日大生産工（院）○根本

自動車用固体高分子型燃料電池システム簡易評価装置の製作

日大生産工（院）○根本 靖直 日大生産工 野村 浩司 日大生産工 氏家 康成

1． 緒 言

固 体 高 分 子 型 燃 料 電 池 （PEFC） は 優 れ た 起 動 性 ， 高 出 力 密 度 な ど の 利 点 か ら 次 世 代 自 動 車 用 エ ネ ル ギ ー 源 と し て 有 望 視 さ れ て い る ． し か し な が ら ， 氷 点 下 の 低 温 環 境 に お け る 起 動 性 低 下 ・ 出 力 低 下 が 問 題 視 さ れ て お り ， 自 動 車 へ の 利 用 を 考 え た 場 合 ， 対 策 が 必 要 で あ る ． こ れ ま で に 低 温 環 境 に 関 す る 報 告 と し て ，低 温 起 動 特 性 に 関 す る 研 究 ^{1 )} や 低 温 環 境 用 定 置 型 燃 料 電 池 の 開 発 ^{2 )}， 車 載 用 耐 凍 結 PEFC ス タ ッ ク の 開 発 ^{3 )} な ど 多 く の 研 究 が 行 わ れ て き た ．

本 研 究 で は HILS (Hardware in Loop Simulation)と い う 手 法 を 用 い ，燃 料 電 池 を 簡 易 的 に 評 価 で き る シ ミ ュ レ ー タ の 構 築 を 目 的 と し た ．HILS の 概 略 を 図 1 に 示 す ． 燃 料 電 池 の 発 電 状 況 を 実 験 に よ り 収 集 し ，SimulinkⓇ 上 の 燃 料 電 池 シ ス テ ム モ デ ル に フ ィ ー ド バ ッ ク す る こ と で ，SimulinkⓇ 上 で 低 温 環 境 下 の 性 能 試 験 を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で き る よ う な シ ス テ ム を 構 築 し た ． 本 実 験 は 単 セ ル に よ る 実 験 で あ る が ， 断 熱 性 ・ 熱 容 量

な ど を SimulinkⓇ 上 で 変 化 さ せ る こ と に よ り ， 将 来 は 燃 料 電 池 ス タ ッ ク シ ス テ ム を 簡 易 的 に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で き る 試 験 装 置 に 発 展 さ せ る こ と を 考 え て い る ． 本 報 告 で は ， 製 作 し た 燃 料 電 池 シ ス テ ム 評 価 装 置 の 基 本 デ ー タ を 収 集 し た 結 果 に つ い て 報 告 す る ．

2． 実 験 装 置 お よ び 方 法

図 2 に 燃 料 電 池 シ ス テ ム 評 価 装 置 の 概 略 を 示 す ． 燃 料 電 池 は MEA と MEA 試 験 容 器 か ら 成 る ．MEA に は 中 村 理 科 工 業(株)製 の 燃 料 電 池 の MEA を 使 用 し た ． 燃 料 に は 水 素 ， 酸 化 剤 に は 圧 縮 空 気(79 %窒 素 ，21 %酸 素)を 用 い ，高 圧 ボ ン ベ よ り 供 給 し た ． 将 来 行 う 加 圧 運 転 の 試 験 に 備 え ， 燃 料 電 池 内 部 と 外 部 の 圧 力 差 を な く す た め ， 燃 料 電 池 を 高 圧 容 器 内 に 入 れ ， 容 器 内 を 窒 素 で 加 圧 で き る よ う に し た ． 本 報 告 で は ， す べ て の 実 験 を 大 気 圧 で 行 っ た ． 水 素 お よ び 空 気 の 流 量 は 下 流 に あ る 流 量 調 節 弁 に よ り 調 節 し ， 燃 料 電 池 上 流 に 設 置 し た 質 量 流 量 計 を 用 い て 測 定 す る ． 空 気 配

Development of a Simple Test Stand for Polymer-Electrolyte Fuel Cells Applied to a Car

Yasunao Nemoto, Hiroshi Nomura, and Yasushige Ujii

e

Fig.2 Schematic of the experimental apparatus.

Fig.1 HILS (Hardware in Loop Simulation).

Control Unit Personal computer High pressure

chamber

H₂tank N₂tank

Air tank

Mass flow meter

Chamber Pressure

Sensor

Humidifier

Water tank Mass flow Controller

MEA test camber

Temperature Controller

Flow meter Flow control valve Reservoir tank

Control Unit Personal computer High pressure

chamber

H₂tank N₂tank

Air tank

Mass flow meter

Chamber Pressure

Sensor

Humidifier

Water tank Mass flow Controller

MEA test camber

Temperature Controller

Flow meter Flow control valve Reservoir tank

Control Unit

Sensor Personal

Computer

Simulator

Pressure, Temperature Output Current,

Output Voltage

Heater, Flow Controller

MEA

Simulink Control Unit

Sensor Personal

Computer

Simulator

Pressure, Temperature Output Current,

Output Voltage

Heater, Flow Controller

MEA

Simulink

管 下 流 に 水 タ ン ク を 設 け ， 発 電 に よ り 生 成 さ れ た 水 を 回 収 す る ． 未 使 用 の 水 素 は 水 上 置 換 法 を 用 い て ， そ の 量 を 測 定 す る ． 本 実 験 で は 水 素 の み を 加 湿 し ， ヒ ー タ に よ り 加 熱 さ れ た 水 素 に ， シ リ ン ジ ポ ン プ を 用 い て 水 を 供 給 す る こ と で 加 湿 を 行 う ． 燃 料 電 池 に 供 給 す る 水 素 お よ び 空 気 は ， 燃 料 電 池 入 口 に 設 置 さ れ て い る ヒ ー タ に よ り 設 定 温 度 ま で 加 熱 さ れ る ． 図 3 に ， 燃 料 電 池 の ガ ス 流 路 お よ び 温 度 制 御 用 水 流 路 を 示 す ． MEA 試 験 容 器 は ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト

に な っ て お り ， 矩 形 断 面 の 溝 の 中 を 温 度 制 御 用 水 が 流 れ る 構 造 と な っ て い る ． 温 度 制 御 用 水 の 流 量 は マ ス フ ロ ー コ ン ト ロ ー ラ に よ り 制 御 す る ． 水 素 お よ び 空 気 の 供 給 ・ 排 気 温 度 ， ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 入 口 ・ 出 口 温 度 の 測 定 に は K 種 熱 電 対 を 用 い る ． 加 湿 器 の 温 度 制 御 は 温 調 器 に よ り 行 い ， 温 度 制 御 用 水 ， 水 素 お よ び 空 気 の 温 度 制 御 は(株) エ ー ア ン ド デ ィ ー 製 計 測 ・ 制 御 シ ス テ ム AD5430 内 で ，プ ロ グ ラ ム に よ り 制 御 を 行 う ． 図 4 に 本 実 験 で 用 い た 温 度 制 御 用 水 の 温 度 制 御 シ ス テ ム の 概 略 を 示 す ． 温 度 制 御 用 水 は ， ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 入 口 温 度 Ti nと 出 口 温 度 Toutの 差 が シ フ ト 温 度δに 等 し く な る よ う に PID 制 御 し た ．δを ゼ ロ と し た 場 合 は ，MEA の 発 熱 と 放 熱 が つ り 合 う 温 度 に 温 度 制 御 用 水 温 度 は 収 束 す る ．ま た ，δをΜΕΑ 試 験 容 器 の 温 度 の 関 数 と す る こ と に よ り ， 断 熱 条 件 で の 発 電 試 験 も 可 能 で あ る ．ΜΕΑが 供 給 水 素 お よ び 空 気 と 行 う 熱 の 授 受 は ， そ れ ぞ れ の 燃 料 電 池 入 口 ・ 出 口 温 度 か ら 見 積 も る ． 燃 料 電 池 の 出 力 電 流 ， 出 力 電 圧 の 計 測 は ，(株) 東 陽 テ ク ニ カ 製 の 燃 料 電 池 評 価 シ ス テ ム Solartron1287 を 用 い る ．

MEA の 発 熱 量 を 推 定 す る た め に は ， MEA 試 験 容 器 か ら 周 囲 空 気 へ の 放 熱 量 をMEA試 験 容 器 の 温 度 の 関 数 と し て 把 握 し て お く 必 要 が あ る ． そ こ で ， 温 度 制 御 用 水 流 量 を 15 お よ び 30 cc/min で 一 定 と し ， 温 度 制 御 用 水 の ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 入 口 温 度 を 30，40，50お よ び60 ℃ と 変 化 さ せ て ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 出 口 温 度 を 測 定 し た ． ま た ， 製 作 し た 温 度 制 御 用 水 の 温 度 制 御 シ ス テ ム の 動 作 確 認 を 行 な っ た ． 動 作 確 認 試 験 に お い て は ， シ フ ト 温 度 を 正 の 値 に 設 定 す る こ と に よ り ， 燃 料 電 池 が 発 熱 し て い る 状 態 を 模 擬 し た ． 両 実 験 は ， 水 素 お よ び 空 気 を 燃 料 電 池 に 供 給 せ ず に 行 っ た ．

3． 実 験 結 果 お よ び 考 察 3.1 放 熱 量 測 定 実 験

MEA 試 験 容 器 の 放 熱 量 測 定 実 験 の 結 果 を 図 5 に 示 す ． 縦 軸 は ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 内 で の 温 度 制 御 用 水 の 温 度 降 下 ， 横 軸 は ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 出 口 温 度 と 室 温 の 差 で あ る ．室 温 は 22 ℃ で あ っ た ． 温 度 制 御 用 水 の 温 度 降 下 は ， Fig.4 Water temperature control system.

Fig.3 Gas and water flows in water-jacket.

H₂

H₂ Coolant Air Coolant

Fuel Cell Membrane Water jacket

Side View

Air+H₂O Heater

H₂

H₂ Coolant Air Coolant

Fuel Cell Membrane Water jacket

Side View

Air+H₂O Heater

Water Water Water jacket

Water flow Water jacket

Water flow Water jacket

Coolant

Front View

Coolant Heater

Water jacket

Water flow Water jacket

Water flow Water jacket

Coolant

Front View

Coolant Water jacket

Water flow Water jacket

Water flow Water jacket

Coolant

Front View

Coolant Heater

Water Water

Water flow Water jacket

Water flow Water jacket

Water flow Water jacket

Coolant

Front View

Coolant Heater

Water jacket

Water flow Water jacket

Water flow Water jacket

Coolant

Front View

Coolant Water jacket

Water flow Water jacket

Water flow Water jacket

Coolant

Front View

Coolant Heater

Water Water

Water flow

Heater PID

Controller Fuel Cell

Temperature shift

+ δ T_in

T_out Heater PID

Controller Fuel Cell

Temperature shift

+ δ T_in

T_out

近 似 的 に 垂 直 平 板 自 然 対 流 熱 伝 達 に よ る と 考 え ら れ ， ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 出 口 温 度 と 室 温 の 差 の 5/4 乗 の 関 係 に あ る こ と が わ か っ た ． ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 出 口 温 度 を To u t， 室 温 を T0 と す る と ，温 度 制 御 用 水 流 量 が 15 cc/min の 場 合 ， 放 熱 量Q& は

] W [ ) (

024 .

0 ⁴ T^out T^{0 5}

Q^• = × − ^{（ １ ）}

で 表 さ れ る こ と が わ か っ た ．

同 様 に ， 温 度 制 御 用 水 流 量 が 30 cc/min の 場 合 で は

] W [ ) (

036 .

0 ⁴ Tout T0 ⁵

Q^• = × − （ ２ ） で 表 さ れ る こ と が わ か っ た ．

3.2 温 度 制 御 シ ス テ ム の 動 作 試 験 製 作 し た 温 度 制 御 シ ス テ ム の 動 作 確 認 を 行 っ た ． 結 果 を 図 6 お よ び 7 に 示 す ． 燃 料 電 池 の 発 熱 を 模 擬 す る た め ， シ フ ト 温 度 を+2 ^oCに 設 定 し た ．温 度 制 御 用 水 流 量 は 15 お よ び 30 cc/min と し た ． し た が っ て ， 燃 料 電 池 が そ れ ぞ れ 2.10 Wお よ び 4.19 Wで 発 熱 し て い る 状 態 を 模 擬 し て い る ．15 cc/minの 場 合 ， ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 入 口 温 度 と 出 口 温 度 は ほ ぼ 2 ℃ の 温 度 差 を 保 ち な が ら 温 度 上 昇 し ，8000 s付 近 で 一 定 温 度 に 収 束 し た ．30 cc/min の 場 合 も 同 様 に ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 入 口 温 度 と 出 口 温 度 は ほ ぼ 2 ℃ の 温 度 差 を 保 ち な が ら 温 度 上 昇 し ，7500 s付 近 で 収 束 し た ．こ の 結 果 よ り ， 製 作 し た 温 度 制 御 シ ス テ ム の 健 全 性 が 確 認 で き た ． 収 束 時 間 が 異 な っ た 理 由 と し て ， 温 度 制 御 用 水 の 流 速 が 変 化 し た こ と に よ り ， 温 度 制 御 シ ス テ ム の 遅 れ 時 間 が 変 化 し ， 燃 料 電 池 の 見 か け の 比 熱 が 変 わ っ た こ と が 原 因 で あ る と 考 え ら れ る ．15 お よ び 30 cc/min の 場 合 と も に ， 前 述 の 放 熱 量 測 定 結 果 か ら 予 想 さ れ た 収 束 温 度 と 実 験 結 果 は ほ ぼ 同 一 の 値 を 示 す こ と が わ か っ た ． し た が っ て ， 収 束 温 度 と 温 度 制 御 用 水 流 量 か ら MEAの 発 熱 量 を 見 積 も る こ と が で き る ．

今 後 は 実 験 で 得 ら れ た デ ー タ を 用 い て ，SimulinkⓇ 上 で 試 験 容 器 の 比 熱・断 熱 性 を 変 更 し ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う ． 比 熱 は ， 温 度 制 御 用 水 の 入 口 温 度 と 出 口 温 度 に 遅 延 時 間 を 与 え る こ と に よ っ て ，SimulinkⓇ 上 で 変 更 す る こ と が で き る ． ま た 断 熱 性 の 変 更 は ， シ フ ト

Fig.5 Heat loss of the MEA chamber.

Fig.7 Result of PID temperature control.

(30cc/min)

Fig.6 Result of PID temperature control.

(15cc/min)

0 5000 10000

0 20 40 60 80

Time,s

Inlet temp.

Outlet temp.

0

:23

C

0 5000 10000

0 20 40 60 80 100

Time,s

Inlet temp.

Outlet temp.

0

:22

C

0 10 20 30 40 50

0 1 2 3 4

Temperature difference,

C

Flow rate :15 cc/min :30 cc/min

0

:22

C

温 度 δ を MEA試 験 容 器 の 放 熱 量 を 考 慮 し た 関 数 と す る こ と で ， 変 更 す る こ と が で き る ． 低 温 始 動 実 験 は ， 温 度 制 御 用 水 を 低 温 で 流 す こ と で 模 擬 す る こ と が で き る ．0 ℃ 以 下 の 条 件 の 実 験 に つ い て は ， 不 凍 液 を 用 い て 実 験 を 行 う こ と を 考 え て い る ．

4． 発 電 条 件 に お け る シ ス テ ム の 評 価 燃 料 電 池 を 発 電 さ せ た 条 件 に お い て 評 価 シ ス テ ム の 健 全 性 の 評 価 を 行 う ． 燃 料 電 池 の 発 電 条 件 を 表 1 に 示 す ． 水 素 流 量 を 2.5 cc/min，空 気 流 量 を 1.25 cc/

minで 燃 料 電 池 に 供 給 す る ．本 実 験 で は 水 素 の み を 加 湿 し ， カ ソ ー ド 無 加 湿 で も 燃 料 電 池 の 良 好 な 特 性 が 得 ら れ る ア ノ ー ド 加 湿 温 度50 ~60 ℃ 以 上 の 値 を 採 用 す る ^{4 )}． 図 8 お よ び 図 9 に 本 実 験 で 用 い た 燃 料 電 池 の 発 電 デ ー タ を 示 す ． 1.38Aで0.66Wの 最 高 出 力 を 示 し た ．1.5 A 付 近 で 出 力 で き な く な っ た の は 拡 散 抵 抗 の 増 大 に よ る も の で あ る と 考 え ら れ る ． 今 後 は シ ス テ ム の 健 全 性 を 評 価 す る た め に 完 全 断 熱 条 件 で 実 験 を 行 う ． 外 部 か ら の 熱 の 授 受 を な く す た め ， 燃 料 電 池 に 供 給 す る 水 素 お よ び 空 気 の 加 熱 温 度 は ウ ォ ー タ ー ジ ャ ケ ッ ト 出 口 温 度 と 同 じ 温 度 に な る よ う に 制 御 す る ． 燃 料 電 池 は 最 高 出 力 を 示 す 1.38 A で 一 定 と し て ， 発 電 さ せ る ．

5． 結 言

本 研 究 で は 製 作 し た 燃 料 電 池 シ ス テ ム 簡 易 評 価 装 置 の 作 動 試 験 を 行 っ た ． MEA 試 験 容 器 の 放 熱 量 測 定 実 験 お よ び 温 度 制 御 シ ス テ ム 動 作 試 験 よ り 以 下 の 結 果 を 得 た ．

(1) 燃 料 電 池 の 収 束 温 度 と 温 度 制 御 用 水 流 量 か らMEAの 発 熱 量 を 見 積 も る こ と が で き る ．

(2) 温 度 制 御 用 水 の 温 度 制 御 シ ス テ ム の 動 作 試 験 を 行 い ， 正 常 に 作 動 す る こ と を 確 認 し た ．

参 考 文 献

1)吉 川 大 雄 他,菱 沼 孝 夫,近 久 武 美,燃 料 電 池 の 低 温 起 動 特 性,日 本 機 械 学 会 講 演 論 文 集, pp.687-688，2000．

2)B.K.Datta,G.Velayutham,A.Prasad Goud,Fuel Cell power source for a cold region, Journal of power sources, 106 ,pp.370-

376，2002．

3) 斉 藤 和 夫,霜 島 宗 一 郎,堀 美 知 郎,耐 凍 結 車 載 用 PEFC ス タ ッ ク の 開 発,第 6 回 燃 料 電 池 シ ン ポ ジ ウ ム 講 演 論 文 集, pp.60-65，1999．

4)内 貴 正 男,内 橋 昌 也,山 口 光 弘,村 橋 俊 明,PEFC の 水 分 管 理,第 9 回 燃 料 電 池 シ ン ポ ジ ウ ム 講 演 論 文 集,pp51-56,2002

Fig.8 V-I characteristic.

0 0.5 1 1.5 2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Output current [A]

Power [W]

0 0.5 1 1.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Output current [A]

Output voltage [V]

Fig.9 W-I characteristic.

Table.1 Conditions of PEFC performance test.

Flow rate 2.5[cc/min]

Pressure 1.1[kgf/cm²] Temperature =T_out Humidification Temp. 50[℃]～

Flow rate 1.25[cc/min]

Pressure 1.1[kgf/cm²] Temperature =T_out Humidification Temp. - H₂

Air