偏極解析中性子小角散乱法によるナフィオンの微細構造の研究; イオンクラスター内部の水和構造に関して

Microstructures of membrane electrode assembly investigated by polarization analysis neutron small-angle scattering; Water distribution in ion cluster

小泉 智; Putra, A.; 能田 洋平; 山口 大輔; 徳増 崇*; 川勝 年洋*

Koizumi, Satoshi; Putra, A.; Noda, Yohei; Yamaguchi, Daisuke; Tokumasu, Takashi*; Kawakatsu, Toshihiro*

固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体(MEA)の構造評価法を中性子小角散乱法を基軸として開発した。従来のピンホール型中性子小角散乱法(SANS)に集光レンズを用いてピンホール法を補強し集光型超小角散乱法を実現した。また完全結晶を活用した ボンゼ・ハート法を活用し測定範囲を10mへ拡張した。これらが観察する空間サイズはMEAのカーボン担体及びそこにおける水分布に相当する。またm以上の観察は、低真空走査電子顕微鏡で補足し、画像をフーリエ変換して散乱との比較を行った。他方、局所構造に関して偏極解析法を併用することで非干渉性散乱を定量化して除去し、ナフィオンのイオンクラスター構造の内部を観察することに成功した。この結果を分子動力学法や粒子散逸法などのマルチスケール計算機シミュレーションの結果と比較し、イオンクラスターの内部構造を実画像化することを試みた。以上のように実空間観察、計算機シミュレーション等を組合せた先端的中性子小角散乱法は、燃料電池の運転性能を向上させるためのMEA材料の設計指針を与える新手法として有用である。

In order to perform a multi-scale observation on a membrane-electrolyte assembly (MEA) of polymer electrolyte fuel cell (PEFC), small-angle neutron scattering (SANS) was recently reinforced by advanced neutron optics. A focusing ultra-small-angle scattering method was developed by using a neutron lens. By combining a double crystal (Bonse-Hart) method, we are able to reach to 10 micron meter length scale, which corresponds to the size of aggregation by carbon powders in an electrode layer. Polarization analysis enables us to selectively remove incoherent scattering from hydrogen atoms and to detect coherent scattering due to ion-cluster of polymer electrolyte (Nafion) and water distribution in it. In order to output structural information in real space, we examined our SANS results by comparing images in real space obtained by low vacuum SEM and multi-scale computer simulations.