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固体高分子形燃料電池(PEFC)は電極面積の拡大に伴い、出力低下、寿命低下が生じるという報告がされている。研究者はその原因を構成部材の一つである拡散層を通じてのガス流路間のリークと考えた。リーク量は拡散層の透過率に依存するが、締め付け圧力や発電時の水の生成によりその透過率は変化すると予想し、昨年度作成した、拡散層リーク測定用のセルを用い、拡散層の透過率に及ぼすガス流量、電流密度および発電時間の影響を定量的に評価した。その結果、拡散層内の水の滞留量はそれまでの電流密度・発電時間に依らず、ガス流量に依存することがわかり、そしてセル電圧と水蓄積量の相関を得た。次に実験で得た透過率を基に、拡散層内ガスリーク量とカソード側酸素物質移動速度をモデル化した。そしてこれまで研究者が作成してきたPEFC内の電気化学反応と熱流動を連成させた解析コードに、このモデル式を組み込み、発電時の拡散層内の対流拡散現象を含む実機規模のセルにおけるPEFC反応流動連成解析コードを開発した。この解析により拡散層を通るリーク流れは流路形状に依存し、流路が長い場合や、浅い場合等、高圧損になるほど顕著になり、反応ガスの不均一流れにより電流密度が不均一になることがわかった。一方で拡散層内の酸素物質移動性能は向上し、セル電圧は向上することがわかった。また流路形状の工夫により、拡散層内のガス流れを制御し、電流密度均一化、出力性能向上が図れる可能性があることを明らかにした。今後は作成した拡散層リーク流れを含むPEFC解析モデルを用い、ガス流量の偏りが少なく、高出力が得られる最適形状、最適条件を決定する。そして同形状のセルを作成して発電性能を計測し、PEFCセルの高性能化を確認する。
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