A Combined method of small-angle neutron scattering and neutron radiography to visualize water in an operating fuel cell over a wide length scale from nano to millimeter

作動状態下にある燃料電池セル内の水をナノメートルからミリメートルまでの広いスケールで可視化するための中性子超小角散乱と中性子ラジオグラフィの融合

岩瀬 裕希; 小泉 智; 飯倉 寛  ; 松林 政仁  ; 山口 大輔; 前川 康成; 橋本 竹治

Iwase, Hiroki; Koizumi, Satoshi; Iikura, Hiroshi; Matsubayashi, Masahito; Yamaguchi, Daisuke; Maekawa, Yasunari; Hashimoto, Takeji

燃料電池の発電特性は燃料電池セル中の水の分布・挙動と直結する。燃料電池の水分布は電解質膜のイオンチャンネル内に存在するミクロスケールの水,ガス拡散相やセパレータの流路に滞留したマクロスケールの水といったように広い空間スケールにわたって存在し、総合的に発電特性を支配すると考えられている。今回、ミクロスケールからマクロスケールの水分布を広範囲な空間スケールについて横断的に観察するための計測手段として、中性子小角散乱と中性子ラジオグラフィを結合させた計測システムを開発した。本計測法により、実作動状態下の燃料電池単セル内のミクロからマクロスケールの水分布状態を観察することを世界に先駆けて成功した。

We constructed an in-situ and simultaneous observation method as a result of combination between ultra-small-angle neutron scattering and neutron imaging (radiography). With this novel technique, we are able to visualize water distribution or transportation, occurring from micro to macro length scales in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). At a sample position of SANS-J-II at JRR-3, we installed a neutron imaging camera in order to construct an in-situ and simultaneous observation method by USANS and neutron imaging with monochromatized cold neutrons. In addition, in order to selectively observe MEA in a running PEFC by using the in-situ and simultaneous observation method, we need to replace carbon separators which cause strong small-angle scattering as a noise. To reduce this strong background, we replaced the carbon separators with the aluminium ones. As a result, the background scattering was minimized (1/10) as compared to before.