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記事詳細:Detailed Article

JARI Research Journal環境・エネルギー/Environment & Energy

資料名 / Title

JRJ20170705 研究速報

Correlation between the Swelling Characteristics and Humidity Cycle Durability of Polymer Electrolyte Membranes

橋正 好行,大徳 浩志,沼田 智昭
Yoshiyuki HASHIMASA,Hiroshi DAITOKU,Tomoaki NUMATA

 燃料電池自動車の本格的な普及のためには,燃料電池膜/電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)材料の性能,耐久性を向上させ,燃料電池スタックのコストを大幅に低減する必要がある.新規材料の開発効率を向上させるために,開発材料の耐久性を短時間で適切に評価することを狙った共通の評価法(耐久性評価プロトコル)がFCCJ(The Fuel Cell Commercialization Conference of Japan: 燃料電池実用化推進協議会)等から提案されている.
 燃料電池のセル内部では,出力の変動に対応して生成水の量が増加,減少するなどの理由で湿度サイクルが発生する.電解質膜の寸法はその含水率によって変化することが知られており,湿潤環境下では含水率が上昇することで電解質膜が膨潤し,乾燥環境下では含水率が低下することで電解質膜が収縮する.電解質膜が膨潤,収縮を繰り返すことでその機械的耐久性が低下する現象が報告されている.このような劣化現象に対して,電解質膜の機械的耐久性を評価するための試験法として湿度サイクル試験が設定されている.我々はMEAの触媒層厚さに注目し,触媒層厚さを大きくすることでみかけの貯蔵弾性率が向上し,湿度サイクル耐久性が向上することを報告してきた7).本研究では,異なる種類の電解質膜についても触媒層が湿度サイクル耐久性に及ぼす効果の検証を行った.電解質膜単体および触媒層を形成した電解質膜(Catalyst Coated Membrane,以下「CCM」という)を用意し,単セルを用いた湿度サイクル試験,動的粘弾性および熱機械特性の測定を行い,得られた特性値とサイクル寿命との相関を比較することで,電解質膜の湿度サイクル耐久性を向上させるために必要な要件を考察した.

Thermal mechanical characteristics of sulfonated polyether sulfone (SPES) and NR211 polymer electrolyte membranes were evaluated by dynamic mechanical analysis and thermal mechanical analysis (TMA) with and without catalytic layers, under several humidity conditions. Humidity cycle tests were also conducted using single-cells to examine any correlation between the humidity cycle life and thermal mechanical characteristics of the polymer electrolyte membranes. The humidity cycle durability of SPES was much lower than NR211 though SPES showed a higher storage modulus over a wide range of humidity. TMA showed that SPES had stronger tendency of swelling deformation in the surface direction compared to NR211. These results suggest that suppressing physical swelling under humid conditions can be considered to be more effective in improving humidity cycle durability rather than increasing the storage elastic modulus.

種別 / Article Type

JARI Research Journal

資料名 / Title

JRJ20170705 研究速報

発行年月 / Date of Issue


分野 / Field

環境・エネルギー/Environment & Energy