三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014) 新製品・新技術特集

技 術 論 文54

閉鎖式コンパクト・高効率固体高分子形燃料電池システムの開発
Development of Compact & High Efficiency
Polymer Electrolyte Fuel Cell System for Closed Space俊 宏 *1

岩 田 光 由 *2

Toshihiro Tani

Mitsuyoshi Iwata

森 賀 卓 也 *3

伊 藤 栄 基 *4

Takuya Moriga

Hideki Ito

中 川 慶 一 *5

杉 原 洸 貴 *6

Keiichi Nakagawa

Koki Sugihara谷

近年，海洋資源利用のための海中機器のニーズが高まっている。装置の高度化や観測期間の長期化により，出力制限のある従来の蓄電池に代わって，長時間電力を供給できる電源として燃料電池が注目されている。当社では，海中機器向けにガス循環系に新たな構造を採用したコンパクトで高効率化した新規燃料電池システムと新規システムに対応した燃料電池セルを開発した。本稿では，その新規燃料電池システムの概要について説明するとともに，当社の開発の取組みについて述べる。

|1. はじめに
当社は 2000 年に自律型無人潜水機“うらしま”を海洋科学技術センター（現：(独)海洋研究開発機構）へ納入した。その後，“うらしま”は動力源を固体高分子形燃料電池へ換装し，2005 年に海中航走の世界記録となる連続航続距離 317km を達成している（図１）(1)。このように燃料電池システムを用いることによって航続距離の長距離化の可能性は示されていたが，近年，センサ等の装置の高度化，観測期間の長期化により，海中機器用電源の容量増大が求められており，燃料電池システムにおいても更なる高効率化，コンパクト化，耐久性向上及び信頼性向上が必要となっている。これらの課題に対して，燃料電池セルスタック及びシステムの両面から検討を行い，新規燃料電池システムを開発した。

図 1 自律型無人潜水機“うらしま”外観図(1)*1 防衛・宇宙ドメイン艦艇事業部潜水艦部 主席技師

*2 エネ環ドメイン火力発電システム事業部燃料電池事業室*3 技術統括本部技術企画部 主席部員

*4 技術統括本部広島研究所 工博*5 技術統括本部広島研究所*6 防衛・宇宙ドメイン艦艇事業部潜水艦部

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)55|2. 新規燃料電池システムの概要
2.1 閉鎖式燃料電池システムの課題
閉鎖空間にて長時間電力を供給するためには，燃料となる水素及び酸素を効率良く利用し，燃料電池自体の発電効率の向上だけでなく，発電システムに搭載されている補機類の動力低減，発電システムの小型化が必要である。“うらしま”に搭載している燃料電池システムは，未反応ガスをリサイクルするためのガス循環装置や，ガスを湿潤にするための加湿装置などを必要とし，補機消費動力が大きくシステム効率が低下する，システムの小型化ができない等の問題があった。
しかしながら，ガス循環装置は，燃料電池の生成水を発電部から排出するためのガス流れを作るためにも必要であり，加湿装置は，燃料電池セルの触媒や電解質膜の性能向上及び耐久性維持のために必要であり，どちらも削除することは困難であった。また，水素の微量リークも，閉鎖空間で長時間使用する上では課題となっていた。

2.2 新規燃料電池システムの動作
ガス循環装置及び加湿装置を不要とするために開発した新規燃料電池システムの概略ガス系
統を図２に示す。２個の燃料電池スタックに対し，ガスが一方のスタック（これを上流側スタックと呼ぶ）を通過した後に他方のスタック（これを下流側スタックと呼ぶ）へ流れるようにする。バルブ操作により一定間隔で上流側スタックと下流側スタックを入れ替えて運転する。本運転方法において，上流側スタックへは，上流側スタック及び下流側スタックの 2 つのスタックで消費されるガス量が供給されるため，上流側スタックの出口部分では下流側スタックで消費されるガス量のガス流れがあり，このガス流れで生成水が排出される。一方，下流側スタックの生成水はガス流れがなく蓄積されるが，バルブの切替えで上流側スタックとなると同時に生じるガス流れとともに排出される(1)。バルブの切替えが従来のガス循環装置の機能を果たしている。下流側スタックでは生成水が加湿に有効に使われるとともに，上流側スタックと下流側スタックが入れ替わることから，加湿装置の機能も実現している。つまり，本システムにより，ガス循環装置や加湿装置を削除しても，同等な機能を備えた燃料電池システムが構築可能となる。

図２ 新規燃料電池システムにおけるガス系統(1)三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)56

2.3 新規燃料電池システムを実現する燃料電池セルスタック
更に，燃料電池セルスタック本体についても新規燃料電池システムに適するように開発を進めている。具体的には，セパレータと呼ばれるガス分配部品の溝形状を，低流速状態でも安定した発電ができるように適正化を図るとともに，スタック全体を密封構造とすることで，水素のリーク量の大幅低減を実現した。また発電効率を向上するために，触媒層の構造及び材質の適正化も行っている。またセル耐久性向上にも取り組んでいる。

2.4 マルチ・レス燃料電池システム
以上のように，ガス循環装置や加湿器を不要とし（Blower-Less，Humidifier-Less），水素のリーク量を大幅に低減（Leak-Less）し高効率を実現することから，新規燃料電池システムを高効率マルチ・レス燃料電池システム（High Efficiency Multi-Less Fuel Cell System）と呼んでいる。

|3. 新規燃料電池システムへの要素開発
3.1 燃料電池セルの高性能化及び高耐久化
触媒層の構造及び材質の適正化を行ったセルを用いた燃料電池スタックの発電性能を図３に示す。図３は，電流値とセル電圧の関係を示しており，“うらしま”に搭載されていたセルと比較すると，高活性触媒の採用等の改良により，全運転領域（０～20A）において発電効率を向上させることができた(1)。

図３ 新規燃料電池システム向けセル（HGC-1）の発電性能(1)

燃料電池セルは，湿度の低い状態で運転すると高分子膜の劣化が顕著であることが知られている。当社では，高分子膜を劣化させる主原因を電極触媒層中で副生する過酸化水素に起因するヒドロキシラジカルと考え，このヒドロキシラジカルを高分子膜に到達する前に捕捉又は安定化するラジカル捕捉層を形成した独自の長寿命セルを開発した（図４）(2)。

図４ ラジカル捕捉層形成セルの模式図(2)三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)57

標準セルと希土類炭酸塩を用いたラジカル捕捉層形成セルにて加速耐久試験を行った結果を図５に示す。図５は横軸に運転時間を，縦軸にセル電圧を示している。標準セルでは，起動停止回数 16 回，運転時間 324 時間で運転継続不可能となり，そのときの OCV（開回路電圧＝OpenCircuit Voltage）は 0.85V，酸素極出口ガス中の水素濃度が 2.0vol％となった。このことから高分子膜の破損により，水素リークが発生し運転継続不可能となったと考えられる。ラジカル捕捉層形成セルでは起動停止回数 230 回，運転時間 5 000 時間で初期からの発電電圧の低下も比較的少なく，良好に運転を継続することができた。また，OCV も高い値を維持しており，酸素極出口ガス中の水素濃度の増加もなく，高分子膜の劣化が抑制されていることが確認できた(3)。

図５ ラジカル捕捉層形成セルの加速耐久試験結果(3)

3.2 新規燃料電池システムの要素開発
新規燃料電池システム要素試験装置及び燃料電池スタックの外観を図６に，図７に本システムにおけるスタックＡの発電状況を示す。図７は，横軸に運転時間を，縦軸にセル電圧を示しており，矩形波でバルブの切替えタイミングを表示している。セル電圧はスタックが上流側にある場合は高く，下流側にある場合は低くなっているが，平均的には安定し，各セル電圧がほぼ同じ状態で発電可能なことを実証した。

図６ 新規燃料電池システム要素試験装置及び燃料電池スタック外観(1)三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)58

図７ 新規燃料電池システム要素試験装置におけるスタックＡの発電状況(1)

図８に運転圧力，運転負荷及び発電効率の相関を示す。運転圧力を 200kPaA から 400kPaAに上昇させると，100％負荷では発電効率も 53％（HHV＝Higher Heating Value）から 56％（HHV）まで上昇し，20％負荷では発電効率も 61％（HHV）から 63％（HHV）まで上昇し，各運転条件において高効率で安定した発電が可能であることを検証した(1)。

図８ 新規燃料電池システム要素試験装置における運転圧力，運転負荷及び発電効率の相関(1)新規燃料電池システムの短時間における性能が検証できたため，次に長時間の発電安定性能の検証を行った。100％負荷，400kPaA 一定条件における試験結果を図９に示す。このグラフは横軸に運転時間，縦軸に発電電圧を示しており，1000 時間にわたり安定した電圧が得られることを検証した(1)。

図９ 新規燃料電池システム要素試験装置での長時間発電安定性能検証結果(1)三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)59|4. 新規燃料電池システムのプロトタイプモデル設計・製作状況
要素開発成果を受けて，新規燃料電池システムのプロトタイプモデルを設計製作した。表１にプロトタイプモデルの目標仕様を，図 10 に外観図を示す(4)。このプトロタイプモデルにおいて，燃料電池発電スペースの 70％を燃料電池の反応関係部分が占めており，残容積に電気機器が設置されている。現在，プロトタイプモデルの製作を完了し，陸上試験及び海域試験により，発電効率，信頼性，運用性及び耐久性等について評価データを取得し，本システムの有効性及び課題の抽出を行っている(5)。
表１ 新規燃料電池システム
プロトタイプモデルの仕様(4)
項目
寸法
重量
発電出力
電圧
運用起動仕様Φ600×900mm（燃料電池発電スペースの内寸，燃料タンク除く）
200kg 以下300W（代表点）
24V（DC-DC コンバータ搭載）
独立動作可能（システム状態監視が可能なこと）
停止時に窒素パージが不要
ワンタッチ迅速起動(独)海洋研究開発機構提供

図 10 新規燃料電池システム
プロトタイプモデルの外観図(4)|5. まとめ
当社の新規燃料電池システムの特徴及び開発状況について紹介してきた。小型で高効率，高信頼性の閉鎖式燃料電池システムを実現することで，深海底設置型の観測機器や海中探査機をより長時間稼働させ，観測の長期化を図り，観測効率や観測精度の向上に寄与できると考えられる。また，運用コストを大幅に低減することも期待できる。さらに，海中のみでなく閉鎖環境下（航空宇宙用やクリーンルーム，シェルター等）の電源としても活用が可能である(6)。今後，更に使いやすい燃料電池システムの実現に向けて鋭意努力していく所存である。
最後に，本技術は委託研究及び共同研究の中で培われたものであり，貴重な技術資料の提供も頂いた(独)海洋研究開発機構の関係者の方々及び(独)新エネルギー・産業総合開発機構の関係者の方々に対し感謝の意を表す。

参考文献(1) Yoshida H. et al., A compact High Efficiency PEFC System for Underwater Platforms, ECSTransactions, 26(1) 67-76 (2010)(2) 玄後ほか，高効率で環境に貢献する固体高分子形燃料電池（PEFC），三菱重工技報，Vol.45 No.1
(2008) p.31～33(3) 伊藤ほか，固体高分子形燃料電池の劣化防止に関する研究，化学工学論文集，第 35 巻，第３号，pp.304-311， 2009
(4) Yoshida H. et al., A Prototype of the High Efficiency Three-Less (HETL) Fuel Cell System for
Underwater Platforms, ECS Transaction, 30(1) 295-304 (2011)(5) Hyakudome T. et al., Development of Fuel Cell System for Underwater Power Source(130117-046),
OCEANS’13 MTS/IEEE(6) ( 独 ) 海 洋 研 究 開 発 機 構 ， 新 型 の 海 中 燃 料 電 池 シ ス テ ム の 実 海 域 試 験 に 成 功 （ 2013 ） ，
http://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20131113/