広島工業大学紀要教育編
第 19 巻（2020）53-60

論文

水素を用いた燃料電池に関する初歩的な教育システムの構築
田中武＊・岡光序治＊＊（令和元年10月31日受付）

Construction of a preliminary educational system for fuel cells using hydrogen
Takeshi TANAKA and Nobuharu OKAMITSU（Received October 31, 2019）

Abstract
Global warming problems, local energy problems, etc. are expected to become serious problems as
the aging society in Japan progresses. In addition, the introduction of renewable energy is important
not only for measures against global warming, but also from the viewpoints of securing energy
security, building independent and distributed energy systems, creating new industries and jobs.
In this research, we constructed a preliminary educational system that can confirm the operationof hydrogen sensor, water electrolysis, LED lighting using fuel cell and so on. In addition, examplesof fuel cells, microgrids, and Rankine cycles provided by Mathworks were introduced, and futurehydrogen-related facilities were introduced.
Key Words: autonomous energy, regenerative energy, hydrogen, fuel cell, electrolysis of water

夏季に太陽光で発電した電気の余剰電力を利用して、水素１ ．はじめに製造装置で水を電気分解し、製造した水素をタンクに貯蔵

地球温暖化問題や、地域のエネルギー問題等は、日本のします。冬季には、その貯蔵した水素を利用し、純水素燃高齢化社会の進展とともに大きな問題になっていくことが料電池で発電することにより、水と太陽光発電のみで年間予想される。

を通じてホテル １ 棟12室分の電力を供給することができま

また、再生可能エネルギーの導入は、地球温暖化対策のす。水素を高密度で貯蔵できる水素吸蔵合金を用いたタン

みならず、エネルギーセキュリティの確保、自立・分散型クを採用しており、従来のタンクサイズと比較して10分のエネルギーシステムの構築、新規産業・雇用創出等の観点

１ まで小型化した貯蔵タンクによりシステムの省スペース１）化を実現しています ２ ）。

からも重要です 。
自立型水素エネルギー供給システムの例として、ハウスまた、自動車のガソリン・軽油の供給するための、ガソテンボス株式会社（以下、ハウステンボス）の「変なホテル」

リンスタンドは減少の一途をたどっている。全国のサービ第 ２ 期棟（ウエストアーム）があります。そのシステムは、スステーション（SS）数は、ガソリン需要の減少、後継太陽光発電、蓄電池、水素製造装置、水素吸蔵合金タンク、者難等により減少し続けています。これに伴い市町村内の純水素燃料電池により構成されています。日照時間が長い

SS 数が ３ カ所以下の地域も増加しており、平成27年 ３ 月

＊＊＊広島工業大学工学部電子情報工学科
広島工業大学大学院工学系研究科知的機能科学専攻― 53 ―

田中武・岡光序治

末時点で283カ所となっています ３ ）。
過疎地では、都市部に比較して、この問題に早く直面す

Tabel 1

MQ-8の技術的仕様６）

Fig. 2

MQ-8のテスト回路６）ることが予想される。中山間地、島しょ部のエネルギー問題は重要である。寒冷地における灯油等の供給もあげられる。自動車や運送事業者へのエネルギー供給に灯油では、用いることができない。最初に島しょ部へのガソリンスタンドの維持も困難になってきている。これらの地域のうち、近隣に SS がない住民にとっては、自家用車や農業機械への給油や移動手段を持たない高齢者への冬場の灯油配送などに支障を来たしている。
平時は太陽光発電による電力だけで作った CO₂ フリー
水素を燃料電池車に供給し、非常時には貯蔵した水素を使って発電した電力を供給するシステムが報告されています ４ ）。
本学では、太陽電池、リチウム電池、水の電気分解装置、水素タンク、燃料電池等からなる初歩的な自立式再生エネ
ルギーシステムの構築を試みた ５ ）。
本研究では、水素センサー、水の電気分解、燃料電池を利用した LED 点灯等の初歩的な教育システムの構築を行った。さらに、Mathworks 社から提供されている、燃料電池、マイクログリッド、およびランキンサイクルの例
題を紹介し、今後の水素関連施設等について紹介する。

2 ．水素センサーの作製・設置・運用

Fig. 1

水素センサー MQ-8の写真６）

Fig. 3

MQ-8の典型的な感度曲線６）水素の感度曲線を、下記の式に近似して用いた。
Log（Rs/R０）=−0.39795*log（気体濃度 ppm）+0.44634― 54 ―水素を用いた燃料電池に関する初歩的な教育システムの構築

全を確保するために、水素センサーによる、部屋中の水素濃度（ppm）、温度、湿度、気圧等を15分ごとにモニターしており、ここでは、30cc/min で水素を流した場合の水素濃度を Fig. ８に示す。水素の初歩的な教育システムに流した H２ は、徐々に室内の水素濃度をあげていく。点間隔は15分なので、60分で20ppm になっている。
実 験 室 は、 横3.17ｍ、 縦7.45ｍ、 高 さ2.6ｍ で 体 積 が61.4ｍ３ である。部屋に流れ込んだ水素量は、30cc/min、60分で1800cc です。均一に H２ が分布すると約30ppm と爆発限界（下限界）濃度の ４ ％（40000ppm）の約１/1300と安全である。実測値は20ppm と、試作した水素センサー
Fig. 4

MQ-8の典型的な温度／湿度曲線

Fig. 5は、H２ 濃度の目安を与える可能性が示唆された。

６）

MQ-8の典型的な感度曲線６）Fig. 7

Fig. 6

 １ 号館408号室への水素センサー（MQ-8）
新および水素の初歩的な教育システムの写真

MQ-8の立ち上がり、および立下り時間６）水素センサー（MQ-8）の写真や、仕様等を、Fig. １から Fig. ６に示した。そのセンサーと、本研究の水素ボンベ、レギュレータ、流量計、燃料電池、および LED を Fig. ７に示す。
H２ の流量が30cc/min で、LED が点灯し、徐々に H２ のFig. 8

流量を下げていくと、15cc/min 付近で、LED が消灯した。
今後詳細に実験を行う必要があると考えられる。

広島工業大学の実験中の別の部屋の水素濃度（ppm）

さらに、水素濃度が10ppm 以上になると、Twitter で知次に、水素の初歩的な教育システムを設置する部屋の安らせるシステムを構築し、知らせた内容を Fig. ９に示す。

― 55 ―

田中武・岡光序治

以上のことから、部屋内の水素濃度をモニターしておくことにより、安全に教育研究を実施できることが明らかになった。

Fig. 9

Twitter でお知らせしたスマートフォンの画面

3 ．水の電気分解装置、および燃料電池を用いた赤色 LED の点灯実験
水電解スタックの写真を Fig. 10に示す。また、その仕様を Table ２に示す。燃料電池の写真を Fig. 11に示す。

Fig. 11８）
燃料電池（HCS-008）
公称出力：0.6W
定格出力：1.8V@280mA
直流出力：1.2V-2.5V
重量56.9g（チューブ、コネクタ、バルブを含む）

水の電気分解、および燃料電池による発電の実験を
Fig. 12、および13に示す。

Fig. 10

水電解スタック（SPE）の写真７）

Table 2

水電解スタック（SPE）の仕様７）

Fig. 12― 56 ―

 の電気分解、および燃料電池による発水電の実験装置を組み上げた状態

水素を用いた燃料電池に関する初歩的な教育システムの構築

び DC/DC コンバーター電流の信号は、Scope２で確認できます。燃料の流量、水素と酸素の利用、燃料と空気の消費量および効率は、Scope１で確認できます。
t = ０秒 で、DC/DC コ ン バ ー タ ー は100Vdc を RL 負 荷に加えます（負荷の初期電流は０A）。燃料の利用は99.56%のノミナル値に設定されます。電流は133A の値まで増加します。流量は、燃料利用のノミナル値が維持されるよう自動的に設定されます。DC 母線電圧（Fig. 16 Scope２）がコンバーターによってよく制御されていることを観察してください。シミュレーション開始時における122Vdc のFig. 13 水 の電気分解、および燃料電池による発電の実験装置を組み上げ、水の電気分解、発電、およびその電気で LED が点灯した状態

ピーク電圧は、電圧制御器の過渡特性状態が原因となっています。
t = 10秒のとき、燃料流量は3.5秒間で50リットル毎分

Fig. 13より、水の電気分解、燃料電池による発電、その（lpm）から85lpm に増加し、これによって水素の利用量が減ります。これはネルンスト電圧の増加につながり、燃電気による LED の点灯が観察された。
水の電気分解量を制御することにより、水素を用いた燃料電池の制御に関する初歩的な教育システムの構築が可能料電池の電流は減少します。したがって、スタックの消費量と効率は減少します（Fig. 15 Scope１）。

であることが示された。

4 ．MATLAB／simulink シミュレーション
4-１

６kW45Vdc 燃料電池スタック ９ ）この例では、平均値100Vdc の DC/DC コンバーターに電力を供給するプロトン交換膜（PEM）燃料電池スタックモデル（Fig. 14）を示します。

Fig. 14

Fig. 15

Scope1

Fig. 16

Scope2

Simulink モデル図

燃料電池スタックの定格電圧は45Vdc、定格電力は６kWです。コンバーターは、時定数が １ 秒である６kW の RL

4-２

小規模マイクログリッドの簡略化モデル10）素子を負荷としてもちます。最初の10秒間、燃料流量制御

この例では、典型的な １ 日における小規模マイクログ器を使用して、水素の利用は一定のノミナル値（Uf_H２ =リッドの簡略化モデルの挙動を説明します。このモデル

99.56%）に保たれます。10秒目以降は流量制御器がバイパ

では、シミュレーション速度を上げるために、Specialized

スされ、スタック電圧の変動を観察するために、燃料の流Power Systems で提供されるフェーザ法を使用します。

量は最大値の85lpm に増加します。これによって、スタッ
クの効率、燃料消費量および空気消費量が影響を受けます。
燃料電池の電圧、電流、DC/DC コンバーター電圧およ― 57 ―

田中

武・岡光序治

蓄電池は、マイクログリッドの電力が不十分な場合には足りない電流を供給し、電力が電気負荷を超えると余剰電流をマイクログリッドから吸収します。
12時から18時の間は、バッテリー制御は行われません。
蓄電池の SOC（充電状態）は定数に固定され、変化しません。
これは、蓄電池の充電または放電が、バッテリー コントローラーによって行われないためです。マイクログリッドで電力不足が発生すると、システム電源から足りない電力が供給されます。マイクログリッドに余剰電力があると、余剰電力はシステム電源に戻されます。
８ 時には、一般的な家の電気負荷 No.３が、ブレーカーによって10秒間オフに設定されます。柱上変圧器の二次側と蓄電池の電力で、有効電力にスパイクが観察されます。

Fig. 17１日における小規模マイクログリッドの簡略化モデル

マイクログリッドは、単相 AC 回路網です。エネルギー源は、電気回路網、太陽光発電システム、および蓄電池です。
蓄電池はバッテリーコントローラーで制御されます。これは、マイクロ回路網に余分なエネルギーがあれば余剰電力を吸収し、マイクロ回路網に電力不足があれば追加の電力を供給します。 ３ 軒の一般的な家で、エネルギー（最大値2.5kW）が電気量として消費されます。
マイクロアレイは、電柱に取り付けられた変圧器を経由して電力回路網に接続されています。この変圧器は6.6kVの電圧を200V に降下させます。
太陽光発電および蓄電池は、単相 AC に変換される DC

Fig. 18電力源です。制御戦略では、マイクロアレイは電力網によって供給される電力に完全には依存せず、太陽光発電および4-３蓄電池によって供給される電力は常に十分であると仮定されます。

SPS 内のデータ

ランキンサイクル（蒸気タービン）

この例では、ランキンサイクルに基づく蒸気タービンシステムをモデル化します。サイクルには過熱および再加20時から ４ 時までの太陽光発電は０W です。太陽光発電
は、14時から15時の間にピーク量に達します（５kW）。

熱が含まれており、それぞれが高圧タービンと低圧タービンでの凝縮を防ぎます。サイクルには再生もあり、抽気蒸

一般的家庭での典型的な負荷の変化として、電力負荷の量は ９ 時（6,500W）、19時、22時（7,500W）にピーク消費

気を密閉型給水加熱器に通すことによって水を温め、サイクル効率を向上させます。に達します。

Saturated Fluid Chamber ブ ロ ッ ク と Turbine ブ ロ ッ

０ 時から12時および18時から24時の間、バッテリーコン

ク は、Simscape™ Foundation Two-Phase Fluid ラ イ ブ

トローラーがバッテリーを制御します。バッテリー制御にラリに基づいたカスタムコンポーネントです。Saturatedより、柱上変圧器の二次側からシステムに流入する有効電

Fluid Chamber ブロックは、飽和液の体積と飽和蒸気の力が ０ になるように、電流のトラッキング制御が行われま体積を別にモデル化しており、ボイラーと復水器を作成すす。そうすることで、柱上変圧器の二次側の有効電力は常るために使用されています。に ０ 付近に保たれます。
― 58 ―

水素を用いた燃料電池に関する初歩的な教育システムの構築

蒸気から給水にも熱が伝達されます。

Fig. 19

ランキンサイクルのモデル図

Fig. 22

システム質量流量Fig. 22は、システムを通る質量流量を示しています。蒸気の一部は高圧タービン（HPT）と低圧タービン（LPT）の間で抽気されます。抽気蒸気は、復水器で主流と再合流する前に、給水を温めるために使用されます。主流と抽気蒸気の流量は、それぞれボイラーと予熱器の凝縮器の水位を維持するためにコントローラーで制御されます。

Fig. 20

Scope からのシミュレーション結果

Fig. 23

温度−エントロピー図

ランキンサイクルのアニメーションを温度−エントロ
ピー図で経時的に示したものです。主蒸気流は、サイクルポイント １ ～ ６ のループに対応します。抽気蒸気流は、サFig. 21

イクルポイント ４ ～ ４ b の破線に対応します。このモデル

システムエネルギーフロー

では、サイクルポイント ３ の前のスロットルバルブが動力システム内のエネルギー交換を示しています。ボイラー、出力をわずかに制御します。

過熱器および再熱器によって火炉の熱が追加されます。高5 ．大型施設の紹介

圧タービン（HPT）および低圧タービン（LPT）によって有効仕事が蒸気から抽気されます。廃熱は、復水器内の水素エネルギー関連の船や液化水素荷役基地等の施設の冷却材に廃棄されます。熱効率を向上させるために、抽気概略図の一例は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技― 59 ―

田中武・岡光序治

術総合開発機構から紹介されている。11）

6 ．まとめ本研究では、水素センサー、水の電気分解、燃料電池を利用した LED 点灯等の初歩的な教育システムの構築を行い、これらのシステムを用いた教育を、研究室の院生・学生から、学科の学生に実施していきたいと思います。さらに、Mathworks 社から提供されている、燃料電池、マイクログリッド、およびランキンサイクルの例題を用いた学習や、将来の水素関連施設等の理解を深めるとともに、大型の水素関連設備を用いて教育研究していきたいと思います。

Fig. 24

文
水素運搬船

献

⑴

http://www.env.go.jp/earth/zoning/index.html⑵

https://www.toshiba.co.jp/about/press/2016_03/pr_
j1402.htm⑶

http://www.enecho.meti.go.jp/category/resources_
and_fuel/distribution/sskasochi/⑷

http://www.cic-solar.jp/info/2017/0403095327.html⑸

田中武他、“初歩的な自立式再生エネルギーシステムの構築”、広島工業大学紀要研究編、第52巻（2018）
77-85

⑹

Flammable Gas Sensor（Model: MQ-８）ManualV ersion: １. ４, Valid from:20150310, Zhengzhou
Winsen Electronics Technology Co., Ltd.

⑺

h ttps://www.enoah.co.jp/%E６%B０%B４%E９%９
B%BB%E８%A７%A３%E３%82%B９%E３%82%BF%E３%83%83%E３%82%AF-%E６%B０%B４%E７%B４%A０%E

Fig. 25

７%99%BA%E７%94%９F%E５%99%A８/

水素運搬船の仕様⑻

http://www.space-device.com/HCS008.html⑼

h ttps://jp.mathworks.com/help/physmod/sps/
examples/６-kw-45-vdc-fuel-cell-stack.html⑽

h ttps://jp.mathworks.com/help/physmod/sps/
examples/simplified-model-of-a-small-scale-micro-grid.
html⑾

Fig. 26

神戸空港島液化水素荷役基地 概略図― 60 ―

https://www.nedo.go.jp/content/100895060.pdf