PEM燃料電池におけるMEA圧縮とニッケルフォーム界面効果:実験およびCFDによる証拠
MEA compression and nickel-foam interface effects in PEM fuel cells: experimental and CFD evidence
本研究は、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)の性能に影響を与える膜電極接合体(MEA)/触媒コーティング膜(CCM)の圧縮とニッケルフォーム界面の効果を、実験と計算流体力学(CFD)を組み合わせて評価した。4 cm2の単セルPEMFCを用い、80°Cで分極測定、電気化学インピーダンス分光法(EIS)、圧縮率測定、直接的なフォーム接触による損傷観察、走査型電子顕微鏡(SEM)による細孔特性評価を行った。ANSYS Fluentシミュレーションでは、ニッケルフォームの空隙率(ε)を0.5から0.9の範囲でスクリーニングし、主にε=0.6とε=0.9を比較した。実験では、制御された圧縮により約19.5%の性能向上が見られた一方、直接的な保護されていないフォーム接触は膜損傷とクロスオーバーのリスクを引き起こした。CFDモデルでは、空隙率をε=0.9からε=0.6に減少させると、電流密度が1.4660 A cm−2から1.7420 A cm−2(約18.8%増加)、電力密度が0.733 W cm−2から0.871 W cm−2に増加すると予測された。EIS測定は、湿度と圧縮に依存するオーム抵抗と輸送挙動の変化を支持した。結果として、圧縮とフォームの空隙率は、電気化学的、輸送的、機械的な連成設計変数として扱うべきであることが示唆された。
- PEM燃料電池単セル試験で、制御されたMEA圧縮により約19.5%の性能向上が確認された
- CFDシミュレーションにより、ニッケルフォーム空隙率を0.9から0.6に減らすと電流密度が1.4660 A/cm2から1.7420 A/cm2(約18.8%増)、電力密度が0.733 W/cm2から0.871 W/cm2に向上すると予測された
- 保護されていないニッケルフォームの直接接触は膜損傷とクロスオーバーのリスクを引き起こすことが確認された
PEM燃料電池は水素エネルギー分野の中核技術であり、MEA圧縮とニッケルフォーム界面の最適化により約19%の性能向上が実証された点は、燃料電池スタックのコスト低減と高出力化につながる重要な知見である。空隙率の最適化を含む連成設計パラメータの扱いは、実用化に向けた技術的ブレークスルーの可能性を示しており、水素関連企業・部材メーカーへの投資判断において注視すべき研究結果といえる。