2020 Fiscal Year Annual Research Report
Integrated Fuel Cell System Aboard Spacecraft And Applications
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18H01629
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
川口 淳一郎 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 特任教授 (10169691)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 推進機関 / 亜酸化窒素 / ダイレクトメタノール燃料電池 / 固体酸化物燃料電池 / 酸素改質 / 水素キャリア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（概要）宇宙空間での、推進機関と電力系を複合する燃料電池＋２液推進機関の実証を目指し、地上試験にて推進機関に適用できる、常温下で液体である燃料と酸化剤を用いた燃料電池システムを構築し、その性能評価を実施することである。前年度までに、連続酸素改質器を開発しダイレクトメタノール電池との組合せの予備試験に成功していた。
（結果骨子）本2020年度は、燃料のエタノールへの切り替えと、高分子電解膜から固体酸化物セルへ転換して発電実験にとりかかるため、まず連続酸素改質器の性能向上（大流量化）に着手した。しかるに大流量化に伴い、連続改質を起動開始できるための電力が飛躍的に高まってしまう難点を見出した。①連続改質させる温度の低温化を改質器の改良検討で実験的に進め、連続改質を摂氏300度以下で継続できるソルーションを見出し、この課題解決にメドをつけた。②正確な分解温度情報を獲得すべく、改質させたガスのサンプリングを行い、チョークさせた改質器の推力を計測して、改質器内温度を計測するための小型の試験スタンドを製作して、真空槽内で試験運転を行った。③固体酸化物セルでの発電試験に使用する固体燃料電池セル材料の手配を行い、試験準備を進めた。
（見解）(1)やむを得ない再導入を余儀なくされた改質器ではあったが、触媒劣化の課題解決にメドをつけた。触媒の劣化は回避できたと考えている。(2)製作した試験スタンドを用い、生成されたガス分析を併用した、改質器内の分解温度計測を含めた、真空槽内での本格試験を実施できる。(3)固体酸化物セルでの発電試験に準備は整えたと考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
連続改質させる温度の低温化を改質器の改良では、セラミック材料の採用による改質器からの熱伝導損失の低下と改質器の２重化による輻射損失の低下（大気中では対流熱損失の低下を含む）などにより、亜酸化窒素の連続改質を摂氏300度以下で継続できるソルーションを見出し、触媒の劣化、短寿命化は回避できたと考えている。
酸化剤の連続改質温度情報等を獲得すべく、改質させたガスのサンプリングと、チョークさせた改質器の推力を計測できる、小型試験スタンドを製作し、真空槽内で試験運転を行った。本格試験の準備を完了した。
エタノールを用いた発電試験は、燃焼試験と位置づけられ、安全審査などを経て専用の施設・設備を用いて実施せざるをえない。本年度は、コロナ禍により、実験施設や設備の利用に大きな支障があり、固体酸化物セルを用いた実験は見送った。しかるに、固体燃料電池セル材料の手配は完了している。
以上、要するに：①亜酸化窒素を連続改質させる温度を摂氏300度以下で継続でき、触媒劣化、短寿命化の課題解決ができたこと。②分解済みガスのサンプリングを行い、チョーク時の推力を計測ができる真空槽内設置型の小型の試験スタンドを設計・製作し、正確な分解温度等の情報を獲得できる準備ができたこと。③固体燃料電池セル材料の手配が完了し、固体酸化物セルでの発電試験の準備ができたこと。これらから、概ね想定通りに計画を進められていると結論できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度以降で：連続酸素改質器の性能改良を目的に更なる試験を実施し。分解効率と改質温度管理精度の向上をはかる。固体酸化物燃料電池セル(SOFC)に、ガス化させた燃料たるエタノールを供給させ、亜酸化窒素の連続酸素分解反応器（酸素改質器）を用い、２液系として動作する固体酸化物型の燃料電池を試作・開発する。宇宙機搭載の電力システムを構築する基本要件を完了させる。
(1) 本年度の成果である連続酸素改質装置の改良を継続し、一部再設計と製作を行い、真空槽内でのガスサンプリングを含む改質器の性能試験を実施する。分解効率、改質温度管理精度の向上を目指す。
(2) 燃焼試験に該当する発電試験は、専用施設・設備の使用が必須であり、コロナ禍の継続で試験が停滞することを傍観するのではなく、代替試験を進められるべく、試験場所を東京都下から連携できる他県の大学での実施に向けて、協議を開始する。固体酸化物セルを介して燃料と反応を行わせる装置の設計と試作を行う。
(3) これらを噛み合わせ、予備発電試験を実施する。
水素キャリアとしては、エタノールでは、分子量44で水素6を輸送できるので水素キャリア能力は高い。宇宙機搭載用低温作動型推進系統合燃料電池の開発を継続しつつ、バイオエタノールとして利用する展開が期待され実用産業応用性も検討していく。
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| Remarks |
令和2年(2020年)度で、宇宙航空研究開発機構を退職し、特任教授から同名誉教授へと異動した。現職としては、東北大学大学院工学系研究科機械系航空宇宙工学専攻 特任教授であるが、本科研費の実施場所としては設備等の理由で、宇宙航空研究開発機構で継続している。
なお、記載の日本航空宇宙学会論文集掲載の論文は、2020年度の成果で、内容では、推進機関を応用されるサブシステムの１例と位置付けたものである。
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