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

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*

Physical Chemistry Chemical Physics, 23(2), p.1062 - 1071, 2021/01

https://doi.org/10.1039/D0CP03887C

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。