中性子ラジオグラフィによる高空間分解能計測技術を用いた固体高分子形燃料電池内水分布計測

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1 中性子ラジオグラフィによる高空間分解能計測技術を用いた固体高分子形燃料電池内水分布計測
神戸大学大学院　○和田大祐, 宮田広大, 村川英樹 　　　　　　　　　　　　　杉本勝美，浅野等，竹名信幸　

2 電池内水挙動と発電性能の関係は完全には明らかにされていない
研究背景 e- 集電板 カソード アノード Membrane 50μm 電極層 20μm GDL 190μm 流路 1mm H+ H2 O2 固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell)の構造 集電板 本研究では固体高分子形燃料電池（PEFC）を研究対象としている。 PEFCの特徴として、ほかの燃料電池と比べ、100℃以下の低温で動作が可能であること、 小型でも高い出力を持つことなどが挙げられ様々な分野で実用化が期待されています。 PEFDの構造を図に示します。PEFCは電解質に高分子膜を使用した燃料電池で 集電板、流路、GDL、電極、高分子膜から成るMEAがサンドイッチ状に挟まれた構造を有しています。 アノード側では触媒により水素がイオン化し、カソード側では水素イオンと酸素が 反応し、水を生成します。その過程において電子を取り出す構造を有しています。 ・ 電極層や、蒸気拡散層での水の滞留は、ガス供給の妨げとなる ・ セパレータ内流路での水の滞留は、気流の流動抵抗となる 結露水の滞留による発電出力の低下 電池内水挙動と発電性能の関係は完全には明らかにされていない PEFCの課題

3 従来の計測システム ②ボアスコープを用いた撮像システム ①暗箱を用いた撮像システム 画素寸法：最大12.5μm/pixel
被写体 中性子ビーム 遮蔽体(鉛) EM-CCDカメラ ボアスコープ 暗箱 遮蔽体 (鉛ビスマス) コンバータ 第2ミラー 第1ミラー 望遠レンズ 可視光 暗箱 遮蔽 カメラ 中性子ビーム 被写体 画素寸法：最大12.5μm/pixel ※800mm相当の望遠レンズ使用時 画素寸法：6.5μm/pixel 露光時間：50秒

4 中性子IIを用いた撮像システム 露光時間：25sec 画素寸法：3.6μm/pixel 中性子II (Image Intensifier)
模式図 レンズ 中性子ビーム カメラ 中性子II 被写体 e- 可視光 ミラー カメラシステム：カラー48bit, CMOS　画素サイズ：5616x3744 pixels　　　　 露光時間：25sec 　 画素寸法：3.6μm/pixel 中性子II (Image Intensifier) 中性子を電子に変換し電子を増幅する．増幅後の電子を可視光に変換することで感度が上昇し，露光時間を短縮できる．

5 発電状態における燃料電池の高空間分解能計測
　計測対象：可視化用小型PEFC 発電条件 　負荷電流0.2A一定で空気流量（空気利用率），供給ガスの 　加湿状況，電池温度を変化させる． 　条件１ 　　電池温度：常温　供給ガス：無加湿 　　水素流量：30cc/min　空気流量50cc/min（利用率6.63%） 　条件２ 　　水素流量：30cc/min　空気流量60cc/min（利用率5.53%） 　条件3 　　水素流量：30cc/min　空気流量90cc/min（利用率3.69%） 　条件4 　　電池温度：常温　供給ガス：加湿 　条件５ 　　電池温度：80℃　供給ガス：無加湿 実際にダイナミックCT計測システムを用いて発電状態における燃料電池内水分布の三次元可視化を行った。 電池として図に示す53mm×52mm、溝深さ1mmの流路寸法の単一蛇行流路、を有した可視化用単セル 発電条件水素流量76cc/min　空気流量 90cc/min　電池温度常温にて発電実験を行ないました。 撮影条件は２秒／１CT　フレームレート200fps　CT撮影間隔20秒、画素寸法105μm、視野サイズ6インチ 輝度諧調8bitにて撮影を行ないました。 ぐらふは発電開始からのセル電圧、電流密度の時間変化を示したものです。 縦軸がセル電圧及び電流密度、横軸が時間を示しており、赤線で示しているのがセル電圧、青線が電流密度がです。また黒の丸はCT計測時刻を示しています。 グラフをを見ると14分後までは比較的安定して発電を行えているが15分後以降は電圧が上昇・下降を繰り返し， 20分を経過した時点で発電停止に至っていることが分かります． 電池内の水分布と、発電性能の関係を知るために、発電出力低下時である図に示した範囲に注目して3次元可視化を行いました。 撮像条件 ・露光時間:25sec ・撮影間隔:7sec ・画素寸法:3.6μm/pixel

6 MEA 電解質膜50μm×5000μm 電極層20μm×5000μm
小型PEFC 可視化領域 実物 模式図 ガス流路 500μm×1000μm アノード カソード ①寸法の説明 ②撮影条件の読み上げ MEA 電解質膜50μm×5000μm 電極層20μm×5000μm GDL 190μm×5000μm

7 取得画像 計算式 ノイズ除去方法 3.6ｍｍ 3.6ｍｍ ・閾値以上の画素を除去 ホワイトスポットの除去 ・空間平均 オフセットの軽減
S:輝度，G:ゲイン，μ:中性子の減衰率，ρ:密度，d:厚さ 計算式 可視化画像 MEAの平均水厚さを求める 3.6ｍｍ MEA+GDL 流路 画素の縦１列ごとの平均水厚さを求める 3.6ｍｍ ノイズ除去方法 ・閾値以上の画素を除去 ホワイトスポットの除去 ①スケールのオーダーの説明 ②緑枠内の全体の水厚さを取ること、赤枠内の縦一列ごとの水厚さを求め横方向の水分布を取ることを説明 ・空間平均 オフセットの軽減

8 計測結果例 空気利用率変化 ①空気流量 50cc/min ②空気流量 60cc/min ③空気流量 90cc/min
計測結果例　空気利用率変化 ①空気流量　50cc/min ②空気流量　60cc/min ③空気流量　90cc/min (i)MEA中の平均水厚さ (ii)PEFC内の平均水厚さ

9 まとめ MEA、GDLの厚さ方向の水分布を得るため、高空間分解能計測システムを構築し、燃料電池内水分布計測を行い以下の結果を得た。
・中性子II（Image　Intensifier）を用いた高空間分解能計測システム 　を構築し、空間分解能3.6μm/pixelでの計測が可能となった。 ・同システムにより露光時間２５secでの計測が可能となり、燃料電池 　内水分布計測において重要である時間分解能を向上できた。 ・同システムを用いて燃料電池内水分布の高空間分解能計測を行い 　MEA及びGDL内の水分布計測が可能であることを示した。

10 KURにおける可視化実験 KURのラジオグラフィシステムを用いてPEFC内水分布の高空間分解能計測を行う． コンバータ評価
評価対象コンバータ：KUR-C NO.1， KUR-C NO.3， KUR-C NO.6 カメラシステム：冷却型CCDカメラ，105mmレンズ，テレコン使用（1.6倍，2倍） 画素寸法：56μm/pixel　露光時間：10sec 原子炉５MW運転時 KUR-C NO.1 KUR-C NO.3 KUR-C NO.6

11 KURにおける可視化実験 コンバータ評価結果 ①KUR-C NO.1 ②KUR-C NO.3 ③KUR-C NO.6
ダイナミックレンジ：約700 空間分解能：2/λ=206μm ダイナミックレンジ：約190 空間分解能：2/λ=128μm ダイナミックレンジ：約420 空間分解能：2/λ=125μm

12 KURにおける可視化実験 燃料電池内水分布計測結果
コンバータ：KUR-C NO.6　カメラシステム：同様 小型電池（流路幅１ｍｍ，流路深さ１ｍｍ）の3本並列流路に水を注入 原子炉５MW運転時 ・KUR-C NO.6コンバータを用いて可視化を行い、電池内水分布の可視化に充分な輝度快調が得られた． ・画像処理を行い、電池内水厚さを求めた結果流路深さに相当する水厚さが得られ電池内水分布の定量計測が可能であることを示した

13 KURにおける可視化実験 今後の予定 ・１月KUR実験にて発電中の電池内水分布計測を行う．
・冷却型CCDカメラ（1024×1024pixel），180mmレンズ，6.4倍相当のテレコンを用いて，高空間分解能での計測を行う． ・ガス利用率，発電密度，電池温度など発電条件を変化させ，電池内水分布が発電性能に及ぼす影響を明らかにする．