2005 Fiscal Year Annual Research Report
マイクロNMRセンサによる燃料電池用固体高分子膜内の電極近傍水分量計測と湿潤制御
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16760162
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
小川 邦康 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (50272703)
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| Keywords | 核磁気共鳴(NMR) / 燃料電池 / 固体高分子電解質膜 / 水分量計測 / モニタリングシステム |
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| Research Abstract |
燃料電池用固体高分子膜内の水素極・酸素極での水分濃度にイオン伝導度は強く依存し、発電性能が影響を受ける。この高分子膜内の水分量計測を高空間・時間分解で計測するためにマイクロRFコイルを用いて局所計測を行えば、膜内水分濃度が短時間で計測できる。PEM内含水量のリアルタイムモニタリングを開発目標として、小型表面コイルにより核磁気共鳴(NMR)信号を受信し、PEM内の局所含水量を短時間で計測できる手法を開発した。
燃料電池の始動時や負荷変動時にはPEM内の輸送現象が過渡的に変動する。その現象の時定数は1〜10秒のオーダと推測されている。PEM内輸送現象を時間応答性まで含めて把握するには、過渡変動時のPEM内含水量を計測する必要がある。そこで、PEM内含水量の過渡変動を小型NMRセンサーで捉える試行実験として、PEMを水電解モードで運転した際の含水量変化を計測した。MEAの含水量は約12[H_2O/SO_3^-H^+]、MEAの両電極間に印加した電圧は2.8〜3.4V、電流密度は0.06〜0.08A/cm^2であった。電解中のMEAには水を供給していない。このような場合、アノード側のPEM内の水が時間と共に電気分解と電気浸透流によって減少すると推測される。4.8秒間隔で水電解運転時の信号強度の変化を計測し、信号強度が低下していく様子を捉えることができた。
また、RFコイルはPEM内のどの領域からNMR信号を主として受信しているのかが計測領域を特定する上で重要となる。そこで、円形コイルが空間に作る励起磁場分布をビオ・サバールの法則を用いて算出し、実測値から求めた励起磁場強度と磁化ベクトルの励起角度の関係、励起角度と複数回励起によるエコー信号強度の関係と、さらにコイルの受信感度分布を考慮して相対的なエコー信号受信強度分布を求めた。励起磁場解析から小型表面コイルでの計測領域は深さ方向が直径の5分の1程度までの円盤状領域であることが明らかとなった。
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