Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

固体高分子形燃料電池は、出力電流密度が高いためコンパクトで、高効率でかつCO_2を排出しない運転が可能であることから、地球環境保全とエネルギー有効利用のための次世代自動車用動力源として期待されている。
供給する水素は、膜の水素極側の触媒でプロトンと電子に分離し、プロトンは固体高分子により構成された膜の中を酸素極側に移動するが、プロトンが膜内を移動するメカニズムがわかれば、プロトンに伴い水分子が膜の中を移動する現象が明らかになり、上記の水分の入力経路とあわせて電解質膜内で生じている反応を伴う物資輸送現象が統合して明らかになる。しかし、プロトンがどのような機構により電解質膜内を水素極側から酸素極側へ移動しているのか、すなわち、プロトンが単純な移流により移動しているのか、それともプロトンが電解質膜を構成する固体高分子と電子交換をしながらプロトンホッピングと呼ばれるものにより移動しているのかもわかっていない。
そこで、このプロトン移動のメカニズムを明らかにするために、最初、水素(H_2)を供給して定常発電状態にある燃料電池に対して、ある時刻から水素を重水素(D_2)に切り替えて供給し、電解質膜内水分布の時間変化をMRIにより計測を行った。 MRI計測においては、水素原子核を計測各種とした場合、重水素核からの信号が計測されないことを利用して、電解質膜内に水素原子核が浸透する過程の時間変化を計測することに成功した。その結果、電解質膜内のプロトン移動機構は、ホッピング機構が支配的であることが実験的に明らかになった。
また、ガス拡散層の水分輸送について、格子ボルツマン法を用いた数値計算を実施し、ガス拡散層の空孔率や燃料電池の発電量が水分輸送、特にフラッディングに及ぼす影響について調べた。その結果、空孔率と発電量はフラッディングについて大きな影響を及ぼすが、空孔のスケールは及ぼさないことを明らかにした。

【研究分担者】
津島将司	東京工業大学	炭素循環エネルギー研究センター	准教授	(Kakenデータベース)
末包哲也	徳島大学	大学院・ソシオテクノサイエンス研究部	教授	(Kakenデータベース)
植村豪	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
末包哲也	東京工業大学	炭素循環エネルギー研究センター	助教授	(Kakenデータベース)
津島将司	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)