固体高分子燃料電池の液水輸送や相変化を考慮した非定常発電特性のモデリング

• 研究課題/領域番号: 25820058
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 荒木 拓人 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90378258)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2015年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2014年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2013年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 固体高分子形燃料電池 / 熱物質輸送

研究成果の概要

固体高分子燃料電池(PEFC)は，排気がクリーンで分散型電源としては高効率なことから省エネルギー・低炭素社会における次世代エネルギー変換デバイスとして期待されている．しかし，このPEFCは高電流密度運転において液水が詰まり活物質の輸送を阻害するという問題がり，その対策としてPEFC内の液水輸送および液水凝縮についての理解が必要であった．しかしながらこの液水輸送と相変化現象はPEFC内の温度分布，反応分布，各種ガス濃度分布と相互に影響を与え合うため，理解が難しかった．そこで，本研究では上記全ての現象を連成して非定常に解析できる数値モデルを開発しそれぞれの影響を明らかにした．

研究成果

• [雑誌論文] Simultaneous Measurements of Liquid Water Distributions and Catalyst Layer Surface Temperature inside Operating PEMFC Catalyst Layer (2015)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Watanabe, Jun Tsujikawa, and Takuto Araki
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 69(17) 号: 17 ページ: 447-483
  • DOI: 10.1149/06917.0477ecst
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Conjugate Analysis of Heat-Species-Charge Transport for Evaluating Effects of the Temperature Gradient on Cell Performance Modeling (2015)
  • 著者名/発表者名: Kiyofumi Miyagawa and Takuto Araki
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 69(17) 号: 17 ページ: 93-107
  • DOI: 10.1149/06917.0093ecst
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In Situ Humidity Measurements at the CL Surface By MEMS-Based Sensors Catalyst Layer (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun Tsujikawa, Ryotaro Minami, and Takuto Araki
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 69(17) 号: 17 ページ: 471-476
  • DOI: 10.1149/06917.0471ecst
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Numerical Analysis Considering the Effects of Liquid Water on PEMFC Unsteady Performance (2014)
  • 著者名/発表者名: Fukuda, T. and Araki, T.
  • 雑誌名: ECS Transaction 巻: 64 号: 3 ページ: 581-592
  • DOI: 10.1149/06403.0581ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] 41.Modelling and Measurements of Temperature Distributions inside MEA and Its Effects on Water Transport (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuto Araki, Toshiki Sugimoto, Yasuyuki Minegishi and Masaru Higuchi
  • 雑誌名: ECS Trans. 巻: 64 号: 3 ページ: 619-9628
  • DOI: 10.1149/06403.0619ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] PEFC用GDL流路界面における物質伝達抵抗および内部有効拡散係数の異方性測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 金子 春樹*, 太田 公一*, 清水 雅也*, 荒木 拓人
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集Ｂ編 巻: 79 号: 797 ページ: 71-81
  • DOI: 10.1299/kikaib.79.71
  • NAID: 130003374728
  • ISSN: 0387-5016, 1884-8346
  • 査読あり
• [雑誌論文] SOEC水蒸気電解システムのサイクル計算とエクセルギー解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 武藤 崇史, 水澤 竜也, 森 昌史, 荒木 拓人
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集Ｂ編 巻: 79 号: 808 ページ: 2582-2586
  • DOI: 10.1299/kikaib.79.2582
  • NAID: 130003386359
  • ISSN: 0387-5016, 1884-8346
  • 査読あり
• [雑誌論文] 固体高分子形燃料電池内の液水分布状態可視化と非定常発電特性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荒木 拓人
  • 雑誌名: 「燃料電池」 巻: 13-3 ページ: 9-13
• [学会発表] Multipoint Measurements of Local Temperature in PEMFC by using Thin Film Thermocouples (2016)
  • 著者名/発表者名: Koki Kobayashi, Jun Tsujikawa, Takuto Araki
  • 学会等名: The Fisrt Pacific-Rim Thermal Engineering Conference
  • 発表場所: Hawaii, Waikoloa Beach Marriott Resort &Spa, USA
  • 年月日: 2016-03-16
  • 国際学会
• [学会発表] Three-Dimensional Unsteady Numerical Analysis of a PEMFC Considering Effects of Liquid Water Transport in a Gas Channel with Micro Grooves (2016)
  • 著者名/発表者名: Koji Takaya, Takuto Araki
  • 学会等名: Fisrt Pacific-Rim Thermal Engineering Conference
  • 発表場所: Hawaii, Waikoloa Beach Marriott Resort &Spa, USA
  • 年月日: 2016-03-15
  • 国際学会
• [学会発表] 固体高分子形燃料電池内の湿度測定に向けた MEMS センサの小型化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻川 順，小林 航輝，南 凌太郎，荒木 拓人
  • 学会等名: 第 7 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2015-10-29
• [学会発表] 新形式ガス流路がPEFC内部の非定常応答に与える影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 髙谷 洸司, 荒木 拓人
  • 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
  • 年月日: 2015-10-25
• [学会発表] 薄膜熱電対を用いたPEFC内局所温度の多点同時測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小林 航輝, 辻川 順 , 荒木 拓人
  • 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
  • 年月日: 2015-10-25
• [学会発表] 液水分布のX線CT可視化および薄膜熱電対を用いた触媒層表面温度の in situ 同時測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻川順，渡邊健太郎，荒木拓人
  • 学会等名: 第52回伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2015-06-04
• [学会発表] アイオノマ表面の液水輸送抵抗がPEFCの性能に与える影響に関する非定常数値解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 宮川聖史，峰岸泰之，荒木拓人
  • 学会等名: 第52回伝熱シンポジウム
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 2015-06-03
• [学会発表] in-situ の GDL の有効熱伝導率測定に向けた MEMS センサの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 杉本 俊樹, 金 スンヨン, 荒木 拓人
  • 学会等名: 第 35 回日本熱物性シンポジウム
  • 発表場所: 東京工業大学
  • 年月日: 2014-11-22
• [学会発表] 温度分布と凝縮速度に着目したPEMFC 内の熱物質輸送および電気化学反応の連成解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 峰岸泰之, 宮川聖史, 荒木拓人
  • 学会等名: 熱工学コンファレンス2014
  • 発表場所: 芝浦工業大学
  • 年月日: 2014-11-08
• [学会発表] Development of Water Mangaement Techniques for Each Component of a PEMFC (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Utaka, T. Araki, H. Matsumoto, T. Munakata, H. Ito, S. Someya, A. Nakano, J. Zhang, S. Wang
  • 学会等名: The 25th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-25)
  • 発表場所: Krabi, Thailand
  • 年月日: 2014-11-05
• [学会発表] Effects Of Water Distribution Modes on Gas Diffussivity in PEMFC Gas Diffusion Layer (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Watanabe, and T. Araki
  • 学会等名: The 25th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-25)
  • 発表場所: Krabi, Thailand
  • 年月日: 2014-11-05
• [学会発表] 固体高分子形燃料電池触媒層表面の温度・湿測定に向けたセンサ開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: キム スン ヨン, 杉本 俊樹, 荒木 拓人
  • 学会等名: 第6回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • 発表場所: くにびきメッセ，松江市
  • 年月日: 2014-10-21
• [学会発表] 7.The Unsteady Water Transport Model Development Through The PEM-GDL Interface Of PEFCS (2014)
  • 著者名/発表者名: Jun TSUJIKAWA, Takanori FUKUDA, Konosuke WATANABE, Kazuma EMOTO and Takuto ARAK
  • 学会等名: Joint Symposium among Sister Universities in Mechanical Engineering
  • 発表場所: Port Opening Memorial Hall, Yokoham
  • 年月日: 2014-08-16
• [学会発表] Numerical Analysis of Heat–Mass-Charge Transport Phenomena in a PEMFC (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki MINEGISHI, Kiyohumi MIYAGAWA and Takuto ARAKI
  • 学会等名: Joint Symposium among Sister Universities in Mechanical Engineering
  • 発表場所: Port Opening Memorial Hall, Yokoham
  • 年月日: 2014-08-16
• [学会発表] Measurements of the Temperature Distribution of a PEMFC Catalyst Layer Using an Ultra Thin Thermocouple Array (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuto Araki, Toshiki Sugimot
  • 学会等名: The international heat transfe confernece
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2014-08-11
• [学会発表] Developments of Thin-Film Temperature and Humidity Sensors for PEMFC In-Situ Measurements (2014)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sugimoto, Yuhei Horiuchi, and Takuto Araki
  • 学会等名: ASME 2014 12th Fuel Cell Science, Engineering and Technology Conference
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2014-06-30
• [学会発表] MEMSセンサを用いたPEFC内のin-situ湿度測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 杉本俊樹, 堀内悠平, 荒木拓人
  • 学会等名: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: アクトシティ浜松
  • 年月日: 2014-05-21
• [学会発表] 運転条件がPEFC内水部輸送形態へ与える影響に関する数値解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 樋口勝，赤井勇樹，峰岸泰之，荒木拓人
  • 学会等名: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • 発表場所: アクトシティ浜松
  • 年月日: 2014-05-21
• [学会発表] Numerical Analysis of PEMFC Unsteady Performance Considering Water and Thermal Transport (2013)
  • 著者名/発表者名: Takanori Fukuda, Akira Sato, and Takuto Araki
  • 学会等名: 224th Electrochemical Society Meeting
  • 発表場所: San Fransicco, USA
• [学会発表] Developments of MEMS-based Thermocouple Array for Sensing Effects of a Flow Channel on PEMFC Local Temperature Distribution (2013)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sugimoto, Yuhei Horiuchi, Takuto Araki
  • 学会等名: 11th ASME International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels
  • 発表場所: Sapporo, Japan
• [学会発表] 最新の燃料電池内測定技術と将来展望 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荒木拓人
  • 学会等名: (社)日本フルードパワーシステム学会, フルードパワーシステム特別研修会
  • 発表場所: 機械振興会館（東京都）
  • 招待講演
• [学会発表] MPLおよび相変化を考慮した非等温球状アグロメレートモデルによる性能解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 樋口勝, 荒木拓人, 堀内悠平
  • 学会等名: 第50回伝熱シンポジウム
  • 発表場所: ウエスティンホテル仙台
• [学会発表] PEFC 用 GDL 内液水分布モードの可視化および拡散抵抗の数値解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 西田洋介, 吉原圭亮, 荒木拓人
  • 学会等名: 第50回伝熱シンポジウム
  • 発表場所: ウエスティンホテル仙台
• [学会発表] MEMS センサーを用いた固体高分子形燃料電池内の in-situ 湿度測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 堀内悠平, 杉本俊樹, 荒木拓人
  • 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
• [学会発表] Visualization of water droplets distributions inside PEMFC GDL (2013)
  • 著者名/発表者名: Takuto Araki
  • 学会等名: Japan-Korea Joint Seminar on Heat Transfer VII
  • 発表場所: Kyushu University