Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

メカノケミカル / プロトン / 固体酸 / 電解質 / 燃料電池 / 無機-有機 / 複合体 / メカノケミカル処理 / 硫酸塩 / リン酸塩 / ヘテロポリ酸 / グアニン / アゾール / 水素結合 / 導電率 / NMR

本研究では、種々の硫酸水素塩とリンタングステン酸(WAP)やケイタングステン酸(WSiA)を遊星型ボールミルを用いて複合化し、複合体の導電率の温度・組成依存性を系統的に調べた。CsHSO_4-WPA系と同様、KHSO_4-WAP系とNH_4HSO_4-WPA系では、硫酸水素塩含量が90mol%付近で導電率の極大が認められた。ミリング処理によって、WPAのプロトンの一部が一価カチオンによって置換され、ヘテロポリ酸の面間隔が小さくなっていることや、硫酸水素アニオンとヘテロポリ酸の間に新たな水素結合が形成されていることがわかった。導電率の対数値とH^^1 MAS NMRスペクトルのケミカルシフトから求めた水素結合距離の間に良好な相関を確認した。また50H_4SiW_12O_40・50CsHSO_4複合体をポリベンズイミダゾール(PBI)に混合することでPBI-50Si50Cs系コンポジット膜を作製した。シングルセル発電試験(無加湿160℃)の結果、コンポジット膜は非常に優れた発電特性を示した。これは無機固体酸複合体が分散することで、プロトンのホッピングが容易になったためと考えられる。

熱・物質移動 / 燃料電池 / 核磁気共鳴法 / 電流密度計測 / センサー / 小型表面コイル / 核磁気共鳴 / 計測技術

固体高分子形燃料電池(PEFC)の小型化や高出力密度化のためには, 高分子電解質膜(PEM)全体で発電電流密度を高く維持することが求められる. 本研究では, 小型表面コイルをPEFC内のPEM とGDL の間に挿入して、取得したNMR 信号から電流値を計測できる手法を開発した. 発電時の等価回路をモデル化して磁場解析を行い, 計測値と比較をすることで一次元電流分布が推測できることが分かった.

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 / 高分子膜

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。さらに、複数センサーを用いれば、燃料電池内の含水量分布計測が可能となる。
そこで、MEA(Membrane Electrode Assembly)のアノード側とカソード側に二つずつのセンサーを配置して、MEAに直流電圧を印加して水電解運転させた。この場合のNMR信号強度の過渡変動を小型NMRセンサーで捉える試行実験を行った。計測システムは、8系統の独立した送受信系を持っており、8個の表面コイルに励起パルスを同時に送信して、8つのNMR信号を同時に受信・検波できるという特徴がある。8個の表面コイルをMEAに貼り付け、含水量を8点同時に計測できるマルチNMRセンサー計測システムを製作した。
MEAに直流電圧を印加して、アノード側とカソード側で取得されたエコー信号強度の時間経過を取得した。エコー信号強度と含水量が正の関係にあるとし、エコー信号の挙動を調べた。その結果、アノード側では電気分解と電気浸透流によってPEM内の含水量が早く減少し、カソード側では電気浸透流によって一旦は含水量が増加するが、その後は徐々に減少していく様子が本計測システムで捉えられた。このセンサーの開発により燃料電池内のリアルタイム計測と制御へと展開できる基礎を築いた。

【研究分担者】
武藤浩行	豊橋技術科学大学	大学院・工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
大幸裕介	兵庫県立大学	大学院・工学研究科	助教	(Kakenデータベース)
逆井基次	豊橋技術科学大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
小暮敏博	東京大学	大学院・理学系研究科	准教授	(Kakenデータベース)