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■事業の内容

(1)全体システムの研究
[1] 一般配置図等の作成
 開発目標を見直し、配置上の問題抽出と共に、コンパクト化を考慮した一般配置図等を作成した。
[2] システム特性等の調査・分析
 燃料電池のシステム構成を見直し、負荷変動対策に重点を置いたシステム構成をまとめ、特性を分析した。
[3] 燃料電池式電気推進システムの動力系統図等の作成
 直・交流方式の効率を定量的に比較し、高調波対策、短絡保護協調を調査の上、信頼性に重点を置いた動力系統図等を作成した。
[4] 燃料電池式電気推進システムの計測・監視点一覧表等の作成
 燃料電池プラントの計測・監視システムを検討し、新システムの計測・監視点一覧表、システム構成図を作成した。
[5] ヒートバランスの解析
 新しいプラント構成に対しモデルを見直し、要素実験等のデータを反映しつつ解析を行った。
[6] 燃料電池本体の地上実験装置
 昨年に引き続き、固体高分子型燃料電池1kwの実験装置の製作を行い完成させた。
[7] 燃料電池本体の地上実験
 固体高分子型燃料電池の特性を解明する20種類の実験を行った。
[8] シミュレーション・プログラム
 500kw燃料電池プラントを模擬するためにプラントを構成する機器の数式モデル(特性モデル)を作成した。
上記の特性モデルをプログラム化して、結合しプラント全体のプログラムを作成した。
[9] シミュレーション解析
 各種パラメータを変化させたステップ応答計算を実施した。
[10] 総合評価実験装置
 実験内容の検討・装置の計画・設計を行った。
改質器・コンバータ及び実験装置の一部を製作した。
(2)サブシステムの研究
[1] 燃料供給システム・チューブラ型改質器の特性・調査分析
 チューブラ型改質器の特性調査・分析を行いつつ、プレート型改質器を中心とする燃料供給計の機器の概念設計を行い、舶用化への適合性分析を行った。
[2] 燃料供給系プレート型改質器の特性調査・分析
 プレート型改質器の特性・分析を行いつつ、プレート型改質器を中心とする燃料供給系機器の概念設計を行い、舶用化への適合性分析を行った。
[3] CO除去系の反応実験装置
 メタネーション法によるCO除去方法による実験装置を製作した。
[4] CO除去系の反応実験
 メタノール改質ガス中のCO残存料を静的に10ppm以下にし得ることを確認する実験を行った。
[5] CO除去系の触媒評価実験装置
 セレクトオキソ法によるCO除去方法による実験装置を製作した。
[6] CO除去系の触媒評価実験
 メタノール改質ガス中のCO残存料を静的に10ppm以下にし得ることを確認する実験を行った。
[7] 空気供給系の実験装置
 空気供給系の特性を確認するためのタービン圧縮機と加湿器の実験装置を製作した。
[8] 空気供給系の実験
 タ一ビン圧縮機と加湿器の特性を確認する実験を行った。
[9] 冷却系、熱交換器等の検討
 想定船の燃料電池プラントの熱交換器の容量計算を行い、機器の仕様をまとめた。
(3)制御システムの研究
[1] 燃料電池の制御系統図等の作成
 燃料電池プラントにおける計装制御方式を見直し、燃料電池システムの制御系統図、安全保護系統図等を作成した。
[2] 電気推進方式の制御系統図等の作成
 電気推進システムの制御方式を見直し、燃料電池船の電気推進システムの制御系統図、安全保護系統図、システム構成機器図等を作成した。
(4)舶用化技術の研究
[1] 負荷変動対策システム系統図等の作成
 燃料電池システムの負荷変動応答装置の調査を行い、対策装置の見直しを行い、システム系統図、システム構成機器図等を作成した。また、制御弁に関する適性調査を行った。
[2] 小型・軽量化の調査・分析
 燃料電池推進プラントを構成する機器の小型・軽量化を調査し、対策案の見直しを行い、基本材料表の作成・分析を行った。
[3] 起動時間短縮化システムの調査・分析
 冷/暖起動シーケンスの見直しを行い、さらなる短縮化を求め、対策分析書にまとめた。
[4] システムの安全性解析
 昨年に引き続き、燃料電池プラントの空気系、冷却系の安全解析を行った。さらにディーゼルプラントの安全解析を行い、ディーゼル船と燃料電池船の安全性の比較を行った。
[5] 安全確保要件の調査・分析
 燃料電池システムについて船級協会と安全に関する考え方を協議し、燃料電池船の安全確保要件をまとめた。
[6] 動揺・加速度・振動対策の調査・分析
 レーシング等の船体運動による大負荷変動の調査を始め、負荷変動のパターン化を行った。また、加速度環境下における機器の特性についての検討を行った。
■事業の成果

(1)燃料電池本体
[1] 固体高分子型燃料電池(PEFC)の開発動向の調査
第4回グローブシンポジウム及び第2回IFCCに参加し、最新の開発状況を調査した。PEFCについては、アメリカ、カナダ、日本、欧州で活発な開発が継続している。その中で特に下記の点に注目が集まっていた。
a.電極面積の大型化(出力100kwのスタックに対応可能な電極面積2000cm3スタック等)
b.CO性能改良電極(100ppmのCO濃度にたいしても電力低下がほとんどない電極)
c.自動車用機器の小型・軽量化(小型のメタノール改質器やCO除去器等)
[2] 燃料電池本体の地上実験
 1kwスタック、及び単セルを用いて、静特性試験、起動停止試験、負荷変動試験、加湿特性試験、傾斜試験、塩分効果試験を実施し、運転状態による性能を電圧の式の形にまとめた。その結果、他の燃料電池に比べてPEFCの優れた電圧・電流特性が確認された。また、船舶固有の特性について実験を行い、PEFCについて以下のことが確認された。
a.負荷変動に対しては、電気的には十分追従可能である。
b.傾斜については生成水が確実に排出できるよう、特に空気出口側の位置に配慮する必要がある。
c.空気中の塩分が電池に混入することによる性能劣化については、30mg/N平方メートルの塩分含有空気の場合、約100時間で電圧が低下することがわかった。これにより、十分な塩分除去対策が必要であることがわかった。
(2)燃料供給系
 500kw×2基の想定船について、燃料供給システムの概念設計を実施した。改質器については、熱媒循環式チューブラ型とプレート型について比較検討した結果、舶用には、プレート型が有利になることがわかった。
 CO除去装置については、メタネーション法及びセレクトオキソ法による1kw級実験装置を製作し、CO除去性能の確認を行った。いずれの方式も定常状態では目標CO濃度(10ppm以下)を達成できる目処が得られたが、負荷変動時に目標CO濃度を維持することに問題があることがわかった。
(3)空気供給系
 車用排ガスタービン圧縮機(ターボチャージャー)を用いて、静特性試験、起動停止試験、動特性試験を実施した結果、応答時間は数秒であり、燃料電池システムに適用可能であることが確認された。しかし、より大きな負荷変動や、起動及び低負荷での運転を考慮した場合、GM付タービン圧縮機システムや、モータ駆動圧縮機とタ一ビン圧縮機を併用した二段過給システムが有利である可能性があり、検討の必要があることがわかった。
(4)電気推進系
 電気推進システムの最新の動向を調査し、小型化、安全対策、短絡事故対策を折込んで、構成、電圧等を見直し、NKとの協議を反映し系統図を改正した。
 また、補助ディーゼル発電機を水素/酸素燃料電池に替えた場合のシステムを作成した。
 さらに、直流母線方式と交流母線方式を比較検討し、推進モータの出力、効率、寸法、重量の点から、内航船の場合は直流母線方式が有利であることを明らかにした。
(5)シミュレーション計算
 シミュレーションプログラムを作成し、燃料流量、空気流量、燃料電池電気負荷のそれぞれについてステップ応答計算を行った。さらに、主な制御系を作成し試計算を実施した。計算結果の一つとして燃料電池の負荷をランプ状に減少・上昇させた時の解析では、改質器出口改質ガス温度が50〜100℃変動する結果となり、ガス温度の異常上昇を防止する対策が必要なことがわかった。
 シミュレーション及び総合評価実験で船舶の実負荷変動を模擬すために、負荷変動データを499型内航貨物船を想定した船型について作成した。プロペラレーシングが起きている海象やクラッシュアスターン操船等を設定し、船速、軸回転数、主機負荷等を計算した。
(6)負荷変動対策
 負荷変動対策については、操船のパターンを検討し、出入港等の荷変動、及び大洋航行中の船体運動からくる負荷変動について分析した。これら負荷変動に対処する方法として、改質ガスリサーバー、バッテリー、GM付タービン圧縮機、制御系等を検討した。
 なお、シミュレーション計算の結果を反映して、負荷が急に下がった時は、改質器の温度急昇を避けるために、一時的に発生する余剰の燃料系オフガスが改質器をバイパスできるようにした。このことにより、急負荷減少中に燃料流量(すなわち改質器負荷)を変えずに、対応できる可能性のあることがわかった。
(7)安全性/小型軽量化/機関室配置
 以下については499型内航貨物船を想定して実施した。
 安全対策についてのNKとの協議を反映した。例えば、機関室にタノール室を独立して設けた。また、ディーゼルプラントと燃料電池プラントの安全性について船所と共同研究によりGO−FLOWを用いた安全性解析を実施している。
 小型軽量化については、NEDOのPEFC開発状況、世界の開発状況、本研究における要素研究及び要素実験結果等を反映した。また、補助発電機として水素/酸素燃料電地(PEFC、100kw)を採用することで、スペースの有効利用を図った。さらに、機関室の燃料電池補機器のユニット化を図った。
 以上の結果から、上部構造を在来船と同様の4層とすることができることがわかった。
 なお、在来船に比較して機関室のスペースは約3割増、重量は約2割増程度におさまることがわかったが、さらなる検討が必要である。
(8)総合評価実験装置の設計
 システム構成、試験装置のレイアウトを検討し、改質器、CO除去の設計を完了し、改質器と実験装置の一部を製作した。





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