固体高分子型燃料電池における水分濃度勾配生成現象とプロトン移動機構の解明

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固体高分子型燃料電池は,出力電流密度が高く,低温作動が可能であるため,次世代の自動車用動力源として,現在,注目されている.しかしながら,固体高分子電解質膜のプロトン伝導性は膜の乾燥に伴い大きく減少するため,膜の湿潤状態の管理が重要である.本研究課題においては,磁気共鳴イメージング(MRI)による発電中におけ多燃料電池膜内の水分布を直接計測する手法を開発し,膜内の水分輸送機構を基礎的に明らかにすることを目的としている.本年度は,電解質膜内におけるカソード側からアノード側への生成水の拡散流束に着目し,従来,報告されている電解質膜の薄膜化による拡散流束の増大,すなわち電解質膜の含水促進に関する実験を行った.具体的には,膜厚の異なる電解質膜を用いて燃料電池セルによる発電実験を行い,電解質膜の薄膜化がもたらす導電抵抗低減効果は,従来,考えられているよりも小さいことが電気化学インピーダンス計測により明らかになった.この要因を昨年度,開発したMRI計測技術を適用することにより調べたところ,電解質膜の含水量は,薄膜化とともに減少するという新たな知見を得た.さらに,薄膜化によって実現できる高出力電流密度域においても,電解質膜の含水量は増加せず,出力電流密度の増大とともに電解質膜の含水量が低下する傾向があることが明らかになり,電解質膜内の水分輸送において,電気浸透が大きく影響を与えていることが明らかになった.