固体高分子電解質膜内に分布する水分子の磁気共鳴イメージングによる測定

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750158
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 伊藤 衡平 豊橋技術科学大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10283491)
• Keywords: 固体高分子電解質膜 / 拡散係数 / 水分子 / 重水 / 磁気共鳴イメージング

Research Abstract

固体高分子電解質(SPE)膜を応用した燃料電池などの電気化学機器の性能は、SPE膜内の湿潤状態に著しく左右される。しかしこれまでに、SPE膜内の水分子の分布やその輸送機構は明らかにされていない。そこで、核磁気共鳴イメージング法(MRI)を使い、SPE膜内の水分子分布を実測し、得られた結果から膜内水分子の輸送機構を考察し、輸送モデルを構築することを目標に研究を進め、以下の成果を得た。
平成12年度は、電極のない簡単なセルを製作し、流路に空気や水を流し、膜厚方向に生じる水分子の濃度分布の測定をMRIにより試みた。水の変わりに、水(軽水)と性質が同等で、磁気共鳴信号を生じない重水を流路に流し、S/Nが高くなるよう工夫した。その結果、SPE膜の各断面のH-NMRスペクトルが精度良く得られ、SPE膜内の水分子の濃度分布を100μm空間、15s時間分解能で観測できた。さらに、実験条件に対応させた数値解析結果と比較検討し、湿潤膜では水分子と重水分子の相互拡散が生じる、拡散係数がおよそ0.8×10^<-10>m^2/sになる、と考察できた。乾燥膜では、移流的な水分子輸送が見られ、等価的な拡散係数が5×10^<-10>m^2/sになると考察できた。
平成13年度は、SPE膜に電極を取り付け、通電時の膜内水分子分布を測ってみた。核磁気共鳴周波数域の信号は、SPE膜を囲む金属、すなわちインターコネクターやガス拡散層に吸収されてしまう。そこで、SPE膜の表面の触媒層を吸着還元プロセスで製作して5μm以下と薄く作る、ガス拡散層を取り除く、膜の周囲から電流を取り出すなどの工夫を施した。その結果、SPE膜の両面、すなわちアノード、カソードの両面が触媒電極に覆われていても、SPE膜内の水分子のNMR信号を観測できることがわかった。また、定性的ながら、水分子の濃度分布を見ることができた。

Research Products

• [Publications] 伊藤衡平, 小川邦康: "D20に浸した固体高分子膜内を移動する水分子のMRI計測"第37回 日本伝熱シンポジウム講演論文集. 937-938 (2000)
• [Publications] 伊藤衡平, 小川邦康: "CSI法による固体高分子電解質膜内水分子の濃度分布測定と輸送係数の算出"第5回 NMRマイクロイメージング研究会. 28-31 (2000)
• [Publications] 伊藤衡平: "高分子内の水分子の輸送"第6回 NMRマイクロイメージング研究会. 15-1* (2001)
• [Publications] Kohei Ito, Kuniyasu Ogawa: "Investigation of Water Molecule Distribution and Transport Mechanism in Polymer Electrolyte Membrane by Magnetic Resonance Imaging"Proceeding of the 4th JSME-KSME Thermal Engineering Conference. 3・. 355-360 (2001)
• [Publications] 伊藤衡平, 小川邦康: "核磁気共鳴画像法による固体高分子電解質膜内の水分子濃度の濃度分布の測定と輸送係数の算出"日本機械学会論文集. B68・. 543-549 (2002)