固体高分子形燃料電池の水輸送と電気化学特性の解明
目的
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燃料電池は水素と酸素を用いた発電装置である．化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するため高効率であり，また発電反応過程で排出するのが水のみであるといった特徴がある．
中でも固体高分子形燃料電池（PEFC）は，100℃以下の比較的低温で動作可能であることから，自動車，家庭用コジェネレーションシステムへの利用が進められている．しかしながらPEFCの問題点として，
高分子膜が乾燥することによるイオン伝導率の低下（ドライアウト），反応過程で生成された水が触媒層（CL），ガス拡散層（GDL），ガス流路内に滞留することで発電反応を阻害する現象（フラッディング現象）が
挙げられる．このようにPEFCの性能は内部の水と密接な関係性がある．
本研究では，金属内の水分布を可視化できる中性子ラジオグラフィを用いることで発電時の水分布を計測し，電気特性との相関を評価している．それらの結果を数値解析に反映させることで，物質輸送と発電性能の関係の解明を進めている．
研究内容
中性子は，アルミや鉄といった金属による減衰が小さく，水による減衰が大きいという特徴がある．この中性子の特性を生かした可視化計測法が中性子ラジオグラフィであり，
金属で構成されたPEFCにおいて，発電時に内部で生成される水分布を計測することができる．
図は，中性子ラジオグラフィによって得られた透過画像の一例であり，これを画像処理することによって，時系列の二次元水分布を得られる．この画像から，PEFCの発電反応により
カソード側GDLや流路に水が滞留していることがわかる．また，この可視化計測と電気化学インピーダンス法（EIS法）による計測を同時に行うことにより，水分布の変化が発電性能に
与える影響について評価している．得られた実験データをもとに水輸送現象と発電性能を関連付けたモデルの評価を数値解析とともに実施している．
発表論文
H. Murakawa, S. Sakihara, K. Sugimoto, H. Asano, D. Ito, Y. Saito
Simultaneous Measurements of Water Distribution and Electrochemical Characteristics
in Polymer Electrolyte Fuel Cell, Materials Research Proceedings 15 (2020)
pp. 268-273. https://doi.org/10.21741/9781644900574-42
H. Murakawa, K. Sugimoto, M. Sawada, M. Nishizaki, H. Asano, N. Takenaka, Y. Saito
Study of water transport phenomena in polymer electrolyte fuel cells in
the through-plane direction, Multiphase Science and Technology 27(2-4)
(2015), pp.117-132. https://doi.org/10.1615/MultScienTechn.v27.i2-4.20
H. Murakawa, K. Sugimoto, N. Kitamura, M. Sawada, H. Asano, N. Takenaka, Y. Saito
Visualization of water accumulation process in polymer electrolyte fuel
cell using neutron radiography, Physics Procedia 69 (2015), pp.607-611.
https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.07.086
H. Murakawa, K. Sugimoto, N. Kitamura, H. Asano, N. Takenaka, Y. Saito
Visualization and Measurement of Water Distribution in Through-Plane Direction of Polymer Electrolyte Fuel Cell during Start-Up by Using Neutron Radiography, Journal of Flow Control, Measurement & Visualization 3(3) (2015), pp.122-133. https://doi.org/10.4236/jfcmv.2015.33012
M. Sawada, M. Nishizaki, H. Murakawa, K. Sugimoto, H. Asano, N. Takenaka, Y. Saito, D. Ito
Visualization of water distribution in an operating PEFC in the through-plane
direction, Proc. of International Conference on Power Engineering-15 (2015)
#ICOPE-15-1041. https://doi.org/10.1299/jsmeicope.2015.12._ICOPE-15-_28
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