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2018 年度 実績報告書

PEM形燃料電池の氷点下起動におけるマルチスケール水輸送・凍結分布制御

研究課題

研究課題/領域番号 17H03178
研究機関北海道大学

研究代表者

田部 豊  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80374578)

研究分担者 近久 武美  北海道大学, 工学研究院, 特任教授 (00155300)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード熱工学 / 燃料電池
研究実績の概要

固体高分子形燃料電池の氷点下環境からの起動における電池内のマルチスケール水輸送・凍結機構を明らかにするとともに、耐氷点下起動性ならびに耐久性向上のための触媒層・MPL・ガス拡散層構造および制御手法を提示することを目的とし、検討および実験方法の確立を行った主な成果を以下にまとめる。
1.自動車に搭載されるスタック中央部のセルの断熱環境を模擬するために、集電板の外側に直接ヒータおよび断熱版を設置し、より短時間での昇温過程を模擬できる実験方法を構築した。これを用いて-10℃~-15℃の範囲からの温度上昇過程を模擬した氷点下起動を起こった結果、-14℃では起動に成功する場合としない場合が観測され、MPL/CL界面に滞留する生成水が氷点下起動の成否を決めていることが推察された。
2.親水性カーボンファイバーMPLを導入し、-18℃のより低い温度からの起動が可能なことを確認した。また、親水性カーボンファイバーMPLが、期待通りに界面に滞留した液水を除去、MPL内部への生成水の移動を促進させ、氷点下起動に適した構造であることを示した。
3.低温において、GDLからのより効率的な凝縮水排出を実現するために、GDL表面を親水化処理する手法を提案した。まず格子ボルツマンシミュレーションにより、表面親水化処理はGDL内部の滞留水量を抑制する効果があることを確認した。さらに前年度までに構築した拡大スケールモデル実験からも滞留水量の抑制を確認するとともに、内部の液水の吸出し効果の促進も示唆された。
4.バス用途のカーボンセパレータ中心部を想定した断熱条件を模擬し、生成水の凍結による起動停止なく-30℃から0℃以上に達せさせることに成功した。このために、親水性カーボンファイバーMPLを使用するとともに、初期のドライアウトを防ぐために2ステップの電流負荷方法が有効であることを示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究目的に則した研究実施計画通りに研究を進めることができた。特に、バス用途のカーボンセパレータ中心部を想定した断熱条件を模擬し、生成水の凍結による起動停止なく-30℃から0℃以上に達せさせることに成功した。これにより、次年度からのより高度な氷点下起動方法の検討を予定通りに順調に進められると考えている。

今後の研究の推進方策

スタック中央部のセル環境を模擬した断熱模擬方法をさらに発展させ、零度以上に達した後の運転も含めた氷点下起動の高度化を目指す予定である。ここで、より低温からの起動を可能とするために、膜の含水状態に応じたより複雑な電流負荷方法や、MPLの親水性と疎水性のハイブリッド構造などの検討も進めていくことを考えている。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2018

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Analysis of Water Transport inside Hydrophilic Carbon Fiber Micro-Porous Layers with High-Performance Operation in PEFC2018

    • 著者名/発表者名
      Aoyama Yusuke、Tabe Yutaka、Nozaki Ryo、Suzuki Kengo、Chikahisa Takemi、Tanuma Toshihiro
    • 雑誌名

      Journal of The Electrochemical Society

      巻: 165 ページ: F484~F491

    • DOI

      doi: 10.1149/2.0801807jes

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Scale model experiments for evaluation of liquid water transport in the gas diffusion layer of PEFCs2018

    • 著者名/発表者名
      TABE Yutaka、SAKAIDA Satoshi、CHIKAHISA Takemi
    • 雑誌名

      Journal of Thermal Science and Technology

      巻: 13 ページ: 1~15

    • DOI

      doi: 10.1299/jtst.2018jtst0025

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Experimental Study on the Balance between Microscopic Water Production and Temperature Rise during Cold Startup in PEFC2018

    • 著者名/発表者名
      Onishi Fumito、Tabe Yutaka、Chikahisa Takemi
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 86 ページ: 89~96

    • DOI

      doi:10.1149/08613.0089ecst

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Study on PEFC Gas Diffusion Layer with Designed Wettability Pattern Tolerant to Flooding2018

    • 著者名/発表者名
      Sakaida Satoshi、Tabe Yutaka、Chikahisa Takemi、Tanaka Kotaro、Konno Mitsuru
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 86 ページ: 111~118

    • DOI

      doi:10.1149/08613.0111ecst

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Experimental Analysis of Oxygen Transport Resistance for Different Types of Ionomer in PEFC Catalyst2018

    • 著者名/発表者名
      Iiri Takumi、Tabe Yutaka、Chikahisa Takemi
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 86 ページ: 141~150

    • DOI

      doi:10.1149/08613.0141ecst

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Analysis of Oxygen Transport Resistances in the Catalyst Layers with Different Carbon Supports in PEFC2018

    • 著者名/発表者名
      Satake Takayasu、Tabe Yutaka、Chikahisa Takemi
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 86 ページ: 171~178

    • DOI

      doi:10.1149/08613.0171ecst

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] PEFCの低温・高温条件下における触媒層内外の酸素輸送抵抗解析2018

    • 著者名/発表者名
      野崎涼、田部豊、近久武美
    • 学会等名
      第55回日本伝熱シンポジウム
  • [学会発表] 固体高分子形燃料電池の触媒層内イオノマーおよびカーボン種類に対する酸素輸送抵抗比較2018

    • 著者名/発表者名
      飯利拓実、田部豊、近久武美
    • 学会等名
      第55回日本伝熱シンポジウム
  • [学会発表] PEM型燃料電池の温度上昇過程における氷点下起動特性2018

    • 著者名/発表者名
      大西史人、田部豊、近久武美
    • 学会等名
      第55回日本伝熱シンポジウム
  • [学会発表] PEFCカソード触媒層におけるカーボン担体構造が酸素輸送に及ぼす影響解析2018

    • 著者名/発表者名
      佐竹孝保、田部豊、近久武美
    • 学会等名
      第55回日本伝熱シンポジウム
  • [学会発表] Trial of applying graphene nano platelet to catalyst layers of a PEFC2018

    • 著者名/発表者名
      Abhay Kumar、Takumi Iiri、Takayasu Satake、Yutaka Tabe、Takemi Chikahisa
    • 学会等名
      16th International Heat Transfer Conference (IHTC-16)
    • 国際学会
  • [学会発表] 固体高分子形燃料電池のセパレータ-ガス拡散層における大規模LBM凝縮水輸送解析2018

    • 著者名/発表者名
      境田悟志、田中光太郎、金野満、田部豊、近久武美
    • 学会等名
      日本機械学会2018年度年次大会
  • [学会発表] Effect of wettability design on water transport in GDL of PEFCs analyzed by scale model experiment and LBM simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Can Enes Muhammet、Yutaka Tabe、Takemi Chikahisa、Satoshi Sakaida
    • 学会等名
      日本機械学会第9回マイクロ・ナノ工学シンポジウム

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公開日: 2019-12-27  

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