Pulsed neutron imaging for differentiation of ice and liquid water towards fuel cell vehicle applications

燃料電池自動車への応用に向けた氷と水の弁別のためのパルス中性子イメージング

樋口 雄紀*; 瀬戸山 大吾*; 伊勢川 和久  ; 土川 雄介 ; 松本 吉弘*; Parker, J. D.*; 篠原 武尚   ; 長井 康貴*

Higuchi, Yuki*; Setoyama, Daigo*; Isegawa, Kazuhisa; Tsuchikawa, Yusuke; Matsumoto, Yoshihiro*; Parker, J. D.*; Shinohara, Takenao; Nagai, Yasutaka*

本研究は、パルス中性子源施設において行われた水と氷のイメージングに関する最初の報告である。固体高分子燃料電池(PEFC)内部の水分分布を可視化するために中性子イメージングを利用した。特に、エネルギー分解中性子イメージングは、液体の水と氷を区別することができる手法であり、氷点下の環境で動作するPEFCにおける氷の形成を調べるのに効果的である。水氷識別は、低中性子エネルギーにおいて液体の水と氷の断面積が異なることを利用した。実際のPEFC内の混相流(気体・液体・固体)の過渡的な凍結・融解現象を高い空間分解能で定量的に観測するためには、高強度で広いエネルギー範囲を持つパルス中性子ビームが最適である。本研究では、PEFCの流路を模擬して細い毛細管に封入した水を用い、パルス中性子ビームを照射して氷、液体水、過冷却水を識別し、毛細管内の水の凍結・融解現象を明らかにした。さらに、実物大の燃料電池を用いたその場観察へのステップとして、-30Cまで冷却可能なサブゼロ環境チャンバーを製作し、大視野(300mm300mm)での液体の水・氷分布の観察を可能にした。

This study is the first report on liquid water and ice imaging conducted at a pulsed spallation neutron source facility. Neutron imaging can be utilised to visualise the water distribution inside polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). Particularly, energy-resolved neutron imaging is a methodology capable of distinguishing between liquid water and ice, and is effective for investigating ice formation in PEFCs operating in a subfreezing environment. The distinction principle is based on the fact that the cross sections of liquid water and ice differ from each other at low neutron energies. In order to quantitatively observe transient freezing and thawing phenomena in a multiphase mixture (gas/liquid/solid) within real PEFCs with high spatial resolution, a pulsed neutron beam with both high intensity and wide energy range is most appropriate. In the validation study of the present work, we used water sealed in narrow capillary tubes to simulate the flow channels of a PEFC, and a pulsed neutron beam was applied to distinguish ice, liquid water and super-cooled water, and to clarify freezing and thawing phenomena of the water within the capillary tubes. Moreover, we have enabled the observation of liquid water/ice distributions in a large field of view (300 mm 300 mm) by manufacturing a sub-zero environment chamber that can be cooled down to -30C, as a step towards visualisation of full-size fuel cells.