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静電噴霧法による固体高分子形燃料電池触媒層の形成
Preparation of Polymer Electrolyte Memebrane Fuel Cell Catalyst Layer with Electrospray Deposition

ESD
固体高分子形燃料電池の触媒層は電気化学反応が起こる非常に重要な部分です。触媒層は表面積をできるだけ大きくするとともに水素・酸素ガス,電子,イオンがスムーズに運ばれる必要があります。現在,触媒層はエアスプレーやスクリーン印刷で作ることが一般的ですが,我々は静電噴霧法と呼ばれる手法で作成し性能向上を狙っています。静電噴霧法は高電圧を用いて触媒を非常に細かな霧状にする技術で,触媒層の構造を制御することができます。また,一つ一つの触媒粒子は静電気で狙ったところに引き寄せられるため製造時の無駄も大幅に削減できます。
The catalyst layers of fuel cells are an important component where the electrochemical reaction takes place. The catalyst layer must have large surface area as well as high transportation property for hydrogen, oxygen, electron and ion. In general, the catalyst layer is prepared with air spray or screen printing techniques. We are trying to obtain high performance controlling the catalyst layer structure with electrospray technique, which applies high voltage to the spray nozzle to make very small catalyst/ionomer particles. Besides, we can improve catalyst utilization in manufacturing.

燃料電池の交流インピーダンス診断が可能なDC/DCコンバータ
DC/DC Converters with AC Impedance Diagnosis Function for Fuel Cells

EIS fuel cell

例えば自動車用に燃料電池を使用した場合,過酷な環境の変化にさらされます。 燃料電池に必要な酸素は,空気中の酸素のを利用するため, 空気の温度や湿度によって電気化学反応時の条件が大きく変化するだけでなく,故障の原因にもなりかねません。 燃料電池は水素を利用するため,燃料電池そのものの故障は大きな事故につながりかねません。 通常燃料電池はDC/DCコンバータと呼ばれる電子回路を使って 適切な電圧に変換して用います。 私たちはこのDC/DCコンバータに燃料電池を交流インピーダンス法という方法を用いてリアルタイムに診断する機能を搭載することを検討しています。

Fuel cells in the fuel cell vehicle will be under extreme condition. For example, oxygen in the air, which is supplied to the fuel cells, varies its condition such as temperature and humidity, not only influencing the electrochemical reactions in the fuel cells but also lead to failure of the fuel cells. Incidentally, fuel cell power supply systems use DC/DC converters, which regulate voltage matching the load voltage. This project will realize a DC/DC converter with fuel cell diagnosis function by means of AC impedance method.

水素吸蔵合金を用いた不純物を含む水素の純化・貯蔵
Hydrogen Purification and Storage Using Metal Hydride

Metal Hydride

水素吸蔵合金は自身の1000倍の体積の水素を自身に取り込むことがてきます。 (一方,気体として水素を1/1000に圧縮するのは非常に難しいです。)現在この水素吸蔵合金を用いて水素ガス中の不純物を取り除きつつ水素を高密度で貯蔵する研究をしています。 この研究が実現すれば,一酸化炭素などの不純物を多く含む バイオマスや天然ガスから生成された水素を純化しながら貯められるカートリッジに応用できます。(民間企業,経営工学科・堂脇研究室,機械工学科・早瀬研究室との共同研究)

Metal hydride can store hydrogen 1000 times as much as its volume. (Compressing hydrogen to 1000 atms is extremely difficult.) Our objective is storing and purifying hydrogen at the same time using metal hydride. Hydrogen derived from fossil fuel or biomass gas has a various kind of impurity which will damage fuel cells. If our idea comes true, a hydrogen cartridge which can store such hydrogen directly. That will provide improved efficiency and simplified system

太陽電池の故障予知・診断が可能なパワーコンディショナ
Power Converter with the Function of Failure Prognosis and Diagnosis for Solar Cells

PV diagnosis converter

 

太陽電池は20年で平均10%の性能低下が起こると予想されています。これは平均の値で場合によっては中には突然発電しなくなってしまうものもあり,太陽電池の故障予知や故障診断の需要が高まっています。これまで太陽電池の故障診断はI-Vカーブによるものが主流でしたが,晴れた日にしか診断ができず,それほど多くの情報も得られません。交流インピーダンス法と呼ばれる方法を太陽電池に用いることで,太陽電池のどの部分(半導体部分or導体部分or接合部分?)が劣化し始めているのか診断する手法を開発しています。さらにこの診断機能をパワーコンディショナに搭載することを検討しています。実現すれば,小さな開発・導入コストで太陽電池を日射の有無に関係なく,無人で診断することができるようになります。(民間企業と共同研究) 動作中の動画はこちら

Solar cells are expected to degrade its performance around 10% on average by 20 years. Some of them stop functioning suddenly. Therefore, the demand for the diagnostic technology is rising. Today, the mainstream diagnosis tool is I-V curve tracing, but it can be used only for sunny days when enough solar radiation is available and it provides no detailed information for the fuel cells. Recently, AC impedance analysis (called electrochemical impedance spectroscopy in electrochemical area) has started to be used. AC impedance analysis, which applies small AC perturbation for the energy device, provides various information about solar cells, such as which part of the solar cell is broken. We are developing a power conditioner that has the diagnosis function with AC impedance analysis. It will automatically diagnosis solar cells in real time for small introduction cost (collaborative research with private companies) (Movie)

燃料電池とスーパーキャパシタによるハイブリッド電源のエネルギーマネジメント
Energy Management for Fuel Cell-Supercapacitor Hybrid Power Sources System

DC-DC converter for mobile device

燃料電池は電気化学反応を利用しているという原理上,急激に発電量を変化させることが原理上難しいデバイスです。 しかし,電子機器や自動車では消費電力が頻繁に変化するため,燃料電池だけで電力供給するのに無理があります。 そこで,スーパーキャパシタという瞬発力があり充放電が半永久的に可能な新しいタイプの二次電池を燃料電池とハイブリッド化することを提案しています。 燃料電池とスーパーキャパシタをハイブリッド化するためには,燃料電池を得意な電力で動作させ, かつスーパーキャパシタの充電量を適切な範囲に保つ必要があります。 これらを可能にする電力変換回路と制御アルゴリズムの開発を進めています。(自動車用を電気電子情報工学科・星研究室と共同研究,携帯機器用を経営工学科・堂脇研究室,機械工学科・早瀬研究室と共同研究

Fuel cells, which use electrochemical reaction, can not follow steep load changing. However, electronic devices and vehicles changes their power demand and the load to fuel cells is enormous. Our idea is to combine fuel cells with supercapacitors, which can charge and discharge semipermanently at large current. To realize this idea, the fuel cells need to operate appropriate voltage and current and keep the supercapacitor’s charge within the rated value. We are developing the power electronics circuit and the algorithm. (This project is in collaboration with Hoshi Lab, Dept. Electrical Engineering for vehicle use and Dowaki Lab, Dept. Industrial Administration and Hayase Lab, Dept. Mechanical Engineering for mobile use)

 

固体高分子形燃料電池の劣化機構解析
Analysis of Polymer Electrolyte Memebrane Fuel Cell Degradation Mechanism

Fuel cell degradation

固体高分子形燃料電池は常温付近で発電が可能であるため, 自動車やポータブル機器用など私達の生活に密着した様々なシーンでの応用が期待されています。 しかし,発電量の変化が激しいと特に触媒が溶解し,発電性能を大きく低下させることが分かっています。 どのような条件でどの程度の性能劣化が起こるか分かれば, 電源の設計の際に劣化が起こる条件を避けるような方策がとれると考えています。 現在,電気化学による数値シミュレーションの開発を進めています。

Polymer electrolyte membrane fuel cells can generate electric power at the room temperature and they are expected to be use for vehicles and portable devices. However, load changing conditions degrades their catalysts and decrease the performance dramatically. If we knew what load condition degrades the performance, we could design the fuel cell system which can avoid such severe conditions. In this project, the numerical simulation which predicts fuel cell degradation are being constructed based on electrochemical modeling.