要旨

燃料電池用高分子電解質膜に発生する機械的な応力を数値化し，機械劣化への影響度を定量的に把握することで，電解質膜の機械劣化に対する寿命を予測する手法を開発した．乾燥と湿潤を繰り返す環境下において，電解質膜に密着している触媒層内のクラック部で電解質膜の機械劣化が進行する．応力増大の要因となっている電解質膜と触媒層の燃料電池の作動する温度および湿度の環境における物性の変化に着目し，燃料電池が作動する温度および湿度における電解質膜と触媒層の物性を計測した．また，計測した物性値を有限要素法による応力解析モデルに反映し，発生応力の予測精度の向上をはかった．発生応力および頻度と材料限界線の関係から累積疲労損傷則を用いて寿命への機械劣化の影響度を寿命消費率として数値化し，寿命消費率が耐久試験後の電解質膜の膜厚との相関があることを確認した．その結果，機械的な応力による電解質膜の寿命を予測することが可能となった．車両搭載サイズの膜電極接合体を用いて機械劣化を加速する耐久試験をおこない本寿命予測技術の精度検証をおこなった．高い相関が得られたため，本寿命予測技術が車両搭載サイズに適用可能であることが確認された．

参考文献

1. （１） 平出篤志：燃料電池用高分子電解質膜の化学劣化に対する寿命予測技術，Honda R&D Technical Review, Vol.28, No.1, p.45-53
2. （２） Lai, Y. H., Dillard, D. A.: Handbook of Fuel Cells: Advances in Electrocatalysis, Materials, Diagnostics and Durability, Vol. 5, ed. Vielstich, W., Gasteiger, H. A., Yokokawa, H., John Wiley & Sons, Ltd., p. 403-419, (2009)
3. （３） Gittleman, C. S., Coms, F. D., Lai, Y. H.: Chapter 2: Membrane Durability: Physical and Chemical Degradation, Polymer Electrolyte Fuel Cell Degradation, Ed. Mench, M. M., Kumbur, E. C., Veziroglu, T. N., Elsevier, (2012)
4. （４） Tang, H., Peikang, S., Jiang, S. P., Wang, F., Pan, M.: A Degradation Study of Nafion Proton Exchange Membrane of PEM Fuel Cells, J. Power Sources, 170(1), p. 85–92, (2007)
5. （５） Uchiyama, T., Kato, M., Ikogi, Y., Yoshida, T.: Mechanical Degradation Mechanism of Membrane Electrode Assemblies in Bucking Test Under Humidity Cycles, ASME J. Fuel Cell Sci. Technol., Vol. 9
6. (6) p.0210071-0210078, (2012)（６） Kai, Y., Kitayama, Y., Omiya, M., Uchiyama, T., Kumei, H.: In Situ Observation of Deformation Behavior of Membrane Electrode Assembly Under Humidity Cycles, ASME J. Fuel Cell Sci. Technol., Vol. 11(5), p.0510061-0510067, (2014)
7. （７） 岩成亨，宮島一嘉，古澤宏一朗，井ノ上雅次郎：実車搭載発電システムにおける燃料電池スタックセル面内CCM含水量のリアルタイム計測，Honda R&D Technical Review, Vol.28, No.1, p.31-36
8. （８） 佐藤雅彦，千葉裕人，井ノ上雅次郎：燃料電池スタックにおけるセル面内CCM含水量分布計測システムの開発，Honda R&D Technical Review, Vol.28, No.1, p.15-23
9. （９） 内山智暁：固体高分子型燃料電池における膜電極接合体の力学モデルと機械耐久性，日本ゴム協会誌，第87巻，第６号，p.236-242, (2014)
10. （10） 南雲健司，井ノ上雅次郎：シミュレーションによる燃料電池スタックセル面内CCM含水量分布予測，Honda R&D Technical Review, Vol.28, No.1, p.24-30

著者(所属)

• 杉下 昌史（四輪R&Dセンター）
• 大森 優（四輪R&Dセンター）

掲載情報

Honda R&D Technical Review　Vol.28 No.1 収録 (54 - 61)

論文PDF

引用情報