成果報告書詳細
管理番号20100000001600
タイトル平成18年度-平成21年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発 次世代技術開発 固体高分子形燃料電池の凍結・起動・解凍により生ずる性能劣化原因解明と診断技術適用の研究開発
公開日2010/9/30
報告書年度2006 - 2009
委託先名東京都市大学
プロジェクト番号P05011
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約固体高分子方燃料電池の実用化の課題である耐久性向上の一環として,氷点下おける凍結したまたは作動中に凍結するMEAの性能劣化の特性の評価と,劣化軽減手法の検討を行った.このような運転性や作動環境によって生じる性能劣化は,劣化部位が特定されず,かつ複合的な要因が考えられるため,新しい診断法の開発も併せ,次の課題を実施した.
 a. 氷点下起動時の特性解明と機動性向上
 b. 性能劣化の研究に必要な劣化診断法の開発
 c. 性能劣化の特性解明
 d. 性能劣化により生じる主要構成材料の性能・機能の低下
 e. 性能劣化軽減手法の検討
この結果,次に示すことがらが性能劣化の原因であることが想定できた.
 ○過度な低水分作動による界面イオノマーの破壊などによる機能低下
 ○凍結した触媒層下流部の凍結による非凍結部分(触媒層下流部)の圧搾による界面破壊
 ○・不均質な残存水分の凍結
  ・不均質発電分布
   に起因する炭素コロージョンの発生
性能劣化軽減対策の効果は,今年度は実施しなかったが,以下に示す方策
を今後検討していく.
 ○機能強化イオノマーの開発検討と使用
 ○不凍水分保有の高いMEA構成材料(触媒担体,イオノマー,GDLなど)の使用と調製法の検討
 ○凍結時の残存水分のマネージメントと発電電流値の最適化
 ○耐コロージョン性能の高い触媒担体の使用
また,研究開発の過程で,セルの作動温度を自己発熱により急速に昇温させることによって,生成した水分を電極内で凍結させないで起動させことが可能でありことが分かった.性能劣化に対する影響の評価が今後の課題である.
英文要約 In order to mitigate performance degradation caused by repetition of starting-up of frozen fuel cell, which is recognized to be one of major barriers of mass based commercialization of PEFC for power source of automobiles and home use co-generation systems, following subjects were carried out in this project.
a. Characterization of cell start-up under sub-zero conditions
b. Development of diagnostic technologies which are required to be used in this study
c. Characterization of performance degradation caused by repetition of starting-up of frozen fuel cell
d. Characterizing decay of functions of major component which consist fuel cell MEA (Membrane
Electrode Assembly)
e. Proposing method to mitigate performance degradation
It was made clear that repetition of cold start of 50 cycles of frozen MEA caused performance degradation of more than 20 percent in proton electrolyte fuel cells in case it was soaked under -30 deg. C environment and also component that showed functional decay is ionomer in cathode catalyst layer by applying variety of diagnostic technologies. Based on the understanding obtained by application of diagnostic technologies, followings are predicted to be major reasons of performance degradation.
a. Functional decay of cathode ionomer caused by insufficient or dry operation of MEA under sub-zero
condition, which is nature of sub-zero starting-up of frozen cell.
b. Destroy of interface between catalyst and ionomer caused by distortion of half part of catalyst layer of
PEM side caused by the inflation of the other part of catalyst layer by freezing
c. Occurrence of carbon corrosion by inhomogeneous in-plane generation and inhomogeneous icing of
cathode catalyst layer
Following practical technologies are proposed to minimize performance degradation to be caused by starting-up of frozen MEA.
a. Development and application of mechanically and chemically enhanced catalyst ionomar
b. Chose high freeze-free water containing materials in electrode and development of fabrication
technology which enables to contain high freeze-free water in MEA
c. Water management before freezing MEA
d. Use of catalyst support which have high anti-corrosive performance such as graphitized carbon
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