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PEM燃料電池の水の管理を促進するためのMicro Porous Layer(MPL)について、引用の多い論文がある。

■Improvement of water management by a microporous sublayer for PEM fuel cells

 

MPLに関して非常に引用数の多い論文。H Power Corporationの研究。
GDL基材にsublayerを設けると性能上がるよ!というアイデアの元になっている。

これ以前にも、触媒層とカーボンペーパーの間に微細性PTFE/カーボン層を設けるとPEM燃料電池の性能を向上できる(カーボンペーパーのばらつきによる性能影響を低減できる)という論文はいくつか出ていたようだが、明確に効果をまとめたのはこの論文が初めてかもしれない。

2.0[A/cm2]でstoichiometries of air and hydrogenが10になるように設定している。つまり水素の10倍以上の酸素が投入されている。水素・空気共に加湿しIVを取得すると、sublayerを追加によって電流密度0.4[A/cm2]における電圧が0.5→0.65[V]と向上している。

改善に寄与する主な要因は、カーボンブラック粒子凝集体のサイズ。非常に小さく疎水性の穴が均一に分布し、液滴を生成できないようにすることで、フラッディングを防ぐことができる。また、カーボンペーパーと触媒層の接触をよりよくする事も性能向上に寄与する。

【所感】
なぜMPLが必要なのかよくわかった。微細な疎水性の穴が均一に存在することで液水が生成せずフラディングが向上するとのことだが、明らかにガス輸送性は低下するので、電流密度域によっては逆効果にも思える(実際、Fig4の0.1-0.2[A/cm2]ではsublayerのない構造の方が若干性能が高い)。稼働する領域によって、疎水性と細孔サイズに最適点があるのだと思う。
評価方法について、ガスを加湿して評価しているが、高電流密度で生成水が多い場合には、拡散層→触媒層→膜、と水が供給されるだけでなく、触媒層→拡散層、という生成水排出も行わるだろう。このような条件での評価結果もあるのか、調べてみたい。