可清洁高效发电的固体高分子燃料电池（PEFC）作为汽车等的动力源有望得到普及，但PEFC的真正普及需要提高电流密度和降低成本。在PEFC中，一般会在阴极侧的气体流道和催化剂层之间使用气体扩散层（GDL）和微孔层，但有报告指出，在此处使用自支撑型微孔层（自支撑型MPL）可实现高电流密度。

但是，在自支撑型MPL的水输送方面，仍存在很多尚不清楚的地方，为了在今后实现更高的电流密度，有必要阐明其水输送机制。因此，在本研究中，使用了带观察窗的隔膜来观察流道内的液态水，以阐明自支撑型MPL中的水输送机制。

本研究使用了有效反应面积为4×4cm²的单电池。催化涂层膜（CCM）采用Electrochem公司生产的EC-CCM-25。阳极侧的GDL采用SGL生产的GDL28BC。阴极侧使用自支撑型MPL。

另外，作为比较参照，在SGL生产的GDL28BA上涂覆自支撑型MPL和由相同浆料制作的MPL，厚度均为220µm。隔膜上有20条宽1mm、肋条宽1mm的并行直流道。以0.22L/min (空燃比：1.3@1.0A/cm²)的速度向阳极供应相对湿度100%的氢气，以0.79L/min (空燃比：1.9@1.0A/cm²)的速度向阴极供应相对湿度85%的空气，使电池运行。电池温度为50℃。

图1示出I-V曲线和电池电阻。在小于0.4A/cm²的区域中，自支撑型MPL的电压略低于GDL。这可能是因为自支撑型MPL的电阻过电压比GDL大。但是，在0.4A/cm²以上的电流密度区域，自支撑型MPL的电压和极限电流密度均比GDL高。

图2示出在0.4A/cm²的气体流道内的观察结果。在GDL（图2a）的流道内观察到水，水以液态形式从GDL向流道流动。但是，在自支撑型MPL（图2b）中未观察到液态水，在催化剂层生成的水基本以蒸汽形态运动。因此，在自支撑型MPL中，液态水的滞留量减少，从而提高了单电池的性能。

然而,如图3所示，电流密度增加至0.55A/cm²时，在自支撑型MPL的流道中也观察到液态水向流道的流动，由此可以看出，虽然自支撑型MPL中水以蒸汽形态运输的比例比GDL大，但在高电流密度下，自支撑型MPL内部也有冷凝水滞留，甚至有可能导致电池停止运行。

本研究得到了高桥产业经济研究财团的资助。

图1. 具有自支撑型MPL和GDL的两种电池的性能

图2. 在0.4A/cm²的电流密度下观察阴极隔膜中的水

图3. 在0.55A/cm²的电流密度下观察自支撑型MPL的阴极隔膜中的水

固体高分子燃料电池中自支撑型微孔层的液态水行为观察