[論文レビュー] The Autohumidification Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Jay B. Benziger, J. Moxley+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2003

Fuel Cells and Related Materials参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、内部的に水を生成・輸送することで水分含量を自己調整する画期的な自己加湿型ポリマー電解質膜（PEM）燃料電池を提案する。このシステムは、水活性度（約0.1）における臨界点で点火を示し、水活性度とプロトン伝導度の自己触媒的フィードバックによって駆動される多重安定状態を示す。遅いダイナミクス（10³–10⁴ s）は膜の膨張および機械的・化学的結合に起因する。

ABSTRACT

A PEM fuel cell was specially constructed to determine kinetics under conditions of well-defined gas phase composition and cell temperature. Steady state multiplicity was discovered in the autohumidification PEM fuel cell, resulting from a balance between water production and water removal. Ignition was observed in the PEM fuel cell for a critical water activity of about 0.1. Ignition is a consequence of the exponential increase of proton conductivity with water activity, which creates an autocatalytic feedback between the water production and the proton conduction. The steady state current in the ignited state decreases with increasing temperature between 50 to 105 deg C. At temperatures greater than 70 deg C five steady states were observed in the PEM fuel cell. The steady state performance has been followed with variable load resistance and hysteresis loops have been mapped. The dynamics of transitions between steady states are slow about 10^3 to 10^4 s. These slow dynamics are suggested to result from a coupling of mechanical and chemical properties of the membrane electrode assembly due to swelling of the membrane with water absorption.

研究の動機と目的

• 気体組成および温度を明確に定義した条件下でのPEM燃料電池における内在的水分管理ダイナミクスを調査すること。
• 自己加湿システムにおける多重安定状態および点火現象の起源を理解すること。
• 膜電極アセンブリ（MEA）における化学速度論、膜の水分状態、および機械的挙動の相関を特定すること。
• 変動する負荷下での複数の安定状態間のヒステリシスループおよび遷移ダイナミクスをマッピングすること。
• さまざまな温度範囲（50–105 °C）における水活性度がプロトン伝導度およびシステム安定性に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 水管理の影響を分離できるように、制御された気相反成および温度を備えた特別に設計されたPEM燃料電池を構築した。
• 負荷抵抗を変化させた状態で定常状態の電流-電圧特性を測定し、多重安定状態およびヒステリシスをマッピングした。
• 安定状態間の動的遷移をモニタリングし、時間スケール（10³–10⁴ s）を評価した。これは膜の膨張ダイナミクスに起因するとされた。
• 水活性度とプロトン伝導度の関係を定量し、自己触媒的挙動を引き起こす指数関数的依存性を同定した。
• 水活性度を主要制御パラメータとして用い、伝導度が急激に増加する点火閾値（約0.1）を特定した。
• 定常状態の多重性および性能に及ぼす温度依存性を評価するために、温度範囲（50–105 °C）で実験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己加湿型PEM燃料電池に多重安定状態が現れる原因は何ですか？
• RQ2 点火はどの水活性度で発生し、その遷移を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 安定状態間の遷移ダイナミクスは、膜の水分状態および機械的性質とどのように関係していますか？
• RQ4 温度は自己加湿システムにおける安定状態の数および安定性にどのように影響しますか？
• RQ5 水活性度に依存するプロトン伝導度の指数関数的依存性が、自己触媒的挙動を可能にする役割は何か？

主な発見

• 水生成と除去のバランスにより、70 °C以上の温度で最大5つの安定状態が観測された。
• 点火は水活性度が約0.1の臨界点で発生し、これは水活性度に伴うプロトン伝導度の指数関数的増加に起因する。
• 50 °Cから105 °Cの範囲で、点火状態の安定状態電流は温度上昇に伴い減少し、動力学的促進と水分損失のトレードオフを示した。
• 安定状態間の動的遷移は遅く、10³～10⁴秒のスケールを示し、化学反応と膜の機械的変形の結合を示唆した。
• 負荷抵抗を変動させた条件下でヒステリシスループをマッピングし、複数の安定状態および経路依存性の挙動が確認された。
• 遅いダイナミクスは、水吸着に起因する時間依存的膜の膨張に起因し、膜電極アセンブリの化学的および機械的性質の関連を示した。