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　 電子ジャーナル　技報R&Dレビュー

要旨集●Vol.39 No.3（2004年9月発行）
　研究報告
p.27

中井英雄，守屋一成，大谷裕樹，夫馬弘雄，稲熊幸雄

　There is no doubt that hybrid electric vehicles and fuel cell hybrid electric vehicles contribute greatly to preserving the environment. Both of these types of vehicles use multiple electrical power sources and the power flows between these sources are generally controlled using DC/DC converters. Therefore the DC/DC converter is an extremely important component of both an HEV and FCHV. This paper provides an overview of the Multi-Functional Converter System (MFCS) studies conducted by our laboratory. An MFCS consists of motors, inverters and additional wiring but no DC/DC converters. The MFCS can control the power flow between several AC or DC electrical power sources while, at the same time, controlling the motor torque. There are basically two types of MFCSs, the main difference being in the location of the electrical power sources in the circuits. One group has an electrical power source between the neutral point of the motor and the DC bus line of the inverter. The second group has one electrical power source between the two neutral points of the motors. This paper describes the basic circuit concepts and introduces their characteristic equations, the controller design concepts, and the differences between the circuits of the two groups. Also described are several experiments that prove the validity of the proposed method.
　ハイブリッド電気自動車(HEV)や燃料電池車(FC-HV)は，環境に優しい車として注目を集めている。DC/DCコンバータは複数電源を繋ぐために，これらの自動車においては重要な部品の一つである。本研究では，従来のモータインバータシステムにおいて，回路構成を修正することにより，今までほとんど利用されなかった零相電流を利用できるようにし，モータインバータシステムにDC/DCコンバータ機能を持たせた「多機能インバータ」を開発した。この多機能インバータは，結線方法により，2つのグル−プに分けられる。一つ目は，モータ中性点とインバータDCラインの間に電源を置くタイプであり，もう一つは，2つのスター結線を用意し，2つのモータ中性点間に電源を置くタイプである。本論文では，これら2グループの多機能インバータについて，基本的な回路構成，電圧方程式，制御方法と幾つかの派生回路を示している。また，実験結果を示すことにより，多機能インバータが，モータインバータシステムが本来もつ「モータトルクの制御」と，DC/DCコンバータがもつ「複数電源間でのエネルギの制御」とを両立できることを確認した。

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P.33

鈴木孝尚，村田元，畑中達也，森本友

　Comprehensive techniques for diagnosing the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell were developed. The developed techniques consist of an electronic resistance estimation by a four-probe measurement of the catalyst layer with crack compensation by image analysis, a protonic conductivity estimation by ac impedance analysis based on a porous electrode model, and an estimation of gas diffusivity by comparing the limiting current density for the case of a helium-oxygen mixture as oxidant with that for the case of air as oxidant. The techniques were applied to in-house fabricated catalyst layers. It was found that electronic conductivity is sufficiently large to minimize voltage loss, and this is also true of protonic conductivity if the content of the polymer electrolyte is sufficient. Gas diffusivity was smaller than that calculated from the molecular diffusion model. Slow Knudsen diffusion through narrow pores contributes 40% to the total diffusion. From the abovementioned comparison, an increase of power in the fuel cell is attributed to an enlargement of pores in the catalyst layer that reduces the contribution of Knudsen diffusion.

　固体高分子型燃料電池の触媒層における，電子伝導性，プロトン伝導性，ガス拡散性の解析技術を開発した。この技術は，それぞれ，亀裂 (面方向のマクロな欠陥) を画像解析によって補正して電気抵抗を求める手法，均一多孔電極モデルを用いた電極-電解質接合体の交流インピーダンス解析，電池を運転する時の酸化剤ガスを空気からヘリウム-酸素混合ガスに変えた場合の限界電流密度の増分 (ヘリウムゲイン) の測定に基づいている。この技術を，作製した触媒層に適用した。その結果，電子伝導度はプロトン伝導度に比べてはるかに大きく，かつセル電圧降下への寄与も小さいとわかった。また，プロトン伝導度は高分子電解質の割合と共に上昇し，高くできるとわかった。ガス拡散性については，分子拡散より遅い，細孔中のKnudsen拡散の寄与が40%を占めることがヘリウムゲインの結果からわかった。3者の比較より，電池の出力を上昇させるには，触媒層の細孔を大きくし，Knudsen拡散の寄与を減らすことであると推定される。

　

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P.39

山田春彦，森本友

　A simple simulation method to predict the current distribution in a polymer electrolyte fuel cell is presented. This method combines a model for the material transport along the gas flow and through a membrane electrode gas diffusion layer assembly with experimentally determined IV (current-voltage) characteristics and water transport properties. The IV characteristics and water transport properties were measured under various gas conditions using a small cell having an electrode area of 1 cm2. The current distribution and the humidity profile were calculated for a cell with an electrode area of 13 cm2 for different flow patterns and stoichiometric flow ratios. The results were compared with experimental data obtained using a segmented cell and chilled-mirror hygrometers. The simulation results agreed well with the experimental data. This method gives us a rough insight into the phenomena of an operating cell and is useful for designing the cell for a membrane electrode gas diffusion layer assembly due to the simplicity of the simulation procedure.

　固体高分子形燃料電池 (PEFC) の電流分布を簡便に予測する計算手法を提案した。この手法は，ガスの流れ方向および電極接合体の厚み方向の物質移動を考慮した簡易モデルと，電極接合体の基本特性を表す実験式とを組み合せたものである。電極接合体の基本特性として，電流‐電圧特性と水移動特性とを電極面積が1cm2の小さなセルを用いて種々のガス条件下で測定し，実験式を導出した。この計算手法を用いて，電極面積が13cm2のセルについてガスの流し方とガス・ストイキ比とを変えた場合の電流・湿度分布を計算し，その結果を分割セルと露点計とを用いた実験の結果と比較した。計算と実験との結果はよく一致し，ここで提案した手法の妥当性が確認できた。本手法は大きなセルの内部挙動を簡便に把握できるため，セルの設計に対して有効な手法である。

　

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