FC EXPO 2009（第5回国際水素・燃料電池展）発表

PEFCセル内における水分管理と計測評価技術
Water management and measurement techniques of
polymer electrolyte fuel cell
京都工芸繊維大学　大学院工芸科学研究科
Graduate School of Science and Technology
Kyoto Institute of Technology
西田　耕介
Kosuke Nishida
固体高分子形燃料電池（PEFC）における水分管理の重要性
Importance of water management in polymer electrolyte fuel cell
自動車用PEFCにおける目標性能と水分管理の問題
Target performance and problems on water management of
PEFCs for automotive applications
高電流密度
（High current density）
＞ 1～2 A/cm2
高温化
①フラッディング（Water flooding）
カソード生成水が空気（酸素）の供給を阻害
Limitation of oxygen transport due to water
condensation
（High temperature）
100 ～ 120℃
低湿度化
（Low humidity）
30%RH ～ 加湿器レス
（Non-humidification）
②ドライアウト（Dryout）
電解質膜内の含水量が低下し，イオン伝導
度が低下
Membrane dehydration and low proton
conductivity
PEFCセル内における水分輸送現象
Transport phenomena of water in PEFC
電気浸透による水移動
フラッディング
Water transport driven by
electro-osmotic drag
Water flooding
e－
水分凍結（氷点下起動時）
Water freezing (Cold startup)
H2
H2
O2
H+
Air
H2O
H2
O2
H+
H2
ドライアウト（膜乾燥）
Dryout
H2O
Anode
GDL
PEM
O2
Cathode
GDL
Air
H2 O
水の生成・凝縮
Water generation and
condensation
ガス拡散層（GDL）内における水分輸送とフラッディング
Water transport and flooding in gas diffusion layer (GDL)
ESEM（環境制御型電子顕微鏡）によるGDL内水分状態観察
Visualization of liquid water in GDL by ESEM
水分凝縮により，GDL内の空隙率が減少
Decrease of porosity of GDL
due to water condensation
反応ガス（酸素）の
供給が阻害
Limitation of transport of
reactant gas
PEFC内水分輸送現象の解明に向けた国内外の研究
Research strategies for clarifying water transport phenomena in PEFC
実験・計測 （Measurement）
・ 中性子ラジオグラフィー （Neutron radiography）
・ X線CT （X-ray computed tomography）
・ MRI
・ 顕微鏡観察 （Microscopic observation）
・ ガスクロマトグラフィー （Gas chromatography）
・ 差圧計測 （Measurement of differential pressure）
・ 交流インピーダンス法 （AC impedance）
モデリング （Modeling）
・ 二相流CFD （Two-phase flow CFD）
・ 格子ボルツマン法 （Lattice Boltzmann Method, LBM）
・ ネットワークモデル （Network model）
当研究室での取り組み
Research approaches in our laboratory
PEFCガス拡散層・流路内における水分状態・挙動の計測評価
Measurement and evaluation of water behavior in GDL and channel of PEFC
セル内での適切な水分管理
Proper water management in PEFC
フラッディング（カソード側）・ドライアウト（アノード側）の抑制
Prevention of water flooding and dryout
・ 顕微鏡光学系，感水試験紙によるセル内水分挙動の直接可視化
Direct visualization of water behavior in PEFC by optical microscope and water
sensitive paper (WSP)
・ 重量測定に基づくGDL内水分量の定量評価
Quantitative evaluation of liquid water content in GDL by weight measurement
・ 露点計測，交流インピーダンス測定
Measurements of dew-point temperature and AC impedance
顕微鏡光学系によるセル内水分の可視化計測
Visualization of liquid water in PEFC by optical microscope
Microscope
Const. temp.
chamber
Digital camera
Fuel cell
Fuel cell
可視化計測システム
Measurement system for visualization
可視化用燃料電池セル
Transparent fuel cell for visualization
H2
集電板
O2
6 cm
Current collector
エンドプレート
電解質膜
ガス拡散層
石英ガラス
End plate
Electrolyte
membrane
Gas diffusion layer
(GDL)
Quartz glass
カソード側ガス拡散層（GDL）における水分状態・挙動
Liquid water behavior on cathode GDL
2 mm
0.1 A/cm2
0.15 A/cm2
0.2 A/cm2
0.25 A/cm2
出力電流密度の増大により，カソードGDL上の水滴は次第に成長
The water droplets on the cathode GDL grow up with increasing the current density.
GDL内部における水分状態・挙動の観察
Observation of water behavior inside porous GDL
Separator
Channel
Groove
1 mm
Groove
190 µm
90 µm
GDL
PEM
Catalyst layer
GDL内部観察のための溝付電極構造
Electrode structure with a groove
for internal observation of GDL
Groove
t =3.5 min
o
t =5.5 min
t =8.5 min
Tcell = 20 C
i = 0.16 A/cm2
カソード側GDL内における水分移動経路の推察
Prediction of water transport pathway inside cathode GDL
Transport pathway
GDL
PEM
触媒層近傍における
水分凝縮の様子
100 µm
Water condensation
near the catalyst layer
重量測定によるカソード電極内の水分量の推定
Prediction of water content in cathode electrode by weight measurement
MEA
MEAの重量測定により
カソード電極内の水分量を予測
Prediction of water content in cathode GDE
by measuring the weight of MEA
セル電圧とカソード電極内の水分飽和率（%）の関係
Relation between cell voltage and water saturation in cathode GDE
氷点下起動時におけるセル内水分凍結挙動
Water freezing in PEFC during cold startup
Cell voltage [V]
氷点下でのPEFCの起動
（Cold startup of PEFC）
1.2
Tcell = －10oC
i = 0.06 A/cm2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
100
200
300
400
500
600
700
Time [s]
t=540 s
・・凍結・解凍サイクルによる
凍結・解凍サイクルによる
MEA（触媒／電解質膜）の剥離
MEA（触媒／電解質膜）の剥離
（before the
voltage drop）
Degradation
Degradationof
ofMEA
MEAby
by
freezing-thawing
freezing-thawingcycle
cycle
・・水分凍結による酸素の供給阻害
水分凍結による酸素の供給阻害
Limitation
Limitationof
ofoxygen
oxygentransport
transport
due
dueto
towater
waterfreezing
freezing
t=610 s
（after the
voltage drop）
スリット構造を有するGDLによるフラッディングの抑制
Prevention of water flooding by using slit structure GDL
(a) GDL without slit
スリット構造を有するGDLによる
水分排出の迅速化
Rapid water removal
by using slit structure GDL
(b) GDL with three slits
GDL with three slits
GDL without slit
感水試験紙によるセル内水分の可視化計測
Visualization of water condensation in PEFC by water sensitive paper (WSP)
感水試験紙
（Water Sensitive Paper, WSP）
凝縮水の付着により，黄色から青色に変色
Yellow surface is changed into blue
when exposed to water droplets and high humidity.
Rib
Channel
GDL
PEM
リブ下，チャネル下を区別して
GDL内の水分布を把握
Understanding of water distribution
under the ribs and channel
カソード側拡散層（GDL）内における水分布
Water distribution in cathode gas diffusion layer (GDL)
Rib Channel
Cell temperature
①
②
③
GDL
Catalyst layer
PEM
20℃
Current density
0.1 A/cm2
Operation time
200 s
リブ下（R1～R4）で水分凝縮が著しい
The water condensation occurs
remarkably under the ribs.
R4
R3
R1
R2
① Separator/GDL interface
② Thickness center in GDL
③ Near catalyst layer
C5
C4
C3
C2
C1
二相流シミュレーションとの比較
Comparison with two-phase flow simulation
Current density
Rib
Channel
0.2 A/cm2
Inlet relative humidity
GDL
Catalyst layer
t = 50 s
t = 100 s
t = 200 s
(a) Water vapor concentration in cathode GDL
t = 50 s
t = 100 s
(b) Liquid water saturation in cathode GDL
t = 200 s
5%
低加湿運転時におけるアノード側での水分布
Water distribution in anode during low humidity operation
o
Tcell = 30 C
i = 0.2 A/cm2
H2
t = 100 s
t = 200 s
t = 500 s
時間経過とともに，アノード下流側から水分凝縮が開始
→ カソード下流の水分がアノードへ逆拡散しているため
The water condensation in the anode begins from the downstream side
because of the back diffusion of product water.
出力電流密度がアノード水分布に及ぼす影響
Effect of current density on water distribution on anode side
o
Tcell = 30 C
t = 500 s
H2
(a) 0.1 A/cm2
(b) 0.2 A/cm2
(c) 0.3 A/cm2
電流密度の上昇により，アノード側の水分濃度が低下
The water vapor concentration at the anode decreases with increasing the current density.
→ ①供給ガス（H2）流量の増加 （Increase of the H2 flow rate）
②電気浸透現象による水分移動 （Water transport due to electro-osmotic drag）
アノード出口での露点および膜抵抗の測定
Measurements of dew-point temperature at anode and membrane resistance
アノード流路出口での露点温度
ACインピーダンス法による膜抵抗測定
Dew-point temperature at anode outlet
Measurement of membrane resistance
by AC impedance method
電流密度の増加により，アノード出口の露点温度は低下．膜抵抗は増加．
When the current density increases, the dew-point temperature at the anode outlet goes
down and the membrane resistance increases.
並行流・対向流の場合のアノード側水分布の比較
Comparison of water distributions in co-flow and counter flow modes
① 並行流 （Co-flow）
② 対向流 （Counter flow）
H2（アノード）
H2（アノード）
O2（カソード）
MEA
MEA
H2
O2（カソード）
対向流の場合，アノード上流側でH2O濃度が高くなる．
In case of the counter flow mode, the H2O concentration becomes high at the upstream side.
PIV計測に基づくPEFCセル内ガス流動現象の評価
Evaluation of gas flow phenomena in PEFC by PIV measurement
PIV system for visualization of gas flow in fuel cell
燃料電池セル微小流路内におけるガス流速分布の定量的な解析が可能
Quantitative analysis of gas velocity profiles in flow channels of fuel cell
アノード流路内におけるガス速度分布の解析
Analysis of gas velocity profiles in anode flow channel
① 直線部 Straight section （S1）
2 mm
② Ｕ字部 U-shaped curved section （S2）
H2: 30 ml/min
H2: 70 ml/min
まとめと今後の課題
Conclusion and future works
・ PEFCの発電性能改善に向けた水分管理に着目し，セル内における水分状
態・挙動を把握するための可視化計測手法について紹介した．
・ 本計測手法のみでPEFCセル内全域にわたる水分輸送（特に，ガス拡散層
／触媒層界面等）を捉えることは困難であり，他手法との複合計測，新しい計
測・試験方法の提案についても今後検討しなければならない．
・ 実験・計測は技術的な制約で得られる情報に限界があるため，モデリング・
シミュレーションとの有効な連携は必要不可欠である．
Water management is essential for improving performance of PEFCs. In this study,
we presented the visualization techniques for understanding water transport in a
PEFC. However, it is difficult to clarify the water transport phenomena in all the cell
components using only these techniques. In the future, new measurement and
evaluation methods must be developed. Furthermore, the correlation between the
experimental and modeling approaches is also important.