成果報告書詳細
管理番号20100000001606
タイトル平成20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用多孔体内における熱・物質移動現象の単体評価技術の研究開発
公開日2010/9/30
報告書年度2008 - 2009
委託先名国立大学法人横浜国立大学 日産自動車株式会社
プロジェクト番号P05011
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約本報告は,諸解析に必要となる評価技術の体系を構築し、GDL内における物質輸送現象の機構理解に資することを目的として、平成20年度-平成21年度にわたり、標記のテーマを遂行した成果をまとめたものであり、各研究開発項目の内容と目標に対応する総括結果は次のようにまとめられる。
(1)含水条件下を含めたGDLの酸素拡散特性計測手法の確立
 GDL単品の酸素拡散特性を高精度に計測可能な手法を確立できていることを目標とした。2次元濃度分布の影響を考慮した酸素拡散係数導出法を開発し、GDL単体の酸素拡散係数の計測精度の向上について、誤差要因の解析とそれにもとづく対策を検討した。その結果、測定装置の安定性を高めることに基づく測定精度の向上により、(含水率1.0>s>0.1の範囲で約,最も測定精度の確保が難しい条件のs=0で約と推定)の目標値を達成した。
(2)GDL内液水挙動の可視化手法の確立
 空間分解能30um、透過画像の時間分解能120秒/Frameの精度でGDLの構造、液水の可視化が可能な計測手法を確立できていることを目標とした。
 空間および時間分解能の目標精度を達成し、GDL構造、液水の可視化が可能な計測手法の確立ができた。
(3)GDL内液水分布と酸素拡散特性の同時計測手法の確立
 GDL内の液水挙動によって形成される細孔構造内液水分布が酸素拡散特性に及ぼす影響を一連の現象として解析すべく、研究開発項目1および2と同様の目標精度でGDLの酸素拡散特性と液水分布の同時計測手法を確立することができた。
 中性子線装置とガルバニ電池式酸素吸収体を用いてGDL内の液水分布と酸素拡散特性の同時計測評価を実施し、GDLの酸素拡散特性と液水分布の同時計測が、研究開発項目1と2と同様な精度の下に可能な計測手法の確立を確認した。
(4)発電時におけるGDL内液水分布の可視化手法の確立
 発電中のGDL内液水分布をX線可視化手法(XRG)を用いて可視化する手法を確立し、発電中と単体評価時のGDL内の液水分布を比較することで、単体評価手法としての改良の必要性及びその方向性を見定めることを目標とした。また、 得られた知見またはその知見に基き導出した新たなガス拡散層を発電条件下で検証・評価することを目標とした。
 定量化精度に課題は残るが発電中のGDL内液水量をXRGを用いて可視化する手法を確立した。XRGの精度検証の過程から、本研究開発で対象とする暖機後条件においては、発熱によりGDL内の含水率は低く、発電性能に対しては熱輸送の影響が大きいことが知見として得られた。今後は、発電性能に対するGDL内液水分布の影響が大きいと考えれる暖機運転時の現象解析において、本単体評価手法を活用していく。
(5)セルでの発電時を想定した境界条件設定手法の確立
 発電中を想定した境界条件を模擬した単体評価手法案が提案できていることを目標とした。
 傾斜マイクログルーブを付加したセパレータ内ガスチャネル壁構造の採用により、キャピラリー流れおよびチャネルガス流せん断力を利用する液水移動形態を提案し、模擬流路実験により良好な液水移動の写真観測からねらいとする液水の移動を確認した。さらに、LIF法を適用して流動状態の可視化を進めている。
 以上記したように、提案の研究開発項目(1)-(5)について、目標事項をほぼ達成することができた。
英文要約Yokohama National University and Nissan Motor Co., Ltd. have carried out “Development of evaluation technology of thermal and transport characteristics inside porous media for PEMFC” since FY 2008. The final target is a cost reduction which is one of technical issues against commercialization of fuel cell vehicle. Understanding of thermal and transport characteristics of porous media contributes to reduce over-voltage in the case of high current density operation, as a result it leads to cost reduction. This activity is consisted of 5 themes as follows.
(1) Development of measuring method of effective oxygen diffusivity of gas diffusion layer (GDL) with moisture; The measuring method of effective oxygen diffusivity of micro porous media of GDL was developed by using the experimental apparatus of modified galvanic battery type oxygen absorber under the presence of moisture. Furthermore, the characteristics of oxygen diffusivity were measured with a high degree of accuracy.
(2) Development of visualization technology of liquid water transport inside GDL; A target of spatial and temporal resolution was achieved by applying neutron radiography. Furthermore, measurement by X-ray which has advantage compared to neutron radiography in terms of spatial resolution has been carried out.
(3) Development of simultaneous measurement technology about water distribution and oxygen diffusivity inside GDL; This target was achieved by combining theme (1) and theme (2).
(4) Development of visualization technology of liquid water distribution during operation; The visualization technology of liquid water distribution during operation using X-ray radiography (XRG) has been developed, but there remains an issue on the quantification of liquid water saturation. During the verification process of XRG, it was found that the thermal characteristics of GDL strongly affect on the cell performance after warm-up, compared to the liquid water distribution in GDL. According to this result, it is beneficial to utilize the measuring method of effective oxygen diffusivity in order to analyze the transport phenomena in warm-up condition.
(5) Development of configuration of boundary conditions in the cell under the condition of power generation; The configuration of gas channel wall and the visualization of water behavior in the gas channel are developing to evaluate and analyze the interaction between channel wall and GDL configuration by which the polarization phenomena under the high electric current density is affected.
Based on the results of FY2008 and 2009, we achieved a final target of each theme.
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