2018 Fiscal Year Research-status Report

活性化アルミ微粒子と水との反応を利用した非常用水素発生源の開発と燃料電池への応用

Research Project

Project/Area Number	17K06327
Research Institution	Fukuoka Institute of Technology
Principal Investigator	高原健爾福岡工業大学, 工学部, 教授 (70292076)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	前川孝司北九州工業高等専門学校, 生産デザイン工学科, 准教授 (00711300)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	活性化アルミニウム微粒子 / 水素発生 / 燃料電池
Outline of Annual Research Achievements	これまでに設計した水素発生制御のファジィルールを簡略化し，より簡単な制御系で反応器内圧を一定の範囲に保つ制御系の設計を行った。100[W]の燃料電池に電子負荷を接続し，種々の負荷変動に対応できることを確認した。初年度に試作した1[kW]燃料電池用の水素発生装置では，反応器内の温度と圧力が急激に上昇することにより，配管のチューブの変形・破裂を招いたことから，燃料電池を駆動するのに十分な水素が得られなかった点を改良した。具体的には，発生容器を表面積の大きなものに作り変え，配管の一部をステンレスに変更した。さらに，高温の水素ガスを冷却するためのラジエータを並列に設置することで，ガスの冷却効果を高めるとともに必要な水素ガス流量を確保することができるようになった。また，自動制御だけでなく，手動で水素発生の調節ができるように足踏みポンプを併設し，余計な電力を使うことなく水素発生できるように改造した。１[kW]の燃料電池には発生させた水素を供給し，DC-DCコンバータあるいはDC-ACインバータを介して種々の負荷に接続し，駆動実験を行った。活性化Al微粒子の反応モデル構築に関しては，平成29年度に構築したmapによる連想配列プログラミングに基づいた結果よりも，さらに強い相関を示す温度パラメータを有する連想配列プログラムの作成を行った。その結果，実際の水素発生反応に定性的に近い反応を模擬できることが分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 計画では，平成30年度は主に電力マネジメントシステムの開発を行う一方で，電力に余裕がない場合にも使用するために手動での操作が可能な水素発生システムを完成させる予定になっていた。1[kW]燃料電池に発生させた水素を供給して，DC-DCコンバータあるいはDC-ACインバータを介して種々の負荷に接続して駆動実験を行ったものの，最大で800[W]までの駆動が確認できた。手動での操作は可能になっているが，当初の計画よりも「（３）やや遅れている」と判断している。主な原因としては以下のようなものが挙げられる。 ①水素発生は十分だが，燃料電池出力は十分に得られなかった。原因は1[kW]の燃料電池での水素漏れであり，修理中である。100[W]燃料電池でも出力端子が破損してしまい，現在修理中である。②水素発生特性を見直してファジィルールを簡単化し，より制度良く水素発生制御できるようになった。③ DC-DCコンバータあるいはDC-ACインバータを接続して，電力供給実験を行ったが，供給可能な電力は燃料電池出力の80%以下になってしまうことが確認でき，電力マネジメントシステムを再考中である。①およびに②ついては，燃料電池の修理を待って実験を行う予定である。③については，走行中の自動車への電力供給ではなく，避難所等で停車中に種々の負荷に電力供給するシステムを検討中である。一方で，活性化Al微粒子の反応モデル構築については，29年度作成したプログラムの問題点について検討し，内部方向への亀裂成長速度と表面方向への亀裂成長速度との割合を温度により変化させることとした。実測値との比較から，温度ごとの内部方向へのき裂成長速度パラメータを決定したモデルを構築した。その結果，前年度よりも亀裂成長量と水素発生の関係についてより相関が強いことが確認できた。現在論文を執筆中であるが，「（３）やや遅れている」と判断した。
Strategy for Future Research Activity	①水素発生システムの改良と水素発生制御系の評価：平成30年度に改良した水素発生装置を用いて水素発生制御実験を行う。 ②活性化アルミニウム微粒子の反応モデル構築：定性的な反応傾向を実現できるモデルが完成したので，実験に基づいてパラメータ調整を行うことで，より実際の反応に近いモデル構築を目指す。特に，反応の時間変化を適切に考慮することが大きな課題となっており，検討する予定である。 ③電力マネジメントシステムの試作・接続：具体的な負荷を想定し，負荷への供給と自動車への充電を適切に切り替えるための電力マネジメントシステムの設計・実装を行う。具体的には携帯電話やスマートフォンを複数台接続して充電し，必要に応じて炊飯器や電気ポットなどの生活家電を駆動するためのシステム構築を目指す。
Causes of Carryover	水素発生装置を改造したが、燃料電池の故障などによりその性能評価が十分ではなく、周辺機器の設計・製作を十分に行えていないためである。2019年度は、燃料電池の修理を待って、計画を実現する予定である。