実験結果と考察

7.3.1 燃料透過が発電性能に与える影響

Fig. 7.4 乾燥状態での断面方向観察像

GDL CL Membrane CL MPL/GDL

Anode Cathode

80

Fig. 7.4に発電していないときの乾燥状態での観察像を示す．中心の白くコントラストが

付いている部分が電解質膜であり，厚み約20 µmでも明確に観察できることを確認できる．

Fig. 7.5に断面方向観察時の燃料電池の発電特性とアノード，カソードの分極データを示す．

改良した断面方向セルでは燃料電池出力が改善され，電流密度も前章から 1 桁向上してい ることがわかる．Fig. 7.5より，電流密度80 mA cm^-2の時にセル電圧が大きく低下してい ることがわかる．そのときのアノード，カソードの分極を見ると，カソード電位が大きく 低下しており，カソード由来によってセル電圧が低下したことが示唆された．Fig. 7.6に断 面方向観察時の燃料電池のインピーダンスを示す．セル抵抗R1の値は反応抵抗R2にくら べて小さく，R1は電流値の増加に伴い低下していることがわかる．セル電圧が大きく低下 する80 mA cm^-2のときに反応抵抗R2は向上し，80 mA cm^-2以降は電流値の増加に伴い R2も増加している．これらの結果から，80 mA cm^-2でのセル電圧の大きな低下はカソード 反応抵抗の増加によるものと考えられ，80 mA cm^-2のときにカソード反応がうまく進まな いことが示唆された．

Fig. 7.7にFig. 7.4リブ下の点線枠部分の透過X線強度のラインプロファイルを示す．電

流値の増加に伴いラインプロファイルの形状が変化し，特に電解質膜とカソード触媒層の 透過X線強度が変化し，電流密度が増加すると透過X線強度が低下していることがわかる．

これは燃料透過によってカソード触媒層内に液体が侵入することで X 線の吸収が大きくな り，透過X線強度が低下したと考えられる．また，ラインプロファイルの変化は60 mA cm^-2 から80 mA cm^-2を境に急激に減少しており，80 mA cm^-2にて燃料透過が増加したことが示 唆されたと考える．これらの結果より，80 mA cm^-2でのセル電圧の大きな低下は燃料透過 によるカソード反応抵抗の増加であると考えられ，燃料透過によって燃料電池の出力特性 が大きく低下することが示唆された．また，燃料透過の透過液量は電流密度によって異な り，電流密度が増加すると，燃料透過量も増加する傾向を確認した．これはカソード側で 酸素還元反応が進むとカソード側の水が消費され，アノード側とカソード側の水分バラン スに傾きができ，燃料透過が促進されると考える．

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Fig. 7.5 その場観察時の燃料電池の発電特性と分極データ

Fig. 7.6 その場観察時の燃料電池のインピーダンス

R1: セル抵抗，R2: 反応抵抗

-1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Potential (V vs. Hg/HgO)

C el l vol ta ge (V )

Current density (mA/cm²) Cell voltage

Anode potential

Cathode potential

1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

R2 impedance (mΩ・cm²)

R1 impedance (ｍΩ・cm²)

Current density (mA/cm²)

R1 R2

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Fig. 7.7 リブした部分の透過X線強度のラインプロファイル