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疎水性ガス拡散層水分移動モデル化
下記2メカニズムを説明できる疎水性ガス拡散層(GDL)内水分移動モデルを提案した。
1.GDL-触媒層間隙内に水が充満しないメカニズム、
2.GDL内の細孔が水で充満せず、チャネルへの水排出と触媒層への酸素拡散供給の機能を維持するメカニズム。本モデルでは、GDLを、相互に連通した、面に垂直な、直径の異なる多数の円孔の開いた平板で模擬している。この平板上下面と円孔の内面は疎水性とする。この内部で水蒸気分圧が過飽和になると凝縮が開始される。この水分は表面張力のため、まず大径孔(20-30μm)に流入する。電池負荷が上昇し、触媒層における水蒸気発生量が増加すると、凝縮速度が増加し、これを管路の流路抵抗に抗して排出するためには、GDLの触媒層側の水分圧力が上昇し、この圧力が一定限度を超過すると、より小さな穴にも水が流入する。実験で求められた細孔系分布を入れて計算すると、1A/cm2程度の電流密度の時発生する水分は、断面積にして1%以下の大径孔(20-30μm)のみを通して排出できることが示された。
親水性ガス拡散層水分移動モデル化
水面に垂直に親水性円柱(直径1-30μm)を立て、その表面に液膜を形成し、この円柱に直角に空気流を当てて、この液膜の水分の蒸発量を計算した。これにより、触媒層側で水分が発生し、チャネル側で空気が流れているときの、親水性GDLからチャネル空気流中への水分蒸発量を計算した。この結果、1A/cm2程度の電流密度の時発生する水分に比べ、チャネル空気流速が1m/s、GDL空隙率0.5のときに、親水性GDLで蒸散させうる水分量の方がはるかに多く、親水性GDLの有用性が示された。
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