In-situ and real time observation of operating polymer electrolyte fuel cell performed by a combined method of small-angle neutron scattering and neutron radiography

中性子は生きたままを見ることができるすばらしいプローブ; 中性子小角散乱で作動状態燃料電池を可視化する

小泉 智; Putra, A.; 山口 大輔

Koizumi, Satoshi; Putra, A.; Yamaguchi, Daisuke

中性子は物質のミクロ構造を生きたままの状態で観察できるすばらしいプローブである。本研究ではこの中性子を小角散乱法に用いて、作動状態の固体高分子形燃料電池内部をその場観察することを試みた。特に高分子電解質膜(ナフィオン膜)に対してユニークなコントラストを導入するために重水素ガスを燃料(重水素燃料電池)として電池を発電した。その結果、プロトン伝導を担うイオンチャンネルのサイズの変化を電流密度の増大とともに検出することに成功した。電池の電流値の増大に伴いイオンチャンネルサイズは増大するがサイズ増大は最大1割程度である。これはカソードで生成した水の逆拡散による電解質膜の膨潤によるものと解釈できる。イオンチャンネルサイズの増大に伴い電圧値の低下が確認されたが、これは流路に沿って分布する水(フラッディング)の影響である。フラッディングを検出するために中性子ラジオグラフィを同時計測できる計測システムも構築したので併せて報告する。また一定の電流密度の運転条件ではイオンチャンネルに由来する小角散乱が時間変動した。これはフラッディングに伴い、燃料ガスの供給が影響を受け発電が時間変動するためである。すなわち発電の時間変動はイオンチャンネル内の水も時間変動をもたらすわけで、発電とフラッディングのバランスによって発現する非線形現象と理解でき燃料電池の生きた側面と言える。

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 at Japan Atomic Energy Agency, Tokai, Japan. 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).