1. 前言
在汽车产业中，从内燃机汽车向电动汽车的转变正在世界范围内蓬勃发展。丰田汽车于2017年宣布了普及电动汽车的挑战（图1），目标是在2030年的汽车销量中，50%以上是电动车辆，10%以上是EV（电动汽车）和FCV（燃料电池汽车）。
其中，FCV虽然系统成本高，但具有单位重量能量密度高和燃料添加速度快的优点。如图2所示，以续航距离为横轴，以车辆尺寸为纵轴，EV可以满足短距离的客户需求，适合个人出行和乘用车，而FCV可以满足中长距离的客户需求，因此不仅适用于乘用车，还适用于公交车和重型卡车等车辆。
丰田于2014年12月在世界范围内率先开始发售量产型FCV“MIRAI”（图3），并于2018年3月推出了使用FC系统的新型FC公交车“SORA”（图4）。此外，还于2019年在东京车展上发布了新一代FCV“MIRAI CONCEPT”（图5）。
虽然FCV的量产还存在氢基础设施等各种课题，但是降低成本是不可或缺的因素之一。为此，必须降低燃料电池堆的成本，手段之一是增加电流密度。如果可以在较小的发电面积上获得相同的输出功率，则可以减少电极和隔膜材料的使用量（图6）。
本文将对燃料电池堆的高电流密度化的关键技术之一、即扩散层的分析方法和模拟技术进行说明。
2、燃料电池的结构与高电流密度化
燃料电池堆由多个电池构成。一个电池由氢气和氧气的反应部位即膜电极组件（MEA: Membrane Electrode Assembly）、扩散层（Gas Diffusion Layer）和用于供给氢气和空气的流路构成（图7）。
图8示出发电原理和详细的基本结构。催化剂层（Catalyst Layer）是厚度约10μm的多孔质部件，由纳米级的Pt粒子、数十纳米的碳载体和离聚物构成，在阳极催化层中，通过电化学反应从氢气中生成质子和电子。生成的质子穿过电解质膜，在阴极催化剂层中，通过氧还原反应由空气中的氧气和穿过外部电路的电子生成水。
扩散层位于催化剂层和流路之间（图8左），是一种厚度约100～200μm的多孔质部件，由两层构成：由直径数μm的碳纤维构成的基材层（Substrate）以及由亚微米级的碳和PTFE构成的MPL（Micro Porous Layer）。此外，扩散层还具有许多功能，例如，扩散来自流路的气体、传导电子、排出生成的水、以及作为结构部件进行缓冲并使表面压力分布均匀化等。
在提高燃料电池的电流密度时（图6），如式（1）和式（2）所示，所需的氧气量与电流成比例地增加，同时反应生成的水含量也增加。由于氧气的供给量与流路的气体流速成正比，因此在高电流下，流路不会被生成的水阻塞。另一方面，由于扩散层是多孔质结构，因此液态水的输送由毛细管力控制，并且电流越大，负责气体输送的空隙越容易被液态水阻塞，有效扩散系数就会降低。结果，催化剂层表面的氧气浓度降低，且电压降低（图9）。综上所述，扩散层的排水设计对于燃料电池的高电流密度化十分重要。
在扩散层的排水设计中，重要的是了解发电过程中扩散层各位置的水含量。
在接下来的章节中，将主要介绍以下内容：由丰田中央研究所和SOKEN合作开发，且使用辐射光的发电过程中扩散层内的液态水观察技术、发电两相流模拟技术、以及组合两项技术以分析液态水分布的结果。
3、发电过程中扩散层内的液态水观察技术
众所周知，X射线放射显影术是一种观察液态水分布的方法，但是为了在发电过程中观察扩散层内的液态水分布，需要μm级的分辨率。此外，为了实时观察液态水的行为，必须缩短曝光时间，因此需要高亮度的X射线源。本方法使用了SPring-8（兵库县佐用町）的丰田光束线BL33XU（丰田中央研究所安装的专用光束线）的X射线源（Nonaka，2016）。将X射线能量设定为11.4keV，作为易于识别水的同时抑制对Pt的吸收的条件。在1.3µm的像素分辨率下，大约每1.6秒执行一次成像。
为了观察电池横截面方向上的液态水分布，使用碳制隔板制造如图10所