NEDO水素・燃料電池成果報告会2024
団体名:
発表日:2024年7月 日
発表No.
NEDO水素・燃料電池成果報告会20219燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業/共通課題解決基盤技術開発/
高効率・高出力・高耐久PEFCを実現するGDL一体型フラットセパレータの研究開発P2-7国立大学法人山梨大学・株式会社エノモト・国立大学法人大阪大学
連絡先:国立大学法人山梨大学水素・燃料電池ナノ材料研究センター
(fcnano-as@yamanashi.ac.jp)
1.事業概要 2.事業のコンセプトと研究開発のアプローチ
・燃料電池実用化推進評議会(FCCJ)より報
告された「2030/2040年に向けたチャレン
ジ〜課題と対応〜」の GDL/MPL/セパレー
タにかかわる2030年目標を達成する。
・本デバイスにかかわる過電圧
100mV@3Acm-2の低減を検証し、
GDL/MPL/セパレータ(表面処理)の産業界
のニーズに対応する。
事業の期間:2021年6月11日〜2025年3月31日
3.研究成果
1:ガス拡散層(GDL)に流路を形成することによる触媒利用率の向上
(山梨大学、エノモト)
2:コスト削減のための簡易・安価な製造方法の実証(エノモト)
4:導電性・ガス拡散性、水マネジメント機能の性能発現/劣化メカニズムの
解明、新材料技術の導入(山梨大学、大阪大学、エノモト)
4.成果まとめ
エノモトの材料/構造設計/製造プロセス技術を、山梨大学や大阪大学の評価
解析技術やシミュレーション技術、中性子&X線イメージング等の高度解析
技術で多角的に解析し、高い導電性・ガス拡散性・水のマネジメント実現に
向けたメカニズムを解明、新材料技術を導入して次世代GDL/セパレータ技
術を構築する。
≪J-PARC実験施設での中性子線イメージング≫
➢ 流路付きGDLの開発
⇒ リブ下のガス供給&排水の改善、有効反応面積の飛躍的増大
➢導電性耐食金属フラットセパレータの開発
⇒ 汎用金属/炭素・樹脂複合コーティングにより安価/高い導電性&耐食性
➢ガス流路付きGDLとの組み合わせ
⇒ セパレータへの流路プレス加工が不要、画期的製造コスト削減
➢ 1000°C以上の高温焼成工程を必要としない
簡易で安価な小規模量産設備の立ち上げ
➢ 製造コア技術の検証
➢ 高温/不活性雰囲気不要の製造方法
≪ガス流路付きGDL≫ ≪セパレータ≫
◆だいやまーくGDL製造のCO2排出量想定 ◆だいやまーくセパレータ製造時のCO2排出量想定
◆だいやまーくGDLの改良
◆だいやまーくIV性能比較
◆だいやまーく 最終目標に対する達成度
◆だいやまーく加湿変化に伴うセル特性の検証
≪温調発電状態セルのX線イメージング≫
⇒ コスト削減&環境負荷の少ない製造工程を検証中
PJ 最終目標:3A/cm2で0.500V(過電圧 -100mV)
目標達成率98%
◆だいやまーく過加湿下での空気流量変化に伴うセル特性の検証
➢ GDL高撥水のほうがAnへの水の逆拡散が多く、発電特性が高いことを確認InOut
溝付きGDL(ID)用
従来型セパレータ(ID)
➢ 酸素分圧可視化実験を推進中。X線イメージン
グ装置用専用評価セルを整備、昇温試験対応に
改良中。
➢ GDL一体型フラットセパレータは、従来型GDL
と比較して、過・高加湿条件での液水滞留量の
抑制(出口流路への液水輸送の向上)と低加湿
条件での電解質膜含水を保持(GDL内水蒸気濃
度の低下を抑制)する優れた水マネジメント性
能を有することを明らかにした。ID溝付き
GDL(ID)
120%RH
120→40%RH
電圧ピーク時
40%RH
従来型櫛歯流路(ID)➢ 過電圧の低減は中間目標をクリア、最終目
標に対して98%達成。多孔質リブ櫛歯構造
が有する加湿ロバスト性、空気流量ロバス
ト性の高さを検証できた。
➢ 耐食コートの改良により、セパレータの高
耐食化、低抵抗化の目標を概ね実現できた。
➢ 開発してきたGDL、セパレータそれぞれの
簡易かつ安価な製造方法の検証ができた。
➢ 中性子線イメージングおよびX線イメージ
ングによってGDL一体型セパレータの水マ
ネジメント性能を解明した。
◆だいやまーく実験系と可視化セル ◆だいやまーく発電中の流路断面の液水分布比較
75%削減
40%削減
➢ 産業界隈のニーズである3Acm-2以上の高
電流密度帯における拡散過電圧の低減に向
けた更なる物性の改良を推進。
➢ イメージング解析を活用して本デバイスに
最適な内部構造や流路の更なる開発を推進。
◆だいやまーく これまでの実績
◆だいやまーく 今後の展望
➢ 多孔質櫛型リブを備えた本PJのGDLは、水過剰と水不足
の両方の条件下で高性能を維持でき、従来設計よりも明
らかな利点がある。
➢ 多孔質櫛型リブを備えた本GDLは酸素分圧の減少に強く、
厳しい条件でも電圧安定性を確保。
過加湿条件での空気流量変化(2.0〜0.05 NL min-1に伴うセル電圧と内部抵抗変化
中実櫛型リブ
多孔質櫛型リブ
中実櫛型リブ
多孔質櫛型リブ
セル電圧不安定領域min
溝付きGDL
MPL/GDL
MPL/GDL CCM
アノード カソード
流入流路
流出流路
流出流路
流入流路
流出流路
流出流路
液水量 [a.u.]
高加湿条件での
良好な液水排出性
(少ない液水量)
低加湿条件での
良好な保水性
(液水の存在)
多孔質リブを含む
液水排出パス
液水の滞留
本事業で
取り組む課題
目標性能
100mV
◆だいやまーくGDLへ様々な流路形状を形成させることが可能
流路付きガス拡散曽(流路形状一例)
ストレート 櫛歯 絞り ウェーブ
LOI企業ニーズと開発GDLのIV性能比較
開発GDLのポーラスリブ流路の絞り形状の様子
CCM側
セパレータ側
➢ 櫛歯型の流路付きGDLを含む場合(右側図)と、従来型
GDLと櫛歯型流路を組み合わせた場合(左側図)の二つ
のモデル構造を構築し、比較した。
➢ 櫛歯流路構造におけるGDLへの伏流が確認され、櫛歯型
の流路付きGDLにおいては、多孔質リブ部とその下部の
多孔質部分にガス流が分配される様子が示された。
◆だいやまーく反応輸送構造モデルを用いたシミュレーション解析結果
➢ LOI企業より示されたセル性能の目標性能対して、絞り流形状
を付与した開発GDLは、セル温105°Cではほぼ同レベルの特性
を得ることが出来ている