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

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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。