燃料電池攻略のポイント？？
世界初の燃料電池レースってことでほとんどのチームがゼロからのスタートだったと思いますが、うちも例外なくゼロからのスタートでした。そんな何もわからない状態から、情報収集、テストから得た僅かな情報を頼りに各チームとも工夫をしていた事だと思います。実際レースでの各チームの施策を見た感じ、燃料電池（FC）レースのポイントは熱コントロールという認識は共通だったようです。どの部分の熱かと言うと、まず一つは水素吸蔵合金ボンベで、もう一つはFC本体です。
まずこの水素吸蔵合金ってやつが全く馴染みがないのですが、これはある合金に水素が溶け込むような状態になることによって水素が保存できる仕組みで、温度と圧力をコントロールする事によって水素を供給貯蔵できるという優れた材料です。ただし水素を放出する時に周りから熱を奪う性質があるので、普通に放出するとボンベの温度が下がってしまい、水素が残っているにも関わらず出てこなくなくなるという現象が起こります。この現象を防ぐために水素吸蔵合金ボンベを適度に加温してやる必要があるのです。
次に燃料電池（Fuel cell:FC）ですが、この発電原理は昔学校で習った「水の電気分解」を逆にしたものです。つまり「水の電気分解は電気によって水を水素と酸素に分解」するのに対し、「燃料電池反応は水素と酸素を結合させて電気（＋水）を発生」と言う事になります。これを反応式にすると以下のようになり、それぞれ左辺と右辺を入れ替えた反応って事になります。
水の電気分解 ： 2H2O（＋電流）→2H2 ＋ O2
燃料電池反応 ： 2H2 ＋ O2 → 2H2O（＋電流）
熱コントロールに話を戻すと、燃料電池反応では水、電流以外に熱も発生します。またFCでの内部抵抗などによっても発熱します。その結果FCは発電する事によって温度上昇してしまいます。温度が上昇しすぎるとFC内部から発電に必要な水が蒸発してしまうため（ドライアウト現象）、十分な出力が得られなくなってしまいます。なのでFC自体は温度上昇を防ぐ工夫が必要となるのです。最初はボンベの温度ばかりに目がいってましたが、実はFCの温度コントロールがレース結果に結構影響を与えたんじゃないかなーって感じています。
つまりは熱コントロールと言っても、ボンベ、FCを最適温度に保つと言うだけの事です。ちなみに最適温度は・・・・分かりません！
「分かりません」じゃ話がしまらないので、分からないなりにどの様な対策をしてきたかちょっと紹介したいと思います。
突然ですがモル（mol）って言葉知ってますか？
高校あたりで習ったらしいのですがちょっと思い出してみましょう。モルって聞いて、吐き気、めまいがした人はこの先進まないほうがいいです。
分子や原子の相対質量を表す「分子量」や「原子量」というのがありますが、これはどういう事かというと「ある分子（原子）がある一定量集まった時の質量が分子量（原子量）g」ということです。例えば
水素（H2）の分子量：2.016
これがある一定量集まった時、その水素の質量は2.016gとなります
さて、ここで出てきた一定量とはどんな量でしょう？
実はこの一定量とは分子（原子）6.02×1023個の事で、これをモル（mol）といいます。化学分野では通常、このモルを基準として物質の現象を議論します。
このモルが熱コントロールにどう関係するかと言うと、ボンベでの吸熱量やFCでの発熱量もモルを基準とした熱量でざっくりですが見当がつくのです。
まずボンベでの吸熱ですが、大同メタルさんによると水素1モルの放出に際し、約30kJの吸熱をするそうです。ボンベ1本あたり約55Lの水素が入っていますが、これって何モルかと言うと約2.5モルとなります（0℃、1モルの気体って約22.4Lなんです）。つまり水素を使い切るとボンベ1本あたり75kJ （30kJ×2.5モル）の吸熱となり、ボンベは2本使用なのでその倍の、150kJの吸熱と言う事になります。
じゃあ燃料電池本体の発熱はどのくらいかと言うと、ある本を見たら燃料電池反応での生成エネルギーは286KJ/molだそうで、燃料電池の効率を４０％と見積もると、残り６０％の171.6kJの熱量が失われル事になります。このエネルギー損失が全て熱に変るとすると、ボンベ2本の水素量は約5mol（2.5mol×2本）なので、水素が全部反応すると858kJの発熱と言う事になります。これってかなりの熱量なんです。
ボンベの吸熱量（150kJ）とFCでの発熱量（858kJ）を比べると、FCの発熱をボンベに伝えればボンベの吸熱分が余裕でまかなえるではないですか！ただし実際FCの発熱は周りの空気や車体にも伝わってしまうので、FCの発熱を丸ごとボンベに伝える事は無理です。それと燃料電池では副産物として約90mlの水が発生しますが、そのほとんどはFCの発熱により蒸発しているそうです。
ここで鋭い人はピンとくると思いますが、水の蒸発によってFCから熱が奪われてしまうのです。発生した全ての水が蒸発するとして、FCから奪われる熱量をざっと計算すると、水の蒸発熱が約41kJ/molなので、トータルで205kJもの熱がFCから奪われる事になります。そのへんのロスを踏まえて、やはりFCの発熱分は出来るだけ無駄なくボンベに伝えてあげる工夫が必要です。そこでうちの行った対策ですが、ボンベを熱伝導のよいアルミのステーでFC本体に直接固定して、FCの熱がボンベに伝わるように工夫しました。さらに細かいところではステーから周辺空気への放熱を抑えるためにステーをウレタンスポンジで覆い、さらにステーとボンベの接触部に放熱グリースを塗布しました。また、カーボンFRPの車体への熱伝導を抑えるために、FC設置室の内壁にもウレタンスポンジを貼りました。ここまでやって実際に実車搭載状態で2時間動作させたところ、最終的に４０℃付近まで上昇し、ボンベ冷却対策はこれでいける事を確信しました。
FCにいたっては表面温度が５０℃まで上昇しましたが、これが出力低下につながるとは、この時は思い付きもしませんでした。
秋田では練習走行、予選とも2時間完走し見事ポールポジションを獲得できましたが、どうも出力が出ない。練習走行後、元々調子の悪かった片方のスタックを交換し、ファンがロックしないようにファンフレーム内側を削ったりもしたけどどうもいまいち。
ここでやっとFCのオーバーヒートに気づいたのです。
いくら余裕のポールポジションといっても宇工、長野工業とも安定していたし、練習での早稲田の好走を目の当たりにしていることもあって、出来るだけのことはやろうということで急遽オーバーヒート対策をすることになりました。幸いボンベは十分すぎるほどの加温状態なので積極的にFCを冷やす作戦に出ました。車体下にエアインテークを設け、FC下部に強制的に空気を取り込みサイドと後方に穴を開けそこから空気を逃がす作戦に出ました。さらに車体先端に隙間をあけてドライバーに風を送ってあげようというやさしい心遣いもしましたが、これは裏目に出たようです（詳細はドラアイで）。
決勝前夜はオーバーヒート対策が心配で酒も進みませんでしたが、「やなぎのどアップインタビュー」に多少緊張がほぐされました。
さて、決勝当日。
朝起きたら前日とは打って変わってえらい寒いじゃないですか！これならFC冷却対策がさらに効果発揮するかなと、都合のいいほうばかり考えてしまいがちなところに渇を入れる意味で、個人的に秘策中の秘策と思い込んでいる
「ウィ○ーｉｎゼリー」
を駄目押しで使うことにしました。これは何かと言うと、元々はボンベ冷却対策のために用意していた、
スペシャルアルコール入り「ウィ○ーｉｎゼリー」
で融解凝固の時の潜熱を利用して温度変化を和らげようというものです。この「スペシャルアルコール」は２０℃付近で融解凝固する物質で、融解する時には吸熱、凝固する時は発熱する優れものです。これを凍ったままの状態でFCに付けておくのです。どんな効果があるかと言うとFCが温度上昇したときにその熱で「スペシャルアルコール」も融けるわけですが、その時にFCの熱を奪ってくれるのです。その吸熱量は今回の使用量だと約40kJで、FCの発熱量に比べると屁みたいなもんですが、せっかく用意したので遊び心で試してみました。レース後に触ってみたら完全に融けていたから、少なくとも40kJは稼げたはずですが、どれだけの効果があったかと言うと？？です。
うちの熱コントロールはこんな感じでやりましたが、いろんな試算をした割には、実に行き当たりばったりの対策ばかりで、はっきり言って結果オーライ状態で何も分かってないです。まぁとりあえず最高の結果が出せて良かったです。
バンザイ！
by 溝手