Transcript 中性子ラジオグラフィによる加速器ターゲットにおける熱流動計測

中性子ラジオグラフィによる高空間分解能計測技術
を用いた固体高分子形燃料電池内水分布計測
神戸大学大学院 ○和田大祐, 宮田広大, 村川英樹
杉本勝美，浅野等，竹名信幸
研究背景
固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell)の構造
e-
アノード
カソード
e-
H2
O2
e-
H2
O2
O2  4H   4e  2H 2O
H+
流路
1mm
Membrane
GDL
GDL
50μm
190μm 電極層
電極層 190μm
20μm
20μm
H 2  2H   2e
カソード
H+
集電板
アノード
流路 集電板
1mm
PEFCの課題
結露水の滞留による発電出力の低下
・ 電極層や、蒸気拡散層での水の滞留は、ガス供給の妨げとなる
・ セパレータ内流路での水の滞留は、気流の流動抵抗となる
電池内水挙動と発電性能の関係は完全には明らかにされていない
従来の計測システム
①暗箱を用いた撮像システム
②ボアスコープを用いた撮像システム
被写体
コンバータ
第1ミラー
暗箱
ボアスコープ
中性子ビーム
可視光
中性子ビーム
被写体
遮蔽体
(鉛ビスマ
ス)
EM-CCDカメラ
遮蔽
暗箱
遮蔽体
(鉛)
カメラ
望遠レンズ 第2ミラー
画素寸法：最大12.5μm/pixel
画素寸法：6.5μm/pixel
※800mm相当の望遠レンズ使用時
露光時間：50秒
中性子IIを用いた撮像システム
模式図
可視光
ミラー
e-
中性子ビーム
レンズ
中性子II
被写体
カメラ
カメラシステム：カラー48bit, CMOS
画素サイズ：5616x3744 pixels
露光時間：25sec
画素寸法：3.6μm/pixel
中性子II (Image Intensifier)
中性子を電子に変換し電子を増幅する．増
幅後の電子を可視光に変換することで感度
が上昇し，露光時間を短縮できる．
発電状態における燃料電池の高空間分解能計測
計測対象：可視化用小型PEFC
発電条件
負荷電流0.2A一定で空気流量（空気利用率），供給ガスの
加湿状況，電池温度を変化させる．
撮像条件
・露光時間:25sec
・撮影間隔:7sec
・画素寸法:3.6μm/pixel
条件１
電池温度：常温 供給ガス：無加湿
水素流量：30cc/min 空気流量50cc/min（利用率6.63%）
条件２
電池温度：常温 供給ガス：無加湿
水素流量：30cc/min 空気流量60cc/min（利用率5.53%）
条件3
電池温度：常温 供給ガス：無加湿
水素流量：30cc/min 空気流量90cc/min（利用率3.69%）
条件4
電池温度：常温 供給ガス：加湿
水素流量：30cc/min 空気流量50cc/min（利用率6.63%）
条件５
電池温度：80℃ 供給ガス：無加湿
水素流量：30cc/min 空気流量50cc/min（利用率6.63%）
小型PEFC
実物
可視化領域
模式図
ガス流路
500μm×1000μm
アノード
カソード
MEA
電解質膜50μm×5000μm
極層20μm×5000μm
電
GDL
190μm×5000μm
取得画像
計算式
可視化画像
 S  G exp(d )  SOffset
MEAの平均水厚さ
を求める
 d water 
1
 water  water
 S cell  S offset 

ln
S

 cell water  S offset 
S:輝度，G:ゲイン，μ:中性子の減衰率，
ρ:密度，d:厚さ
3.6ｍｍ
3.6ｍｍ
ノイズ除去方法
・閾値以上の画素を除去
画素の縦１列ごとの
平均水厚さを求める
ホワイトスポットの除去
・空間平均
オフセットの軽減
MEA+GDL
流路
計測結果例 空気利用率変化
0.6
400
0.4
200
Thickness of Water
0.2
Fitted Curve of
CELL Voltage
0
0
10
20
Time [min]
Thickness of Water[m]
0.8
600
0.8
600
0.6
400
0.4
Thickness of Water
Fitted Curve of
0.2
CELL Voltage
200
0
0
0
40
30
1
10
20
Time [min]
800
Thickness of Water[m]
800
1
Cell Voltage[V]
Thickness of Water[m]
800
③空気流量 90cc/min
0.8
600
0.6
400
0.4
200
0
40
30
1
Thickness of Water
Fitted Curve of
CELL Voltage
0
0
10
20
Time [min]
0.2
Cell Voltage[V]
②空気流量 60cc/min
Cell Voltage[V]
①空気流量 50cc/min
0
40
30
(i)MEA中の平均水厚さ
流路
MEA
GDL GDL
GDL
Cathode
流路
600
400
200
1000
0
800
Anode
流路
MEA
GDL GDL
GDL
Cathode
流路
600
400
200
1000
Thickness of Water[m]
800
Anode
Thickness of Water[m]
Thickness of Water[m]
1000
0
-500
0
500
Distance from center of MEA[ m]
発電開始時
5分後
10分後
15分後
20分後
800
Anode
流路
MEA
GDL GDL
GDL
Cathode
流路
600
400
200
0
-500
0
500
Distance from center of MEA[ m]
発電開始時
5分後
10分後
15分後
20分後
(ii)PEFC内の平均水厚さ
-500
0
500
Distance from center of MEA[ m]
発電開始時
5分後
10分後
15分後
20分後
まとめ
MEA、GDLの厚さ方向の水分布を得るため、高空間分解能計測シス
テムを構築し、燃料電池内水分布計測を行い以下の結果を得た。
・中性子II（Image Intensifier）を用いた高空間分解能計測システム
を構築し、空間分解能3.6μm/pixelでの計測が可能となった。
・同システムにより露光時間２５secでの計測が可能となり、燃料電池
内水分布計測において重要である時間分解能を向上できた。
・同システムを用いて燃料電池内水分布の高空間分解能計測を行い
MEA及びGDL内の水分布計測が可能であることを示した。
KURにおける可視化実験
KURのラジオグラフィシステムを用いてPEFC内水分布の
高空間分解能計測を行う．
コンバータ評価
評価対象コンバータ：KUR-C NO.1， KUR-C NO.3， KUR-C NO.6
カメラシステム：冷却型CCDカメラ，105mmレンズ，テレコン使用（1.6倍，2倍）
画素寸法：56μm/pixel 露光時間：10sec
原子炉５MW運転時
KUR-C NO.1
KUR-C NO.3
KUR-C NO.6
KURにおける可視化実験
コンバータ評価結果
②KUR-C NO.3
800
600
600
600
400
Brightness
800
200
400
200
0
0
50
100
0
0
150
50
6
7
8
0.5
0
0
1
2
3
4
5
Distance[mm]
100
150
0.5158+(0.3005)*atan((x-4.536)*a)
Attenuation rate
Attenuation rate
3
4
5
Distance[mm]
50
Pixel
1 a=15.613958
0.5
2
0
0
150
0.5451+(0.30700)*atan((x-3.976)*a)
0.5173+(0.3004)*atan((x-3.808)*a)
1
100
Pixel
1 a=9.70485800
0
0
400
200
Pixel
Attenuation rate
③KUR-C NO.6
800
Brightness
Brightness
①KUR-C NO.1
6
7
8
1 a=15.898209
0.5
0
0
1
2
3
4
5
Distance[mm]
6
7
ダイナミックレンジ：約700
ダイナミックレンジ：約190
ダイナミックレンジ：約420
空間分解能：2/λ=206μm
空間分解能：2/λ=128μm
空間分解能：2/λ=125μm
8
KURにおける可視化実験
燃料電池内水分布計測結果
コンバータ：KUR-C NO.6 カメラシステム：同様
小型電池（流路幅１ｍｍ，流路深さ１ｍｍ）の3本並列流路に水を注入
Thickness of Water[m]
原子炉５MW運転時
1000
500
0
0
5
10
15
Distance[mm]
20
・KUR-C NO.6コンバータを用いて可視化を行い、電池内水分布の可視化
に充分な輝度快調が得られた．
・画像処理を行い、電池内水厚さを求めた結果流路深さに相当する水厚
さが得られ電池内水分布の定量計測が可能であることを示した
KURにおける可視化実験
今後の予定
・１月KUR実験にて発電中の電池内水分布計測を行う．
・冷却型CCDカメラ（1024×1024pixel），180mmレンズ，6.4倍
相当のテレコンを用いて，高空間分解能での計測を行う．
・ガス利用率，発電密度，電池温度など発電条件を変化させ，電
池内水分布が発電性能に及ぼす影響を明らかにする．