平成 17 年電気学会全国大会
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固体高分子燃料電池の膜物性測定と電流分布解析(2)
郡央任＊，谷内拓哉，高岡佑介，荒木拓人，恩田和夫 (豊橋技術科学大学)

Measurement of electrochemical properties of membrane and analysis of current distribution
at polymer electrolyte fuel cell (2)Hironori Koori, Takuya Taniuchi, Yusuke Takaoka, Takuto Araki and Kazuo Onda (Toyohashi University of Technology)
Diffusion electrode

１．まえがきCa,inMa,in固体高分子燃料電池(PEFC)の発電特性解析において、膜ha(ｖ)MEADDIF

Diffusion electrode

TrDDIF

物性はセルの発電性能を大きく左右する。そこで我々は、
Caセル中の水蒸気の挙動に影響する膜物性として、拡散電極

Cc,in
Mc,inhc(ｖ)CCa,DIF

Ca,MEA(GDL)中の水蒸気拡散係数、膜電極接合体(MEA)の水蒸気透Cc,MEACc,DIF

Mx
Ca,outMa,out

過係数、電気浸透係数を、また発電特性に影響する因子として膜抵抗と過電圧を測定してきた。前回の発表(1)では、セAnode channel

ル温度 60℃において膜物性を測定し、測定した電流分布と

図１解析を比較した。今回は 50 から 80℃の広範囲で膜物性を測

Cc,outMc,outMeMOSM

Cathode channel

PEFC 中の水蒸気移動モデル

Fig.1 Transport model of water vapor in PEFC

２．拡散係数や透過係数、電気浸透係数の測定
図 1 に電気浸透係数測定のモデルを示す。GDL の拡散係数と MEA の透過係数を測定する。まず通電させずに生成水
Me と電気浸透 MOSM がない状態でセル入口のアノードとカソードに水蒸気濃度差をつけて空気を供給し、セル出入口での水蒸気濃度から両極の水蒸気移動量を測定する。図 1は流路と GDL 間の物質伝達率を考慮しているが、流速が早ければ拡散係数や透過係数に比べて充分大きいので省略で

DAIR-H2O 80℃
50℃
of water vapor/cm2･s-1

Diffusion coeff. Ddif and transmissivity Tr定し、解析と比較したので報告する。

80℃

10-1

DGDL for Carbon Cloth

1050℃

TMEA=50℃
TMEA=60℃
TMEA=70℃
TMEA=80℃

Tr for MEA

-280℃
10

Tr for Nafion(Nguyen et al) 50℃-33040506070Relative humidity

きる。また、電流を流した状態で、拡散と電気浸透が同一

図２水蒸気の GDL 中拡散係数 DGDL と MEA 透過係数 Tr方向になるようにセル入口で水蒸気濃度差をつけて水素との膜温度 TMEA と相対湿度による変化

酸素を供給し、水蒸気移動量を測定し電気浸透係数を求め

Fig.2 Change of GDL diffusion coefficient DGDL andた。

MEA transmissivity Tr of vapor

相対湿度と膜温度に対する GDL の拡散係数、MEA の透by temperature TMEA and relative humidity

過係数の測定結果を図 2 に示す。GDL の拡散係数は相対湿度に対して変化せず、温度が上昇すると大きくなった。GDLElectro-osmotic coeff. nd

1.4の拡散係数は、空隙率によって変わるので、測定から GDL(2)の空隙率を 0.3 とした。MEA の透過係数は、Nguyen らの値よりかなり大きく、膜温度に対して Nguyen らほど顕著に変化しなかった。
相対湿度と膜温度に対する MEA の電気浸透係数の測定
結果を図 3 に示す。電気浸透係数は、相対湿度が増加する

1.21.00.8

GORE SELECT (TMEA=80℃)

0.6
0.40.20.0

GORE SELECT (TMEA=50℃)-0.2-0.40.3と低下し、膜温度が上がると上昇した。相対湿度が上がる

0.40.50.6

0.70.80.9

Relative humidity

図３と、山田ら(3)の結果と同様に nd は低下した。また、膜温度50℃において、nd は僅かに負の値として測定された。このNafion117(Nguyen et al)
Nafion112(Yamada et al,Tmem=80℃)
Carbon Cloth Carbon Paper

1.6

電気浸透係数 nd の膜温度と相対湿度による変化

Fig3 Change of electro-osmotic coefficient nd by temperature and

点は今後改善する必要がある。

relative humidity- 76 -2005/3/17 ～ 19

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酸素濃度が低い時の過電圧整理式が充分でないことが考え

３．過電圧測定
過電圧の測定では、利用率を低く抑えるため、アノードとカソード共に流量を上げ、流れに沿って電流や過電圧ηactが変わらないようにし、式(1)によりセル全体のηact を求め、整理した。

η act = V Nernst − Vcell − η ohm

られる。今後これらの原因を追求すると共に、今回物性値を測定した 50℃から 80℃の範囲で、加湿条件や利用率などを大きく変えて、実験と解析を比較する予定である。
本研究の一部は中部ガス(株)との共同研究の元に行われたことを付記し、ここに感謝の意を表する。

(1)

ここで、膜抵抗は電流密度を変えると内部加湿状態の変化0.6と共に変わるので、それぞれの電流密度 i において交流イン起電力である。活物質の分圧は水蒸気分圧を考慮し、出入口の平均とした。ηact には拡散過電圧も含まれるが、本研究の実験範囲では拡散過電圧は小さいと見積もられるので、活性化過電圧ηact と記した。ηact は、酸素分圧 PO2 と電流密度 i、セル温度 T を変化させて測定した。セル温度は 50、0.5

Overpotential ηact/V

ピーダンス計で測定した。Vcell はセル電圧、VNernst は Nernst

0.4
0.3

CO2=0.1
CO2=0.2
CO2=0.4
CO2=0.6
CO2=1.0

Tcell=60℃
0.2
0.1

60、70、80℃とし、アノードには水素、カソードには 0.1、0.2、0.4、0.6、1 と酸素割合を変えた酸化剤を流し、大気圧0.00.0状態でセル電圧 Vcell を測定しηact を求めた。

0.10.20.3

0.4

0.50.6

Current density/Acm-2

図４にセル温度６０℃の場合のηact の測定結果を示す。記図４号は実験点を、線は近似曲線を示す。近似式は、ターフェ

過電圧の酸素濃度と電流密度に対する変化

ル式(2)のそれぞれの定数を酸素濃度と膜温度の関数としてFig.4 Change of overpotential by oxygen concentration and求めた。過電圧整理式は、条件によっては実験値との誤差

current densityも見られるが、誤差は 5%程度に収まっている。

η = A ln i + B

2

Measured(I=0.4A/cm )

(2)

0.7

４．電流分布の測定と解析結果との比較

0.6

る活物質変化による電流分布が概ね一致したので、今回の電流分布の測定では、測定が容易な分割電極を用いた。また、電流分布の解析では、今回測定した物性値を用い、質量や電荷、エネルギーの保存則と PEFC の等価回路を連立-2

前回の報告 で分割電極による電流分布とガスクロによTcell=60℃2Calculated(I=0.3A/cm )Measured(I=0.2A/cm )0.5

Calculated(I=0.2A/cm2)
0.4
0.30.2

させ、CV 法(コントロールボリューム法)を用いて収束解を0.1求めた(4)。図５に測定した電流密度を解析結果と比較して示0.005す。実験では、アノードに 60℃で加湿した水素 80％窒素20％の摸擬改質ガス 49cc/min を、カソードに無加湿の空気

Measured(I=0.3A/cm 2)2

Current density/Acm(1)Calculated(I=0.4A/cm2)

10152025

Channel length/cm

図５

測定と解析電流分布の比較

91cc/min を 60℃に流した。解析値と測定値は中央にピーク

Fig 5 Comparison between measured and calculated currentを持つ。これは、上流では空気が無加湿のために膜抵抗がdistributions

高く電流密度が下がり、やがて流れに沿って、生成水や拡散、電気浸透のためにカソード側の湿度が上がり膜抵抗が低下し電流が流れるようになり、やがて下流の出口付近では、酸素濃度が低下するため過電圧が上昇し、電流密度が低下するためと解析される。

文献(1) 郡ら,「固体高分子燃料電池の膜物性測定と電流分布解析」＃7-011,平成 16 年電気学会全国大会,p7-16,平成 16 年 3 月(2)T. V. Nguyen, et al., J. Electrochem. Soc.,Vol.140, No8 p2178

５．まとめ
セル温度が 50℃から 80℃まで電流分布解析に必要な膜物(3)山田ら,「固体高分子電解質膜の電気浸透係数と拡散係数」性を測定した。それらの物性値を用い、PEFC の電流分布を＃3N19,電気化学会創立 70 周年記念大会,p316,平成 15 年 4 月

解析し、分割電極により測定した電流分布と比較した。解(4)郡ら,「固体高分子燃料電池の膜物性測定と電流分布解析」

析結果は測定と概ね一致するが、解析した電流分布のピー
クは実測した電流分布のピークより下流にずれた。これは、

平成 16 年電気学会エネルギー部門大会,p49-9,平成 16 年 8 月- 77 -

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