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

作動状態下にある燃料電池内部の水をナノ-ミリの広範な空間スケールにおいて可視化するための中性子小角散乱法と中性子ラジオグラフィ法の結合技術

小泉 智; 山口 大輔; 岩瀬 裕希*; Putra, A.; 前川 康成; 松林 政仁  ; 橋本 竹治

Koizumi, Satoshi; Yamaguchi, Daisuke; Iwase, Hiroki*; Putra, A.; Maekawa, Yasunari; Matsubayashi, Masahito; Hashimoto, Takeji

作動状態下にある固体高分子形燃料電池(PEFC)の内部において発生する水を可視化するために、シンチレータ,光学ミラー,CCDカメラによって構成された中性子ラジオグラフィ(NR)装置を、研究用原子炉(JRR-3)にある中性子小角散乱(SANS)分光器(SANS-J-II)の試料位置に搭載した。SANSとNRを結合することでナノメートルからミリメートルまでの広範な空間スケール全体の観測が可能となった。この新しい手法によって、燃料電池単セルの個々の構成要素において生成した水の空間分布を検出することに成功した。すなわち、NRはガス拡散層とセパレータ内の水を検出し、SANSは膜・電極接合体(MEA)内の含水量を定量的に決定した。

In order to visualize water generated in an operating polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a neutron radiography (NR) apparatus, composed of a scintillator, optical mirrors and a CCD camera, was installed at a sample position of the focusing and polarized neutron small-angle scattering (SANS) spectrometer (SANS-J-II) at research reactor JRR-3. By combining SANS and NR, we aim to cover a wide length scale from nanometer to millimeter. The new method succeeded in detecting a spatial distribution of the water generated in individual cell elements; NR detected the water in a gas diffusion layer and a flow-field, whereas SANS quantitatively determines the water content in a membrane electrode assembly (MEA).