2017 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
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17K06327
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| Research Institution | Fukuoka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高原 健爾 福岡工業大学, 工学部, 教授 (70292076)
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| 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, 講師 (00711300)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 活性化アルミニウム微粒子 / 水素発生 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素発生制御のファジィルールを見直し，反応器内圧の変動がより小さい範囲に落ち着くような制御系を実装でき，100[W]の燃料電池を搭載した小型電動車両の走行実験により有効性を確認した。その成果については，国際会議で発表し，査読を経て論文として掲載された。現在は温度を考慮した制御系を設計中である。
新たに，1[kW]燃料電池用の水素発生装置を試作し，トヨタコムスに搭載し，その特性試験を行った。発生した水素で，750[W]の負荷まで駆動することができたが，発生規模を大きくしたことから想定していなかった問題が明らかになった。具体的には，反応器内の温度と圧力が大きくなりすぎ，配管に使用していたチューブが変形したり，破裂したりした。さらに，急激な温度上昇が反応を加速し，20分程度でほぼすべての活性化アルミ微粒子が反応を終えてしまい，燃料電池を駆動する十分な水素が得られなくなってしまった。また，反応装置全体の体積が大きくなったことから，燃料電池接続前に十分に空気を排出する必要があることがわかった。発生装置の構成材料を含めて検討する課題がでてきた。
活性化Al微粒子の反応モデル構築に関しては，粒子１つのミクロ的な反応のシミュレーションのモデル基盤を構築することできた。これまでは，反応器内の微粒子全体をマクロなモデルとして扱ってきたのに対して，微粒子表面のき裂や粒子径が異なる個々の微粒子の反応特性を扱うことができるようになった。すなわち，１つの粒子に生成されている多数のき裂から水が侵入することを想定し，微粒子表面のき裂数と粒子径を変数として与え，水の侵入による水素発生のシミュレーションを行った。その結果，定性的に実際の反応特性に近い結果が得られた。
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| 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29年度は，水素発生制御系設計と反応モデルの構築，水素発生装置の小型軽量化を中心に行う予定になっていた。新たに製作した水素発生装置は，小型軽量化を目指したものの発生の規模が大きくなったことから，一部の取り組みについて当初の計画よりも「（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水素発生の規模が大きくなったことから，新たに試作した小型化した発生装置では，反応時の温度と圧力が急激に上昇し，配管等に不具合が生じ，それらの材料も含めた再検討が必要となったこと
②ファジィルールの変更により，精度良く水素発生の制御ができるようになったものの，①で述べたように新たな発生装置での温度と圧力の上昇が大きくなったことから，使用するルールの見直しが必要となったこと
①については，製造を依頼したハイドロデバイスと協議・実験を重ねており，平成30年度7月までに装置を改良する予定となっている。②については，現在種々の条件下での水素発生特性を測定中であり，ファジィメンバシップ関数を作成するための基礎データを取得中である。
一方で，活性化Al微粒子の反応モデル構築については、複数のデータをまとめて管理するデータ構造の１種であるmapによる連想配列をプログラミングにより構築した。現在は、粒子径を変数、き裂数を定数として与えた状態で，水の侵入と水素発生のシミュレーションを実施している。当初の計画では，平成29年度内にき裂数を変数にした場合も完了している予定であったので、これについても「（３）やや遅れている」と判断した。
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| 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再設計：平成29年度に新たに試作した水素発生装置では，先述のように温度と圧力の上昇が急激であり，配管に不具合が生じた。これに対して，発生装置の構造と材料について，製造を依頼したハイドロデバイスと協議・実験を続けており，7月には一定の解決が可能であると考えている。発生装置が完成すれば，制御アルゴリズムの検証に入ることができるので，改良する水素発生装置での水素発生特性の測定を経て，反応温度を考慮したファジィメンバシップ関数を作成する予定である。
②活性化アルミニウム微粒子の反応モデル構築：これまでにシミュレーションを行ったモデルを基に，微粒子表面のき裂数を変数としてプログラムの改良を行う。そして，き裂数と粒子径をランダムに変化させることにより，実際の微粒子に近いシミュレーションを行う。シミュレーション結果と実測値の比較によりモデルの精度を上げる予定である。
③簡易型水素発生器の改良と手動式水素発生システムの試作・接続：電力に余裕がない時には，ポンプの電動モータを駆動することができないので，手動で動作させる必要があり，その際には，活性化Al微粒子に送る水量を変化できなくても一定の水量を送り続けるようなシステムが必要となる。水素発生装置に，手動ポンプで反応容器内に送水する機能を加えることにより，容器内で発生する水素によって増加する圧力を利用して一定の水を送り続けるシステムを構築し，自動水素発生器と切り替えて使用できるように構成する予定である。
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| Causes of Carryover |
初年度に予定していた購入品の金額が少なく済んだことと、水素発生装置を新たに製作したが、その性能が十分ではなかったために、周辺機器の製造が遅れているためである。
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