電解質膜内磁気共鳴ミクロ画像計測に基づく燃料電池の熱物質輸送現象の解明と高性能化

電解質膜におけるプロトン移動機構に関して,これまでいくつか提案されてきた電解質膜内におけるプロトンの移動機構について,どの機構が主要であるかを実験により明らかにすることを目的とし,MRIにおける計測核種をH核とした場合,D核からの信号は得られないことを利用して,重水素(D_2)を発電途中から燃料として供給することにより,電解質膜内におけるH核とD核の置換過程のMRI計測を行い,考察を行った.その結果,重水素の供給の直後より水素極側付近においてH核の減少が確認され,これはVehicular機構,Surface機構では説明することが出来ず,プロトンホッピングと呼ばれるGrotthuss機構では説明することが可能であることが明らかになった.さらに、Grotthuss機構を組み込んだ数値解析の結果もMRI計測と良好な一致を示し,Grotthuss機構が電解質膜内におけるプロトンの移動として主要なものであることを明らかにした.開回路運転におけるMEAの劣化機構として,燃料電池の高耐久化のための加速劣化試験として,電流を流さずガスだけ供給するという開回路運転について,燃料電池のインピーダンス計測,SEM観察,排出ガスのガス成分微量分析を行い,酸素と電解質膜を透過した水素が酸素極で反応して過酸化水素を生成し,酸素側触媒層が劣化することを明らかにした.また,この劣化機構に基づき開回路電圧低下の数式モデルを構築し,このモデルに基づき運転条件の違いによる劣化速度の予測を試みた.

電解質膜におけるプロトン移動機構に関して,これまでいくつか提案されてきた電解質膜内におけるプロトンの移動機構について,どの機構が主要であるかを実験により明らかにすることを目的とし,MRIにおける計測核種をH核とした場合,D核からの信号は得られないことを利用して,重水素(D_2)を発電途中から燃料として供給することにより,電解質膜内におけるH核とD核の置換過程のMRI計測を行い,考察を行った.その結果,重水素の供給の直後より水素極側付近においてH核の減少が確認され,これはVehicular機構,Surface機構では説明することが出来ず,プロトンホッピングと呼ばれるGrotthuss機構では説明することが可能であることが明らかになった.さらに、Grotthuss機構を組み込んだ数値解析の結果もMRI計測と良好な一致を示し,Grotthuss機構が電解質膜内におけるプロトンの移動として主要なものであることを明らかにした.開回路運転におけるMEAの劣化機構として,燃料電池の高耐久化のための加速劣化試験として,電流を流さずガスだけ供給するという開回路運転について,燃料電池のインピーダンス計測,SEM観察,排出ガスのガス成分微量分析を行い,酸素と電解質膜を透過した水素が酸素極で反応して過酸化水素を生成し,酸素側触媒層が劣化することを明らかにした.また,この劣化機構に基づき開回路電圧低下の数式モデルを構築し,このモデルに基づき運転条件の違いによる劣化速度の予測を試みた.