重水素燃料電池を用いた水履歴の追跡; 中性子小角散乱と赤外吸収分光の相補的利用

Investigation on water history using deuterium fuel cell

小泉 智; Putra, A.; Zhao, Y.; 能田 洋平; 山口 大輔; 上田 悟*; 郡司 浩之*; 江口 美佳*; 堤 泰行*

Koizumi, Satoshi; Putra, A.; Zhao, Y.; Noda, Yohei; Yamaguchi, Daisuke; Ueda, Satoru*; Gunji, Hiroyuki*; Eguchi, Mika*; Tsutsumi, Yasuyuki*

ナフィオン膜は数ナノメートルサイズのイオンクラスターを形成し、内部の水分量に応じてプロトン伝導性が大きく変化することが知られている。このため固体高分子形燃料電池の発電特性を高温低加湿条件で最適化するためには、動作中の水分量と分布を定量的に評価することが重要である。また膜電極接合体(MEA)を介して両極間を往来する水の定量化し水管理の知見を得ることも必須である。そこで動作中の燃料電池の水履歴の評価法として、燃料に重水素ガスを用いる重水素燃料電池を考案し、これを中性子小角散乱と組合せることを試みた。運転の途中で軽水素/重水素ガスの交換を行えば、カソード極ではそれぞれに軽水,重水が生成し、この水はやがてMEAを膨潤させる。そのとき中性子小角散乱に対して異なる散乱コントラストを生じさせ散乱強度の変化より重水と軽水の割合が決定できた。さらにアノード極,カソード極の出口で軽水と重水の混合比を赤外吸収分光で定量化し水履歴の完全理解を目指した。

In order to investigate water history during fuel cell operation, we employed deuterated gas (D) as a fuel (deuterium fuel cell). With exchange of H and D, we aim to perform a contrast variation as for polyelectrolyte film (Nafion). When D gas is used as a fuel, DO is produced at the cathode and diffuses back to the film. Then the film, originally swollen by HO, exhibits change of coherent scattering contrast. By changing a fuel gas from H to D, SANS quantitatively detected decrease of scattering intensity at scattering maximum originating from the ion-channel in the electrolyte. After quantitative analyses on scattering intensity, which is related to water ratio (HO/DO) in the ion channel, we could determine the water ration swelling a membrane.