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あやかのじま
5 years ago
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1 平成 29 年度第 17 回海上技術安全研究所研究発表会船舶分野における燃料電池システムの展開 ( 国研 ) 海上港湾航空技術研究所海上技術安全研究所環境動力系平田宏一 1

1. はじめに水素エネルギーへの期待将来のクリーンエネルギー源として, 利用時に CO 2 が排出されない水素エネルギーが期待されているまた, 水素は将来の二次エネルギーの中心的役割を担うものとして有望視されている水水素社会に向けた取組水素政府および民間企業は水素社会の実現に向けた基盤整備や技術開発に取り組んでいる政府方針平成 26 年 4

2 1. はじめに水素エネルギーへの期待将来のクリーンエネルギー源として, 利用時に CO 2 が排出されない水素エネルギーが期待されているまた, 水素は将来の二次エネルギーの中心的役割を担うものとして有望視されている水水素社会に向けた取組水素政府および民間企業は水素社会の実現に向けた基盤整備や技術開発に取り組んでいる政府方針平成 26 年 4 月に閣議決定されたエネルギー基本計画を受け策定された水素燃料電池戦略ロードマップ ( 平成 26 年 6 月策定平成 28 年 3 月改訂 ) において, 燃料電池の適用分野拡大に関し燃料電池船舶の導入に向けた実証業の推進等について検討していく旨言及された平成 29 年 6 月に策定された未来投資戦略 2017 において, 水素エネルギーを本格活用する水素社会の実現に向け, 燃料電池自動車や燃料電池バス, 水素ステーション等の普及を加速化する旨記載された 2020 年の東京オリンピックパラリンピックでは, ホテルや商業施設, 交通手段等で水素エネルギーの利活用が検討されている民間企業平成 26 年 12 月, トヨタ自動車は, 燃料電池自動車を市場に投入した各社, 水素供給サプライチェーンの本格導入を目指した輸送貯蔵システムの開発を進めている千代田化工は, 有機ハイドライドによる大量輸送のための研究開発を実施している川崎重工は, 液化水素運搬船の開発を進めるほか, 液化水素プラント, 水素ガスタービン等の研究開発を実施している船舶分野海事産業の分野においても水素利用の研究開発が進められている 2

3 水素ロードマップ2015 年頃 2020 年頃 2030 年頃 2040 年頃舶用水素利用技術天然ガス燃料船蓄電池水素燃料船海上水素社会の発展イメージ産業用燃料電池市場投入水素の国内流通網拡大水素発電の本格導入 CO 2 フリー水素の本格化有機ハイドライドや液化水素等の海外からの水素輸送の開発実証海外での水素の製造輸送貯蔵の本格化水素タービン水素エンジン研究開発ステージ初期導入技術開発ステージ実用化普及ステージ水素燃料電池 (PEFC,SOFC) 研究開発ステージ初期導入技術開発ステージ実用化普及ステージ水素社会 LNG 燃料 R&D R&D LNG 改質燃料電池 LNG 燃料船市場投入開始燃料電池船安全ガイドライン策定水素利用技術舶用燃料電池 LNG 主機補機燃料電池主機 ( 小型船舶 PEFC) LNG 主機燃料電池補機水素社会への遷移期水素エンジン水素タービン燃料電池 (PEFC) 燃料電池 (SOFC) 蓄電池 3

4 海上技術安全研究所における水素燃料電池関連研究マリンハイブリッドシステムに関する研究開発 ( 所内研究 ) 船舶の省エネ化や高度化を目指して, 大容量二次電池や電気モータを利用した船舶のハイブリッド化や排熱回収システムの研究開発, 燃料電池の船舶適用性についての調査を進めてきたリチウムイオン電池の安全性評価リチウムイオン電池の小型実験船への搭載小型燃料電池の負荷試験燃料電池船の検討水素燃料電池船の安全ガイドライン策定に向けた調査検討 ( 国交省請負研究 H27~H28) 安全ガイドライン策定に向けて, 船舶特有の課題に対応するための実験や検討を進めてきた陸上基礎実験の実施実船試験の実施安全要件のとりまとめ塩害の影響と対応策傾斜動揺時の燃料電池の負荷試験振動衝撃の影響と対応策船内水素配管の漏洩特性評価試験換気システムやガス検知器の陸上試験舶用推進システムの検討実験船の準備と試験実施安全ガイドライン暫定案の作成平成 27 年度水素燃料電池船の安全ガイドライン策定に向けた調査検討, 平成 28 年度水素燃料電池船の安全性確保のための調査検討は国土交通省海事局からの請負研究として,( 一財 ) 日本船舶技術研究協会およびヤンマー株式会社と共同で実施しました 4

5 2. 舶用燃料電池システム関連の基礎試験平成 27 年度平成 28 年度燃料電池が船舶特有の環境における使用に耐えられることを調べるための基礎試験塩害試験フィルタ性能試験傾斜試験動揺試験, 振動衝撃試験など水素漏洩を防止するための知見を得る試験船内水素配管の漏洩特性評価試験など水素漏洩時の安全対策を検討するための試験換気システムの陸上試験など 5

2.1 燃料電池システムの傾斜動揺試験海技研に設置されている大型動揺台を使用して, ヤンマーが開発した 5 kw 舶用燃料電池システムの動揺条件下における試験 ( 最大傾斜角度約 24 deg, 周期 10~15 秒 ) を実施した結露水および生成水の排水性を悪化させると, セル電圧の低下や変動が発生することが確認された

6 2.1 燃料電池システムの傾斜動揺試験海技研に設置されている大型動揺台を使用して, ヤンマーが開発した 5 kw 舶用燃料電池システムの動揺条件下における試験 ( 最大傾斜角度約 24 deg, 周期 10~15 秒 ) を実施した結露水および生成水の排水性を悪化させると, セル電圧の低下や変動が発生することが確認されたこれはフラッディングが生じているためと考えられ, 大傾斜が想定される船舶に搭載する場合には排水方法について留意する必要があるフラッディング : カソード ( 空気極 ) で生成する水があふれてガスの流路を妨げる状態 5kW 舶用燃料電池システム排水性を悪化させるとセル電圧の変動が大きくなる動揺試験の様子試験結果の一例 6

と拡散式ガス検知器 ( 右 ) B 4 2 3 1 左舷側水素注入位置は,No.1~No.

7 2.2 燃料電池システムの水素漏洩試験実船試験のために準備した燃料電池システムの筐体を用いて, 水素漏洩時のガス検知器の作動状態を確認するガス検知器設置位置 A 換気口配管出口 ( 吸引式 ) B 左舷前方 ( 水素ガス滞留位置, 拡散式 ) C 換気ファン上流真下 ( 吸引式 ) D 換気ファン上流前方 ( 拡散式 ) E 換気ファン上流後方 ( 拡散式 ) A 排気ファン右舷側 D C E 吸引式ガス検知器 ( 左 ) と拡散式ガス検知器 ( 右 ) B 左舷側水素注入位置は,No.1~No.4の4 箇所 ( 右舷中央, 右舷前方, 左舷中央, 左舷前方 ) とし, 注射筒を使用して約 1 secで100 ccの水素を供給するガス検知器の設置位置はA~Eの5 箇所とし, 数種類のガス検知器を使用する水素注入位置 No.4 ( 右舷側は No.2) 水素注入位置 No.3 ( 右舷側は No.1) 吸気口再現性を確認するため, 同一条件で 3 回ずつの計測を行う 7

8 換気試験の計測例 ( 計測位置 A,E) 測定位置 A( 換気口配管出口 ) では, 水素供給位置 No.1~No.4のいずれにおいても 200~400 ppm(0.02%~0.04%) の水素濃度が計測されている測定位置 E( 換気ファン上流後方 ) は筐体内の空気がよく流れている場所であり, 拡散式のガス検知器を設置した場合, 右舷前方の水素供給位置 No.2 以外では水素がよく検知される拡散式のガス検知器は吸引式と比べて水素注入後の応答が早く検知濃度が高い今回の試験装置では拡散式と吸引式の検知時間の差 (8~10 秒程度 ) である 8

9 2.3 換気システムの基礎試験と CFD 計算船上のガス危険区域やガス検知, 換気システムの安全要件を明確にするため, 配管からの水素漏洩や燃料電池システムからの水素放出等を模擬した換気システムの陸上試験を実施した水素ガス検知器を用いた陸上試験と CFD(SolidWorks Flow Simulation) を併用して水素の拡散状況などを調べるガス検知器 (max 5000ppm) ガス検知器 (max 100 %LEL) PLC ( データロガー ) 想定される水素漏洩試験装置 ( 水素ガス検知器 ) 9

(1) 水素放出の模擬試験と CFD との比較流量 1000 NL/min の空気が流れるパージライン中に 70

上方の水素濃度の試験結果はばらつきが大きく,CFD による計算結果よりもかなり低い +150mm +75mm 中心線

10 (1) 水素放出の模擬試験と CFD との比較流量 1000 NL/min の空気が流れるパージライン中に 70 NL/min の水素 ( 濃度 100 %) が流入し, その混合ガスが直径 90 mm の配管から船外に放出されることを想定した模擬試験 ( 屋外 ) および CFD 計算を実施した中心線上の水素濃度の試験結果は CFD による計算結果よりもやや低いまた, 上方の水素濃度の試験結果はばらつきが大きく,CFD による計算結果よりもかなり低い +150mm +75mm 中心線排出口からの水素漏洩を想定 2 m 計算における可燃範囲 (100%LEL 以上 ) は 0.75m 以内排出口空気ラインファン 5 kw 舶用 FC システム CFD 計算と模擬試験結果との比較 10

11 (2) 換気された区画内での水素漏洩強制通風された燃料電池設置区画内 ( 筐体内 ) で高濃度の水素が漏洩したことを想定した CFD 計算を行った CFD 計算の結果と試験結果を比較し, 詳細に評価することで, 船上のガス危険区域やガス検知, 換気システムの安全要件を明確にする FC 筐体モデル排気排気給気給気水素漏洩 CFD による流速の計算例 CFD による水素濃度の計算例 11

12 (3) 高濃度水素の船外放出の CFD 計算例高濃度水素 (100 %) を船外に排出することを想定して CFD 計算を行った ( 口径 25 mm の排出管から 100 NL/min の水素が放出 ) 無風状態において, 水素はほぼ真上に向かって流れていく周囲に空気の流れ ( 風 ) があると水素は拡散しやすい燃焼範囲は, 風速が速くなるほど狭くなる風向風向 1.2 m (b) 風速 1 m/s (c) 風速 5 m/s 風向船外排出管モデル ( 口径 25 mm) (a) 無風 (d) 風速 10 m/s 12

13 3. 実験用燃料電池システムの開発と実船試験燃料電池船の安全航行のためには, 多様な航海状態における負荷変動に対し, 速やかに追従できるパワーマネージメントシステム ( 二次電池とのハイブリッド設計による電気推進システム ) が必要となる実機による陸上試験および実船試験を行い, 船舶の航行安全に必要なパワーマネージメントシステムを検証した燃料電池システム ( ヤンマー ) リチウムイオン電池 ( 渦潮電機 ) 実験船への舶用燃料電池推進システムの搭載本実験船は, 海上技術安全研究所が国土交通省による交通運輸技術開発推進制度離島の交通支援のためのシームレス小型船システムの開発として社会実験を行ったプロジェクトで開発しました 13

14 3.1 実船試験のシステム構成 750W 750W 5kW ダイヤル ( 舵角 ) Capstan Capstan Thruster ブリッジハンドル ( 回転数 ) IPM 50kW 3600min-1 IPM 50kW 3600min-1 AC200V AC200V 26Vdc Pb Battery 回転数指令 VVVF INV 55kW VVVF INV 55kW レハー位置検出 300Vdc スラスタ負荷供給 DC/DC 1.5kW DC/DC 船内負荷供給 7.5kW Vessel EMS 26Vdc 電流制御 DC/DC 5kW 電圧一定制御 DC/DC 50kW x 2 停止 INV 75kW FAN INV Load Pb Battery FCMS Vdc BMS PLC( 既 ) 75kW 1750min-1 24Vdc Fuel Cell (5kW) LiB (abt.60kwh) G 脱主機停止 6HYS-WET 450 kwm 14

15 実験船への舶用燃料電池推進システムの搭載 FC 制御盤 FC パワーユニット LiB 盤 LiB 電源盤電動船外機推進モータ (50 kw) 15

16 3.2 実船試験における各種運転モード 1 電気推進モードディーゼルエンジン発電機 ( 主機前駆動 ) を電力源として航行する 2 電池推進モード燃料電池, リチウムイオン電池を電力源として電池のみで航行する 3 ハイブリッド推進モード FC,LiB, 主機前発電機を電力源としてハイブリッド電力供給で航行する 4 主機アシストモード FC,LiB を電力源として主機前発電機をモータリングしてトルク加勢するもしくは主機航行中にアウトドライブを駆動して推進加勢する ( いわゆるエンジンとモータのハイブリッド推進 ) 5LiB 充電モード FC, 主機前発電機を電力源として LiB に充電する ( 航行中 / 停泊中 ) 実船実験では, 各モードについて, 制御システムや安全対策の作動状況を確認した 16

17 3.3 実船試験における計測例 ( ハイブリッド推進モード ) 3 1 ハイブリッド推進モード起動 2FC システム起動 8 3 約 100 kw 出力の推進モータによる航行 6 4 旋回 ( 推進モータの回転数制限 ) 5 推進モータの回転数指令低下により, ディーゼルエンジン発電機から LiB に充電ディーゼルエンジン回転数低下指示によりディーゼルエンジン発電機が停止し,FC LiB で推進 7 推進モータを停止し, ディーゼルエンジン発電機により LiB を充電ディーゼルエンジン回転数の変化により,LiB 充電電力が段階的に変化 7 8 いずれの運転時にも燃料電池は安定した電力供給をしている 17

18 3.4 実船試験時の監視用モニタ 1 電気推進モード 2 電池推進モード 3 ハイブリッド推進モード 1 電気推進モードディーゼルエンジン発電機 ( 主機前駆動 ) による約 50 kw の電力だけを利用して電動船外機を運転し, 速力約 5 ktで航行している 2 電池推進モード LiBによる約 90 kwの電力を利用して電動船外機を運転し, 速力約 7 ktで航行している ( このとき, ディーゼルエンジンはアイドリング状態,FCは未使用 ) 3ハイブリッド推進モード FC,LiB, ディーゼルエンジン発電機による電力により速力約 7.4 kt 航行している 18

19 ④LiB充電モード ④LiB充電モード停船中ディーゼルエンジン発電機主機前駆動とFCによる約50 kwの電力によってlibを充電している ⑤主機アシストモードアシストなしの状態ではディーゼルエンジン推進により航行している燃費は約500 m/l アシストありの状態ではLiBによる約50 kwの電力を利用して主機のトルク加勢をしている燃費は約840 m/l ⑤主機アシストモードアシストなしアシストあり 19

20 4. まとめ (1) 水素燃料電池船の安全性評価を主目的として, 水素配管の漏洩特性評価試験や燃料電池システムの換気試験を実施し, 通風装置やガス検知器の安全要件等の有効な知見が得られた (2) 舶用燃料電池システムとリチウムイオン電池システムを組み合わせた電気推進システムを構築し, 実船試験を実施した実船試験により, システムの安全性に関する様々な知見が得られ, 燃料電池船の安全航行を確保するための情報を収集した (3) 海事分野における水素の利用促進を目指した燃料電池船の建造運航に必要不可欠な安全ガイドライン策定のための暫定的な安全要件を整理している本講演の内容は, 国土交通省海事局からの請負研究水素燃料電池船の安全ガイドライン策定に向けた調査検討 ( 平成 27 年度 ) および水素燃料電池船の安全性確保のための調査検討 ( 平成 28 年度 ) において, 海上技術安全研究所, ヤンマー株式会社, 一般財団法人日本船舶技術研究協会との共同研究体制により実施しました 20

水素の利用輸送貯蔵製造2030 年頃 2040 年頃庭用海外水素燃料電池戦略ロードマップ概要 (2) ~ 全分野一覧 ~ 海外の未利用エネルキー ( 副生水素原油随伴カス褐炭等 ) 水素の製造輸送貯蔵の本格化現状ナフサや天然カス等フェーズ3: トータルでのCO2フリー水素供

水素の利用輸送貯蔵製造2030 年頃 2040 年頃庭用海外水素燃料電池戦略ロードマップ概要 (2) ~ 全分野一覧 ~ 海外の未利用エネルキー ( 副生水素原油随伴カス褐炭等 ) 水素の製造輸送貯蔵の本格化現状ナフサや天然カス等フェーズ3: トータルでのCO2フリー水素供水素社会実現の意義 1. 省エネルギー 2. エネルギーセキュリティ 3. 環境負荷低減水素社会実現に向けた対応の方向性水素社会の実現に向けて社会構造の変化を伴うような大規模な体制整備と長期の継続的な取組を実施また様々な局面で水素の需要側と供給側の双方の事業者の立場の違いを乗り越えつつ水素の活用に向けて産学官で協力して積極的に取り組んでいくこのため下記のとおりステップバイステップで