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本文3098字，阅读约需8分钟 摘 要：近年来，减少船舶的温室气体排放量成为首要课题，急需开发一种不使用化石燃料的推进技术。 东芝能源系统&解决方案株式会社（Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation，以下简称“东芝ESS”）与日本国立大学法人东京海洋大学（以下，简称“东京海洋大学”）以及NREG东芝不动产株式会社展开合作，旨在将燃料电池船投入实际使用，以为实现氢能社会做出贡献。 为了对海上燃料电池进行运行试验并验证船舶的安全设计，在电力推进实验船“Raicho N”上搭载了2台由东芝ESS制造的固定式燃料电池系统H2RexTM3.5kW机，从2016年10月开始在海上实施了为期2年的运行试验。 在实验船的运行试验顺利结束后，对H2RexTM进行了拆卸和调查，结果没有发现船舶的振动、温度湿度和盐分对燃料电池的影响等，证明固定式燃料电池具有优异的耐久性，从而证实氢燃料电池系统可在海上运用，且发电性能不会降低。基于该结果，开发了小型30kW模块的移动式氢燃料电池系统，并对其实施了示范试验。 关键字：燃料电池船、Raicho N、固定式燃料电池系统H2RexTM3.5kW机、氢能社会、移动式氢燃料电池系统 1 前言 东芝ESS此前开发了固定式氢燃料电池系统，但是今后，为了实现氢能社会，预计其用途不限于固定式装置和燃料电池汽车（FCV），还将扩展到其他移动体。特别是针对新建造的船舶，国际海事组织（IMO）要求在2020年后削减20%的CO2排放量，2030年后削减30%的CO2排放量。氢燃料电池不排放CO2，因此是极具潜力的替代能源的候补。 汽车和火车在加速时需要最大功率，但在惯性行驶时不需要很大的输出功率。然而，船舶需要与船速的3次方成比例的推进力，因此在加速和巡航时都需要较大的输出功率。东芝ESS的固定式系统具有能够连续额定输出且使用寿命长的优点，因此与船舶的推进系统具有较高的适配性。 东芝ESS与野村不动产集团的NREG东芝不动产株式会社和东京海洋大学展开合作，共同开发燃料电池船相关技术，设计一种安全的氢能船舶并加以验证，以将燃料电池船投入实际使用。将东芝ESS制造的燃料电池系统搭载在东京海洋大学的船舶上，并在海洋上进行燃料电池的运行试验。接下来，将对2年运行试验结束后的燃料电池系统的拆卸调查和健全性验证进行说明。 作为燃料电池船实用化的第一步，首先，在东京海洋大学的电池推进实验船“Raicho N”（图1）的船尾甲板右舷侧和左舷侧分别安装了一台由东芝ESS制造的固定式纯氢燃料电池系统H2RexTM3.5kW机，以在海上对燃料电池系统进行运行验证。
图1.“Raicho N”与主要规格 东京海洋大学的电力推进实验船“Raicho N”的船尾甲板上搭载有2台燃料电池系统 为了将H2RexTM3.5kW机安装在船舶上，与H2RexTM3.5kW标准机不同，将功率调节器（PCS）和控制盘设为与H2RexTM主体不同的单元（图2）。这是为了遵守氢燃料电池船的安全方针，即需将用于处理可燃气体——氢的燃料电池安装区域和电力系统分别设置。通过将PCS和控制盘设置为另一个单元，并变更内部设计，电池封装的高度降低了约550mm。另外，为了连接到电池的直流系统，将PCS从DC/AC（直流交流）逆变器更改为DC/DC转换器，从而转换为DC输出。
（a）搭载情况
（b）系统构成 图2.“Raicho N”上搭载的固定式H2RexTM 标准机在同一个电池封装内安装了全部的构成部件，而船舶用H2RexTM3.5kW机为符合安全标准，将控制盘和PCS安装在船舱内。 3 海上运行试验的概要 从2016年10月开始，在东京海洋大学进行了为期2年的运行试验。以大学为中心，在半径10海里（=半径18.52千米）以内的试验水域中进行航行试验，并调查了船舶摇晃对燃料电池系统的影响等，结果发现对燃料电池的发电状态并没有较大影响，从而确认燃料电池可在海上进行稳定发电。 关于搭载的H2RexTM 3.5kW机，右舷侧为TH2SP008，左舷侧为TH2SP009（以下，简称“#008”，“#009”）。为了调查盐害的影响，在#008的燃料电池单元吸气口安装了盐害过滤器，而在#009上仅安装了标准过滤器。 表1示出运行试验结束时的累计通电时间、启动停止次数和发电时间。在为期2年的实验期间，“Raicho N”停泊在东京海洋大学的湖内。因此，为了验证在运行和保管期间，燃料电池系统在海洋环境中的健全性，对运行试验结束后的燃料电池系统进行了拆卸和调查。
4 电池封装的调查 考虑到电池在船舶上的运用，拆卸调查的内容包括摇动和振动的影响，以及温度、湿度和盐分的影响。 （1）摇动和振动的影响：为了验证电池封装在船舶的摇动和振动下能否继续维持强度，对电池封装的尺寸进行了测量，并对螺丝和配管的松动情况进行了确认。 关于电池封装尺寸的检查，在图3所示的12个部位进行检查后发现，所有部位的尺寸都在设计规格值内，且没有发现外观上的变形和裂缝。接下来，为了探讨管道的松动，实施了气密性检查。结果，确认所有检查区域均满足出厂规格，由此判断管道未松动（表2）。
图3 尺寸测量部位 为了验证振动的影响，检查了电池封装12个部位的尺寸变化，结果发现所有部位都在设计规格值内。 表2．气密性试验结果
（2）温度、湿度和盐分的影响：为了评估在海上的影响，对树脂部件的劣化和金属部件的生锈情况进行了目视确认。 （a）树脂部件的劣化：没有发现树脂部件或树脂管的裂纹。 （b）电气端子板的腐蚀：配线端子部或固定螺钉均未发现生锈。 （c）构造材料的腐蚀：#008除了船侧的盖子外，用简单的面板围起来，且安装有盐害过滤器，因此与#009相比生锈较少（图4）。
图4 电池封装内部的目视检查结果 为了确认电池封装内部的生锈状况，实施了目视检查，结果确认了盐害过滤器的效果。 对电池封装进行拆卸调查后证实了结构强度足够大。另外，关于温度、湿度和盐分，确认了内装和外装面板的双重包装结构和盐害过滤器可以有效应对盐害。在受盐害影响较大的远洋运行时，有必要使用盐害过滤器。 5 燃料电池堆单体的发电性能 从海上运行试验后的燃料电池系统中拆下燃料电池堆单体，并对其发电性能进行调查。该燃料电池系统中搭载有4台燃料电池堆，#008搭载有FC#1和FC#2，#009搭载有FC#3和FC#4。 燃料电池堆使用隔膜和垫圈密封，以防止燃料、空气和冷却水相互混合。为了确认燃料电池堆的密封件不会因海上不规律且大幅度的摇晃而松弛，进行了气体泄漏试验。试验结果确认，4台电池堆的泄漏量与出厂时相比并未增加。 接着，进行了发电性能的调查。如第3章所述，已经确认了作为系统的燃料电池堆在海上的发电没有问题，本章主要对燃料电池堆单体在海上运行试验前后的发电性能的不同进行了调查。在海上运行中，空气中的盐分进入电池堆内部，吸附在电极和隔离膜上，有可能对发电性能产生不良影响。 图5（a）示出海上运行试验前的FC#1～4的平均I（电流）-V（电压）曲线和运行试验后的FC#1～4各自的I-V曲线。此外，图5（b）示出与额定输出下的运行试验前FC#1～4的电压平均值相比的运行试验后的电压变化量。在海上运行试验前后，I-V曲线几乎没有变化，而且，额定输出电压没有变化，没有因盐害而导致发电性能下降。
图5．海上运行试验前后的发电性能比较 在为期2年的海上运行试验前后，性能几乎没有下降。 在该燃料电池系统中，在空气的吸入口上安装有盐害过滤器，并由以上试验结果证实了该过滤器的有用性。 6 后记 海上运行试验后的拆卸调查结果表明，燃料电池应用于海洋环境中时性能不会下降，而且该拆卸调查还可评价盐害对电池封装的影响。另外，摇晃和振动也对发电状态没有影响，由此可以确认燃料电池在海洋环境中可以稳定发电。 作为燃料电池船实用化的下一步，于2019年10月将额定输出功率30kW的H2RexTMmov搭载于“Raicho N”，开始商业运行实验船的示范试验（图6）。H2RexTMmov是为船舶和火车等交通工具开发的发电模块，与现有的固定式系统相比，实现了大幅度的轻量化和紧凑化，且提高了负荷响应性。今后也将继续实施必要的验证，以实现氢燃料电池船的实用化。
图6. 搭载30kW移动式氢燃料电池系统的Raicho N 作为燃料电池船实用化的下一步，在Raicho N上安装了为船舶和火车等交通工具开发的额定输出30kW的氢燃料电池系统 翻译：金滢洁 审校：李涵、贾陆叶 统稿：李淑珊  ●大阪产业技术研究所：固体电解质片材厚度降至原来的1/10，可用于全固态电池 ●专栏：Fuel Cells in 2070 | 以DMFC为中心，展望50年后的甲醇和燃料电池 |
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