流れ 2012年9月号 目次
― 特集テーマ：燃料電池の流れ ―
｜ リンク一覧にもどる ｜ |
燃料電池内部の酸素輸送特性の計測・解析技術
久保則夫
|
１．はじめに
燃料電池自動車の本格普及には，燃料電池の低コスト・小型化および燃料インフラの整備が解決すべき重要課題となっている．コスト低減・小型化には単位反応面積あたりの発電電力を増大させること（高電流発電時のセル電圧低下を抑制すること）が有効であり，その実現にはプトロン・電子輸送に起因する抵抗分極，酸素輸送に起因する濃度分極の低減が不可欠となる[1]．濃度分極は空気極のガス流路と触媒層の反応サイト間の酸素輸送媒体（ガス拡散層，マイクロポーラス層および触媒層）の気孔部および固体電解質部の輸送抵抗の影響を受けることが示されているが[2]，その部位別の寄与度や詳細なメカニズムは未だ明らかにされていない．このような状況を鑑み，筆者らは燃料電池用多孔質材の酸素輸送特性を定量的に計測する手法を開発した．さらに，酸素の輸送媒体となる各要素部材のミクロ構造の可視化・再構成技術を確立するとともに，得られた実構造をベースとした酸素輸送特性の予測手法の研究開発を進めている．本稿では，その開発状況と今後の課題を紹介したい．
２．酸素輸送特性の計測
燃料電池の酸素輸送抵抗計測には，低酸素濃度の酸化剤ガスを用いた発電評価（限界電流法）が用いられている[2]．同手法はセル全体の輸送抵抗が定量可能だが，燃料電池の各要素の酸素輸送抵抗を分離出来ず，複合過程中の律速過程の特定が難しい．
そこで，燃料電池要素の酸素拡散抵抗（気相）を計測する手法を開発した[3],[4]．図1には同手法で計測した各要素部材の酸素輸送抵抗を示す．各要素の輸送抵抗は同一オーダーであり，濃度分極低減には全ての抵抗低減が必要となる．また，ガス拡散層の輸送抵抗はガス圧力に比例する分子拡散特有の特性を示したが，マイクロポーラスレイヤーと触媒層の輸送抵抗はガス圧力に対する依存性が小さく，クヌッセン拡散の寄与が認められる． クヌッセン拡散が寄与する系では，低ガス圧力時の輸送抵抗が分子拡散系と比べて相対的高くなるため，性能設計上の留意が必要である．
Fig. 1 Oxygen diffusion resistance of component for PEFCs (Temperature: 22℃)
図2には各要素の最頻気孔径dとガス圧力Pに対する酸素輸送抵抗R（P）から式(1)で求めた拡散モード指標Mindex との関係（ガス圧力 0.2[MPa]時）を示す．
 |
(1) |
本指標はガス拡散現象が分子拡散なら1，クヌッセン拡散なら0，両者の競合拡散なら0～1の値をとる．最頻気孔径が70～100μmであるガス拡散層は分子拡散，最頻気孔径が0.5～0.12μmであるマイクロポーラス層および触媒層は競合拡散であるといえる．また，拡散形態の代表指標であるクヌッセン数（図2に併記）はガス圧力に反比例するため，ガス圧力（運転圧力）を下げた場合の競合拡散領域は，より大径側に比例的にシフトする．
Fig.2 Molecule diffusion index (Presure:0.2 MPa, Temperature: 22℃)
３．実構造をベースとした酸素輸送特性解析
酸素輸送抵抗の低減には各要素抵抗の定量化のみでなく，その発現メカニズムを多孔構造に遡及して把握することが重要となる．一方，近年の技術進歩により，ガス拡散層やマイクロポーラス層の構造可視化が可能となった．筆者らはガス拡散層の構造可視化にはマイクロX線CT（空間分解能：数ミクロン以下），マイクロポーラス層の構造可視化にはナノX線CT（空間分解能：50ナノ以下）の有用性を確認している[5],[6]．図3にはマイクロX線CTを用いたガス拡散層構造の再構築結果[5]，図4にはナノX線CTを用いたマイクロポーラス層構造の再構築結果[6]を示す．
さらに，実構造をベースとしたランダムウオーク計算を用いて酸素輸送特性を予測した．図5にはマイクロポーラス層の実験結果と計算結果の比較例を示す[6]．相対的に分子拡散依存なる高圧域では実験結果と計算結果は良好に一致した．一方，クヌッセン効果が顕在化する低圧域では実験結果の方が若干大きな値となっている．クヌッセン効果を考慮した詳細な特性予測には，分子間衝突と壁面衝突の双方を考慮可能な計算モデル（モンテカルロ直接法など）の適用が有効と考えられるため，その検討を進めている．
Fig.3 3D structure of gas diffusion layer reconstructed by micro X-ray CT technique
 |
 |
| Fig.4 3D structure of micro porous layer reconstructed by nano X-ray CT technique |
Fig.5 Oxygen transport properties (Experimental vs. Prediction) |
４．おわりに
燃料電池要素の酸素輸送抵抗（気相拡散）の計測技術，ならびに X線CT技術を用いて再構築した実構造をベースとした特性予測技術を確立した．一方で，燃料電池の濃度分極は気相拡散抵抗のみでなく，触媒層の電解質部から反応サイトへの輸送過程における抵抗の影響が大きく，その寄与度は低白金化時に顕著となることなどが報告されている[2]．
今後，本解析結果にもとづき各要素抵抗低減のための指針・指標を明示するとともに，セルレベルでの評価・解析やマルチスケールモデル解析等との連携により酸素輸送の律速過程を解明し，低コスト・小型化を実現した燃料電池自動車の本格普及早期化に繋げていきたい．
謝辞
本内容の一部は（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の支援により実施した．また，本内容は河瀬元明教授・井上元助教（京都大学），杵淵郁也助教（東京大学），徳増崇准教授（東北大学），勝田正文教授・中垣隆雄准教授（早稲田大学）の助言を頂いて実施した．ここに付記し感謝の意を表する．
参考文献