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LNG改質を伴う舶用燃料電池システムの研究

 1.研究の背景と目的
 船舶においてもCO2の排出削減が求められるようになってきました。また、船の排ガスに対する規制(具体的には窒素酸化物NOxと硫黄酸化物SOx)が強化されてきています。
 これらの環境規制に対応するため、燃料を今まで使用していた重油から天然ガスに転換するという方法が注目されています。天然ガスを燃料とする動力システムとしては、ガスタービンやガスエンジン、燃料電池がありますが、船においては現時点でガスエンジンが採用される場合がほとんどです。
 燃料電池の熱効率の高さ(燃料の発熱量に対して生み出される電気エネルギーが大きい)は、ガスエンジンあるいは高効率で知られている舶用ディーゼル・エンジンを上回ると期待されていますが、広く実用に供されているとは言い難いのが現状です。その理由の一つとして、燃料である水素の供給や船上での貯蔵が難しいということが挙げられるでしょう。しかし、燃料電池の高い熱効率、可動部が少ないことによる静粛性やメンテナンス性の高さを考えると、自動車用燃料電池が商品化された今こそ、船舶への利用について検討する意義があると考えられます。
 また、船舶においては近年、電気推進システムの採用が進んでいます。電気推進システムを採用する場合、熱機関のように機械的な出力を電気に変換する必要がないので、燃料電池は電気推進システムの動力源として理想的と言えるでしょう。
 燃料電池を船に搭載することを考えるとき、燃料である水素の供給・貯蔵が鍵になります。しかし、船上で天然ガスを水素に改質(天然ガスから水素を生成)して燃料とする場合には、現在のLNG(液化天然ガス)の貯蔵技術が活用可能となります。船上改質では、水素への改質(吸熱反応)を燃料電池(発熱反応)と組み合わせることで熱の有効利用が図れ、高効率化が期待できます。こうしたシステムを船舶に搭載できるほどコンパクト化できれば、高効率の動力システムとして期待できます。
 この研究では、船舶への燃料電池の利用を進めるために、容易に供給・貯蔵できる天然ガスを燃料とすることを想定し、高性能の触媒を用いた舶用初のコンパクトな天然ガス改質装置と燃料電池と組み合わせた動力システムを開発し、船舶の使用条件での性能を評価しています。

2.PEFCプロトタイプ試験装置による試験
 燃料電池は、基本的には水素を燃料として駆動する電池システム(図1参照)です。天然ガスを燃料として用いる場合、天然ガスから水素を取り出す必要があるため、改質装置が必要となります。天然ガスから取り出された水素は、燃料電池の電極(燃料極)と呼ばれる部分に入り、触媒によって水素イオンになり、水素イオンを透過させる電解質を抜けて、反対側の電極(空気極)で酸素と反応して水になります。このイオンの移動によって電流を外部に取り出すことができるため、発電装置として機能します。
 本研究では、内航船に搭載可能な天然ガス利用燃料電池システムの開発のために、改質装置を備えた固体高分子型燃料電池(PEFC)プロトタイプ試験装置(図2参照)を用いて試験を行っています。本試験装置の燃料電池セルスタック(図3参照。図1に示す単セルを直列に積層したもの)は Fuel Cell Power 社製で出力1kW、セル数24、電極面積133 cm2で、概略寸法は幅14cm×高さ22cm×長さ22cmです。改質ガス中に含まれるCOが電極のプラチナ触媒に悪影響を及ぼすため、本装置では燃料のメタンは脱硫器、改質器を通って水素に改質された後、CO変成器、選択酸化器でCOを取り除いて燃料電池セルスタックに供給されます。
 まず、改質装置の機能確認のため、燃料電池セルスタックに①直接水素を供給する試験、及び②メタンの改質ガスを供給する試験を実施して、両方の試験結果を比較しました。改質ガスを供給した場合の出力は水素を直接供給した場合の出力とほぼ等しく、改質装置が正常に機能していることを確認しました。また、選択酸化触媒出口でのCO濃度を計測し、CO濃度が許容値以下であることを確認しました。
 燃料電池を船舶に搭載した場合、船体の傾斜が燃料電池の出力に影響を及ぼす可能性があるため、次に、セルスタックを傾斜させて出力試験を行い、傾斜が電池出力に及ぼす影響を明らかにしました。さらに、セルスタックに流れる電流を時間的に変化させた負荷変動試験を実施し、燃料電池の出力が負荷変動に追従できることを確認しました。


図1 燃料電池の概要(単セル)
図2 固体高分子型燃料電池(PEFC)プロトタイプ試験装置
図3 燃料電池セルスタック

 なお、この研究は、国土交通省の次世代海洋環境関連技術開発支援事業「LNG改質による舶用燃料電池を使用したハイブリッド電力供給システムの研究開発」の一環として、ヤンマー(株)殿からの請負研究として実施しているものです。