【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】19360095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体高分子形燃料電池 / MEMS / ガス拡散層 / 熱工学 / 輸送現象論 / 燃料電池 / MEMS技術 / 可視化 / 微細加工 / 拡散層 / チタン / 徴細加工 / モデル化

【研究成果の概要】

エネファームや燃料電池自動車、携帯用電源として実用化された固体高分子形燃料電池(PEFC)の中では、燃料や酸素のガスの反応と、これらのガスや生成する水などの輸送とが複雑に相互作用しながら進行しているが、両者を理論的に検討するための新たな手法として、ガスなどの輸送を極めて簡単にモデル化できるMEMS技術を用いて作成した新たな電池部材(ガス拡散層)を提案し、その有用性を示すことに成功した。また、この新たな部材を用いたPEFC高性能化の可能性を示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】13555052 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体高分子形燃料電池 / サーモグラフィー / 可視化 / 数値計算 / 分光計測 / 固体高分子型燃料電池 / 凝縮

【研究成果の概要】

固体高分子形燃料電池(PEFC)のさらなる効率向上のために熱工学的なアプローチが貢献できる課題として、セル内の水と温度分布の管理が挙げられる。本研究の目的は、様々な運転条件下でのPEFC内部の熱流動場を可視化し、得られた情報を基にPEFCの高性能化を目指すことにある。セパレータの一部に当該波長域を透過する窓材を利用することにより、(1)マイクロチャンネル内の流動状況を可視化し、(2)膜内の含水量分布は部分的に赤外光を透過するようにした後、赤外吸光により計測し、(3)温度分布はカーボン電極の低熱抵抗・高射出率を積極的に利用し、サーモトレーサによる可視化を行う。さらに、(4)運転時の膜内含水分布に関する知見を得ることも目指す。
温度分布の可視化により、運転条件にも依存するものの、流路入り口付近にホットスポットが存在することが明らかになった。これは研究者らの知る限りにおいて、世界初の観察結果である。またこの温度分布は運転条件により大きく変化することが認められ、カウンタフローでは分布の平坦化が実現可能であることも示した。また含水分布と流動状況の可視化により流路出口付近の含水量が多いこと、フラディングが生じることが認められるとともに、時間とともに含水量が変化する様子も明らかになった。これらの可視化結果と既に開発済みの数値計算コードの援用により、高効率運転のための最適運転条件探索の考え方を提示することに成功し、PEFC開発に多大な貢献をもたらす成果につながっている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】10,800千円 (直接経費: 10,800千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】12555056 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

固体高分子形燃料電池(PEFC) / 分子動力学法 / 分子構造 / 触媒 / 反応 / 熱・物質輸送 / 電気化学反応 / 連成現象 / 固体高分子型燃料電池 / 数値計算 / 触媒活性試験 / 解離吸着 / マイクロチャンネル / ナトリウムイオン / 拡散定数 / 電流密度 / 可視化

【研究成果の概要】

本研究の目的は、固体高分子形燃料電池(PEFC)内部のミクロな諸現象に注目し、その理解をもとにPEFCのさらなる高性能化を目指すことにある。さらに、このような視点に立った取り組みがPEFC開発に必要であるという概念を世に問うことも意図している。上記目的実現のため、本研究では具体的に以下の3点に焦点を絞り取り組み、以下の成果を得た。
1.固体高分子膜内のミクロ輸送現象:膜内の分子構造をモンテカルロ法により再現し、その中での陽イオンの輸送特性を定量評価するための古典分子動力学コードを開発した。これらによりプロトン輸送のポトルネック、膜内で拡散係数が低下する要因が明らかとなり、高イオン伝導膜開発の指針を与えることが可能となった。
2.カソード側触媒におけるミクロ反応機構:カソード側触媒の性能向上が効率向上、コスト削減の重要課題であることに鑑みて、その反応機構を再現する量子分子動力学コードを開発した。これにより、カソード触媒表面での反応パス、律速過程が明らかとなり、理想的な脱白金・高効率触媒開発を睨んだ検討が可能となった。
3.マイクロチャンネルにおけるガス流動検討:マイクロチャンネル内のガス流動管理がシステムとしての効率向上に重要であることに鑑みて、電気化学反応・熱流動の連成現象解析のための数値計算コードを開発した。これにより、温度・加湿などの運転条件やガス流れ方向などのパラメータに関する運転条件向上指針を与えることが可能となった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】9,800千円 (直接経費: 9,800千円)