本伝熱シンポジウム講演論文集
  • 発表場所: 札幌コンベンションセンター,札幌
  • 年月日: 2010-05-26
• [学会発表] Microscopic Observation of Freezing Phenomena in PEM Fuel Cell at Cold Start (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Chikahisa
  • 学会等名: Tianda International Fuel Cell Workshop TIFCW 2009
  • 発表場所: Tianyu Hotel, Tianjin, China
  • 年月日: 2009-12-22
• [学会発表] PEFCにおける複雑繊維構造内液滴挙動のLBMシミュレーション (2009)
  • 著者名/発表者名: 佐々木、田部、近久
  • 学会等名: 日本機械学会北海道支部第48回講演会
  • 発表場所: 北海道大学、札幌
  • 年月日: 2009-11-28
• [学会発表] 機械工学的視点によるPEM形燃料電池内の現象解明～触媒量低減有効因子および起動時凍結現象～ (2009)
  • 著者名/発表者名: 近久武美
  • 学会等名: 化学工学会第41回秋季大会
  • 発表場所: 広島大学、広島
  • 年月日: 2009-09-17
• [学会発表] 高密度比格子ボルツマン法によるPEM燃料電池多孔質体内の気液流動シミュレーション (2009)
  • 著者名/発表者名: 田部、李、ベンサラー、近久
  • 学会等名: 日本機械学会2009年度年次大会
  • 発表場所: 岩手大学、盛岡
  • 年月日: 2009-09-16
• [学会発表] Liquid Water and Gas Flow Simulation in a Channel of PEM Fuel Cells using the Lattice Boltzmann Method (2009)
  • 著者名/発表者名: Ben Salah Yasser, Tabe, Chikahisa
  • 学会等名: 日本機械学会2009年度年次大会
  • 発表場所: 岩手大学、盛岡
  • 年月日: 2009-09-16
• [学会発表] 異方性ガス拡散層を持つPEFCの性能および凝縮水分布解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: ジョースワ、菊田、田部、近久
  • 学会等名: 日本機械学会動力エネルギーシンポジウム
  • 発表場所: 筑波大学、つくば
  • 年月日: 2009-06-29
• [学会発表] 多孔体セパレータを有する固体高分子形燃料電池の性能および内部現象解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 森岡、田部、菊田、近久、小境
  • 学会等名: 日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 京都国際会議場、京都
  • 年月日: 2009-06-04
• [学会発表] 固体高分子形燃料電池の氷点下起動影響と凍結現象 (2009)
  • 著者名/発表者名: 斉藤、田部、菊田、近久
  • 学会等名: 日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 京都国際会議場、京都
  • 年月日: 2009-06-02
• [備考]
  • URL: http://mech-hm.eng.hokudai.ac.jp/~ene-lab/
• [備考]
  • URL: http://mech-hm.eng.hokudai.ac.jp/~ene-lab/