非混入型分子トレーサ速度計測と酸素吸収分光を核とした燃料電池の統合的物質移動解明

• 研究課題/領域番号: 22246024
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 平井 秀一郎 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (10173204)
• 研究分担者: 津島 将司 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30323794) ; 植村 豪 東京工業大学, 大学院理工学研究科, 助教 (70515163) ; 西田 耕介 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 准教授 (00397043)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 47,450千円 (直接経費: 36,500千円、間接経費: 10,950千円); 2014年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2013年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円); 2012年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2011年度: 11,440千円 (直接経費: 8,800千円、間接経費: 2,640千円); 2010年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円)
• キーワード: エネルギー利用 / 燃料電池 / 物質輸送 / レーザ応用計測 / 吸収分光 / 可視化 / レーザ計測

研究成果の概要

燃料電池は、拡散層、触媒層、電解質膜などがサンドイッチ状に積層された面状の多孔質体の中で酸素、水素などの不均質な物質輸送と反応が生じていることが現象の解明を困難にしており、物質輸送ならびに反応分布を正確に把握することが重要である。レーザ速度計測は，パルスレーザー光を流路に対して垂直方向に照射することにより、アブレーションを起こし、流路水平方向からパルスレーザー光を一定の時間間隔で照射し、タグ物質からの発光を高速度カメラで撮影した画像からガス流速を測定する新しい手法を開発した。これと，酸素の濃度測定により、燃料電池が発電モードで、燃料電池の統合的な物質移動と反応を解明した。

研究成果

• [雑誌論文] Impacts of channel wettability and flow direction on liquid water transport in the serpentine flow field of a polymer electrolyte fuel cell (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, R. Taniguchi, Y. Ishizaki, S. Tsushima and S. Hirai
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: 275 ページ: 447-457
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.11.059
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cross-Sectional Visualization of Liquid Water Behavior and Evaluation of Wettability Effect in Cathode Channel of an Operating PEFC (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, T. Muranishi, Y. Ishizaki, S. Tsushima and S. Hirai
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: Vol.64, No.3 号: 3 ページ: 853-862
  • DOI: 10.1149/06403.0853ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] 固体高分子形燃料電池の流路構造および壁面濡れ性がカソード内液水輸送に与える影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 石崎勇吾，西田耕介，津島将司，平井秀一郎
  • 雑誌名: 化学工学論文集 巻: 40 号: 4 ページ: 320-326
  • DOI: 10.1252/kakoronbunshu.40.320
  • NAID: 130004463945
  • ISSN: 0386-216X, 1349-9203
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Separation analysis of electro-osmosis and diffusion of water in electrolyte membrane of PEMFC under low-humidity operation (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, T. Hosotani, M. Asa, S. Tsushima and S. Hirai
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: Vol.58, No.1 号: 1 ページ: 621-630
  • DOI: 10.1149/05801.0621ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of perforation structure of cathode GDL on liquid water removal in PEFC (2013)
  • 著者名/発表者名: G. Okuhata, T. Tonoike, K. Nishida, S. Tsushima and S. Hirai
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: Vol.58, No.1 号: 1 ページ: 1047-1057
  • DOI: 10.1149/05801.1047ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative estimation of water vapor distribution in low-humidity proton exchange membrane fuel cell using humidity test paper (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Nishida, Y. Yokoi, M. Asa, S. Tsushima and S. Hirai
  • 雑誌名: J. Power Sources 巻: Vol.234 ページ: 111-118
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.01.160
  • 査読あり
• [学会発表] PEFCカソード側MPLの緻密性が界面物質輸送と濃度過電圧に与える影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西田耕介，奥畑剛，津島将司，平井秀一郎
  • 学会等名: 第55回電池討論会
  • 発表場所: 国立京都国際会館
  • 年月日: 2014-11-19 – 2014-11-21
• [学会発表] PEFCカソード側MPLの微細構造が液水輸送と発電特性に及ぼす影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 奥畑剛，西田耕介，津島将司，平井秀一郎
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス2014
  • 発表場所: 芝浦工業大学（東京）
  • 年月日: 2014-11-08 – 2014-11-09
• [学会発表] 発電状態PEFCのカソード流路内液水挙動の断面可視化と壁面濡れ性の影響評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西田耕介，村西徹，石崎勇吾，津島将司，平井秀一郎
  • 学会等名: 第51回日本伝熱シンポジウム，(2014)
  • 発表場所: アクトシティ浜松・コングレスセンター（浜松市）
  • 年月日: 2014-05-21 – 2014-05-23
• [学会発表] PEFCカソード電極内水分輸送におけるマイクロポーラス層の影響評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 奥畑剛，大村究，西田耕介，津島将司，平井秀一郎
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス2013
  • 発表場所: 弘前大学（弘前市）
• [学会発表] 発電モードPEFCの電解質膜内における水分輸送の分離解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 西田耕介，細谷卓人，麻雅哉，津島将司，平井秀一郎
  • 学会等名: 第54回電池討論会
  • 発表場所: 大阪国際会議場（大阪市）
• [学会発表] 低加湿運転PEFCの電解質膜内における水分の電気浸透及び拡散現象の分離解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 細谷卓人，麻雅哉，西田耕介，津島将司，平井秀一郎
  • 学会等名: 第50回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: ウェスティン仙台及び仙台トラストシティ（仙台市）
• [学会発表] PEFC流路内のガス流速計測技術と発電分布 (2012)
  • 著者名/発表者名: 深堀大地 , 津島将司 , 西田耕介 , 平井秀一郎
  • 学会等名: 第49回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 富山国際会議場（富山県）
• [学会発表] In Situ Measurement of Flow Velocity in Gas Channel in a PEMFC by Laser Ablation Tagging Visuarization (2011)
  • 著者名/発表者名: D.Fukabori , S.Hirai , S.Tsushima , K.Nishida
  • 学会等名: 220th ECS meeting & Electrochemical Energy Summit
  • 発表場所: Boston, Massachusetts
• [学会発表] レーザーアブレーションタギングによるPEFC流路内のガス流動計測 (2011)
  • 著者名/発表者名: 深堀 大地 , 平井 秀一郎 , 津島 将司 , 西田 耕介
  • 学会等名: 第52回電池討論会
  • 発表場所: タワーホール船堀
• [学会発表] オゾン光吸収による燃料電池流路内非シード型速度計測 (2010)
  • 著者名/発表者名: 野田豊人, 津島将司, 平井秀一郎
  • 学会等名: 第47回伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 札幌