Visualization Measurement of Water in Anode of PEFC under Low Humidity Operation using Water Sensitive Paper

Abstract

次世代の自動車用動力源として実用化、普及が期待され ている固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、システムの簡略化、低コスト化、高出力化の 観点から、外部加湿器を必要としない高温低加湿運転対応 のセル・スタックの開発が強く求められている。しかしな がら、低加湿運転時においては、特にアノード側の水分 濃度が低下することによって、高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane, PEM)が乾燥し、イオン伝導性が著 しく悪化する「ドライアウト現象」が生じる。このドライ アウト現象による PEFCセルの発電性能の低下を防ぐため には、アノード側における適切な水分管理が重要であり、 そのためのセル内水分輸送現象の基本的理解は必要不可欠 となる。 PEFC内の水分輸送を明らかにするための実験・計測 については、近年、中性子ラジオグラフィー や、X線 CT 、光学的手法 により、発電モードの PEFCセル のガス拡散層(Gas Diffusion Layer, GDL)や流路内部にお ける凝縮水の生成、排出過程を直接可視化する試みが多く 行われている。また、MRIを用いて PEM内の水分布を insituで計測する研究もなされている 。さらに、ガスクロ マトグラフを用いて、アノード、カソード両極での水蒸気 濃度分布を測定した事例も幾つかあり 、アノード流路 内における水蒸気濃度分布は、PEM内の電気浸透による水 輸送や、濃度勾配による逆拡散と密接な相関関係を有して いることがこれまでに報告されている。文献 20-22)によれ ば、アノード入口の供給ガスを無加湿とした場合、カソー ドからアノード側への生成水の逆拡散によって、アノード 流路内の水蒸気濃度は流れ方向に沿って単調に上昇してい くことが知られている。一方、カソード入口の供給ガスを 無加湿とし、アノード入口のガスのみを加湿した場合、ア ノード流路内における流れ方向の水蒸気濃度分布は、最初、 電気浸透現象やカソード側への拡散によって一旦減少する ものの、下限値を越えた後はカソード側からの逆拡散によ 感水試験紙を用いた低加湿運転 PEFCのアノード側水分状態の可視化計測