宇宙機搭載を目指す推進系統合型燃料電池のシステム開発

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24246140
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• 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, 教授 (10169691)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡屋 俊一 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, 参与 (50724241) ; 羽生 宏人 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, 准教授 (60353421)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 燃料電池

Outline of Annual Research Achievements

深宇宙探査機の推進剤保管及び電源系の性能維持に必要なヒータ電力と、これらの機器の軽量化をめざし、推進系統合型燃料電池の技術開発を狙い、特に－50℃程度の低温で保管／起動が可能な燃料電池の開発を目指し、人工衛星の推進剤を用いた燃料電池発電を可能にする。当該燃料と酸化剤としての着火性能の確保と性能向上検討も進め、推進系統合型燃料電池としての確立を図る。また反応後の反応副生成物や未反応の活物質の回収／再使用に向けた検討も進め、長期保管が可能な発電／推進技術としての習熟を図る。
上記研究の大目標を達成するために平成27年度は―50℃といった低温においても推進機能が達成できる低温貯蔵性が良くかつ、所定の推進性能も確保できる燃料／酸化剤を使用しても燃料電池が起動し、継続的に発電できる特性を得るための燃料電池発電機構を明らかにすることを目的として、各種要素発電試験及び燃料／酸化剤の成分分析を実施した。結果として、低温推進系用燃料／酸化剤（ここではヒドラジン／四酸化二窒素）により燃料電池が発電する反応メカニズムを明確にすることができた。これにより、出力／寿命といった性能向上の方策が検討できるようになり、今後の製品としてのシステム構築のフェーズに移行できるようになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成26年度に低温推進系の燃料／酸化剤候補である「ヒドラジン／四酸化二窒素」の組み合わせによる固体高分子型燃料電池の発電メカニズムについて、発電性能（起電圧）及び生成物成分分析から特定ができた。　平成27年度はこの成果から「ヒドラジン燃料がアノード電極で改質反応が生じ、そこで生成された水素が直接の発電因子になっている」と判断され、電極での反応効率向上のために電極前でのヒドラジン改質を行う方式の有効性について評価試験を実施した。（同時にセルを搭載品に近い大型のもので試験実施した）　結果として、電極前でのヒドラジン改質（＋アンモニア除去）を行うことにより安定して燃料電池発電が継続されること、また生成物構成が実証された。　今回の改質方式では水素の一部がアンモニアとして発生するため、更に水素発生の効率向上のための触媒種類評価を次年度に実施する。　また酸化剤である四酸化二窒素は温度制御によりカソード電極部には二酸化窒素形態で供給させる方式
とする。

Strategy for Future Research Activity

平成27年度の成果から、①ヒドラジン改質の効率向上のための触媒選定（なるべく安価なもの）、②①項成果をもとに「ヒドラジン／四酸化二窒素」の組み合わせ燃料での固体高分子型燃料電池セル（搭載品に近い大型セル）による連続発電試験を実施し、長時間安定に電気出力が得られることを評価／確認する。　また、研究の最終年度活動としてこれまでに得られた成果をもとに人工衛星電源としての搭載システム設計を構築する。　同時に、衛星用途に限らない汎用技術化構想を示す。