成果報告書詳細
管理番号20100000001558
タイトル平成20年度-平成21年度成果報告書 固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発 基礎的・共通的課題に関する技術開発 物質輸送現象可視化技術(超高空間分解能中性子ラジオグラフィ技術の開発、及び燃料電池対応用パルス中性子イメージング技術の開発)
公開日2010/9/30
報告書年度2008 - 2009
委託先名独立行政法人日本原子力研究開発機構 神戸大学 東京工業大学
プロジェクト番号P05011
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約NEDOプロジェクト「物質輸送現象可視化技術」では、平成20年7月から平成21年3月の期間、燃料電池の重要な課題である電池内部の水分挙動を解明するための可視化技術である中性子ラジオグラフィ、中性子小角散乱、MRI、及び軟X線技術の開発・高度化に注力してきた。本プロジェクトでは、それぞれの技術においては、空間分解能に関して世界最先端となるべく目標値を定め、以下の4つの研究項目について、研究開発を進めた。A 超高空間分解能中性子ラジオグラフィ技術の開発、及び燃料電池対応用パルス中性子イメージング技術の開発本研究では、高輝度・高空間分解能中性子検出器である中性子イメージインテンシファイアを用いて、解像度3.6μm(画素サイズ)の撮像システムを開発し、研究開発目標を達成した。また、高コリメータ比でビーム視野を拡大するマルチピンホールシステムを開発し、従来20mm×20mm程度だった高L/D時の視野を、目標であるJARI標準電池の発電領域をカバーできる50mm×50mm以上に拡大することができた。さらに、熱中性子ラジオグラフィ装置用燃料電池発電システム等の開発・整備により、多くの研究者が中性子ラジオグラフィによる燃料電池可視化実験を円滑に実施できる環境を整えた。パルス中性子イメージングの開発に関しては、高速度カメラ等を用いた新規撮影システム及び解析ソフトを開発し、燃料電池への応用の可能性について検討した。
B CT計測技術開発および結露水分布・電池性能の相関評価とモデリングボアスコープを用いた画像取得システムの開発により、画素寸法6.5μmで膜厚方向の水分布計測を実現し、研究目標を達成した。中性子散乱成分に起因する誤差低減のため、孔径20μmのMCPコリメータを開発し、有効性を実証した。1秒1CT計測を最短3秒間隔で連続計測可能なダイナミックCT計測技術を開発し、発電時の燃料電池内水分布計測へ適用し、研究目標を達成した。ガドリ箔で製作した幅5μmのスリットによるMEA内水分布計測手法を開発した。画素数4096 × 4096 pixelのCCDセンサを有するカメラシステムを製作し、空間分解能12.5μmを確認した。計測した水分布を元に、電池内の気流分布が解析可能なネットワークモデル構築した。
C. 中性子超小角散乱・イメージング結合技術本プロジェクトにおいては、中性子小角散乱(SANS)と中性子ラジオグラフィ(NR)の同時計測システムを開発に成功した。JARI標準単セルを構成するパーツを置き換えることで、SANSとNRの同時計測に適した低バックグラウンドの同時計測用燃料電池単セルを開発し、実作動中の燃料電池内部のマクロからミクロスケールの水分布が観察可能とした。また、実作動状態の燃料電池単セルをSANS・NRGにより同時計測し、両者の結果を総合して電解質膜内の水分布は上下方向で場所依存があり、アノード入り口付近ある下部で電解質膜の水分布が少ないことを見出した。未架橋PTFE基材から架橋PTFE電解質膜を作製する過程の各プロセスにおける膜構造の変化をSANSにより逐次観察し、イオンチャンネルの形成過程を解明した。
D. RI高分解能化計測および軟X線水分計測技術の開発本研究開発では、PEFCのアノード・カソード両極間の水分輸送現象解明のための基盤計測技術の開発を行った。電解質膜内水分については、磁気共鳴イメージング(MRI)の高空間分解能化のための研究開発を行った。この結果、発電状態における膜厚50μmの電解質膜を対象に、膜厚方向ボクセルサイズ5μmでのMRI計測を実現し、研究開発目標を達成した。
触媒層・微細孔層・ガス拡散層などの多孔質電極内水分については、新たに軟X線による計測技術の開発を行い、燃料電池を軟X線装置の中に設置して、発電時のセル内水分を膜厚方向ならびに膜面方向について計測するための基盤技術を確立した。これにより、高空間分解能(1ミクロン/画素)かつ高時間分解能(2秒/フレーム)でのMEA内の液体水の可視化を実現する計測技術の開発に成功し、研究開発目標を上回って達成した。
上記A,B,C,Dの研究開発により、これら可視化技術において、目標とした空間分解能を達成することができた。今後は、激しい国際競争下にある燃料電池の早期実用化のために、これら開発した可視化技術の更なる高度化を行うとともに、広く一般の研究者への利用・普及を実施していくことが重要になる。
英文要約In Mass Transfer Phenomena Visualization Technology Project, new visualization techniques of neutron radiography, neutron small scattering analyses, and MRI had been developed and improved to observe detailed water distribution, which contributes to realizing the water transfer mechanism in fuel cells. Main target of the developments is enhancement of spatial resolution of those techniques. In this project, four sub-themes and two feasibility studies (FS) were set up and carried out. The contents are summarized in the followings.
A Development of ultra-high spatial resolution neutron radiography
(FS) Pulsed neutron imaging system for fuel cell application.
High sensitivity and high spatial resolution neutron radiography system using neutron image intensifier was successfully developed. The resolution of this system is 3.6mm by 3.6mm in pixel size, which is better than target value 10mm in this project. Multi pinhole collimator system was developed for enlarging high L/D beam field from 20mm by 20mm to 50mm by 50mm, which covered the power generation area in the JARI standard fuel cell. In addition, we installed a fuel cell operating system at the thermal neutron radiography facility in JRR-3 for which fuel cell researchers can conduct the various fuel cell experiment.
B Development of CT technique for 3D measurement of water distribution, and evaluation and modeling on relationship between water distribution and cell performance
Pixel size of 6.5μm was achieved for measuring water distributions in the direction of a MEA thickness by means of a bore-scope system. A new collimator was developed for eliminating neutron scattering effects. A dynamic CT system which can obtain a three-dimensional water distribution every 3 second was developed, and applied for measuring water distributions in an operating PEFC. Spatial resolution of 12.5μm was achieved by using a developed camera-system with 4k x 4k pixels. A network modeling was developed for analyzing the gas-velocity distributions based on the water distributions in a PEFC.
C. A Combined Method of Ultra-Small-Angle Neutron Scattering and Neutron Radiography
We developed a new simultaneous and in-situ observation method of an operating PEFC, by combining small-angle neutron scattering (SANS) and neutron radiography (NR). In order to selectively observe a membrane electrode assembly (MEA) in an operating PEFC, we also developed a PEFC specific for the combined method of SANS and NR. By using new simultaneous and in-situ observation technique, we succeeded in selective, simultaneous, and in-situ observation of the water widely distributed in the operating PEFC. NR is suitable for visualization of the water in a flow-field in millimeter-to-micrometer in scale, whereas SANS quantitatively detects the water content in a polymer electrolyte membrane in nanometer scale.
D. Development of High-spatial Resolution MRI Technique
(FS) Soft X-Ray Radiography as in-situ Water Visualization Methods in PEFCs
In this project, magnetic resonance imaging (MRI) techniques and soft X-ray radiography have been intensively developed as in-situ visualization methods for water transport analysis in operational
PEFCs. We designed and assembled a PEFC for MRI visualization with high spatial resolution and showed transversal water content distribution in a 50um-thicknes membrane in the operational PEMFC with 5um-transversal voxel size. In addition, we confirmed that soft X-ray radiography showed its strong potential on visualization of liquid water in porous electrodes in PEFC with a high spatial resolution less than 1um and temporal resolution less that 2seconds per flame.
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