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環境エンジン研究グループ

 



 

メンバー 

(◎はグループ長)

 

高木 正英
今井 康雄
Bondarenko Oleksiy

大橋 厚人
川内 智詞


  

研究紹介

 

1.舶用ディーゼル機関におけるPM計測
 
ディーゼル機関排気中の粒子状物質(PM)は有害であり、自動車ではすでに規制されています。したがって、トラックが黒煙を吐き出している風景は、最近は見かけません。(黒煙はPMの一部です。)船では、燃料の質を上げて(硫黄分を減らして)PM排出を削減する規制が行われています。なぜなら、自動車と燃料が大きく違うからです。
 

 

薄黄色が自動車で使う軽油です。黒い2本が、船舶用燃料の重油です。C重油にいたっては、逆さまにしても落ちてきません。(軽油に比べると安価です。加熱して使います。)このような質が悪い燃料でも動く舶用ディーゼル機関はすばらしいものです。 
現在、船ではPM計測を行わなければならない規制はありません。(燃料の規制だけです。)しかし、排出実態を調査するためにはPM計測が必要となります。 PM計測はJISB8808に規定されており、自動車用のPM計測法と多くの原理を共有しています。しかし、前出の質の悪い燃料のため、舶用ディーゼル機関から排出されるPMには、計測装置の内壁などに付着しやすい特性があります。この対策のため、日本マリンエンジニアリング学会“舶用機関のPM排出実態に関する研究委員会”より、“舶用ディーゼル機関起源のPM計測に関するガイドライン(JIME-PM-01-0001-2010)”が発行されています。当所においても、JISB8808準拠の装置にガイドラインで示された改良を施して計測しています。当所で使用しているPMを捕集するための装置のポンチ絵(分流希釈システム)を示しました。複雑な装置です。さらに、複雑な計測条件が規定されています。PMを捕集したフィルタはマイクロ天秤で計量します。計量するためにも条件があり、恒温恒湿槽を使います。
 

改良を施した装置を使用して、舶用ディーゼル実験機関で計測しました。(排気量は、国産最上級車の10倍あります。)燃料中の硫黄分に関係して計測事例を示しました。燃料中の硫黄分が増えると、サルフェート(硫酸)とこれの結合水が主要成分となります。さて、ここで一つ問題があります。装置を改良しましたが、計測装置の内壁などにPMがつかなくなった訳ではありません。ではどこまで改良すればいいのでしょうか?自動車では、排気を全量使って計測する方法がディファクトスタンダード(基準の方法)とされています。この装置の結果が基準となります。舶用ディーゼル機関は排気量が多いため、この方法を使うことができず、排気の一部を採取して計測する方法を使っています。(上で示した装置のポンチ絵です。)したがって、舶用の分野では、ディファクトスタンダードが確立されていない状態です。
 

 
 
今後さらに広く計測を進めていくには、基準の方法やPM計測結果を保証する方法に関する議論が必要となります。当所でのPMに関係した研究報告を以下にまとめました。国内では当所のほか、水産大学校、東京海洋大学等でPM計測に関する研究が行われています。
 
基準の方法やPM計測結果を保証する方法に関する研究:
・大橋厚人、徐 芝徳、佐々木 秀次、塚本達郎、PM濃度による分流希釈システムの比較,日本マリンエンジニアリング学会誌第49巻第1号(2014)、126-131。
・大橋厚人、徐 芝徳、全流希釈法に代わるPM計測の保証方法、平成25年(第13回)海上技術安全研究所研究発表会講演集、137-144。
・大橋厚人、井亀 優、石村惠以子、希釈トンネル内の沈着損失が粒子状物質計測に及ぼす影響について、日本マリンエンジニアリング学会誌第47巻第1号(2012)、97-104。
・大橋厚人、井亀優、石村惠以子、西尾澄人、高木正英、徐芝徳、排気希釈システム内のサルフェート損失の定量評価、日本マリンエンジニアリング学会誌第45巻第3号(2010)、127-132。

PMに関連した研究:
・大橋厚人、希釈排気中の炭化水素等に関する計測事例、第84回(平成26年)マリンエンジニアリング学術講演会、平成26年11月19日-11月21日、海峡メッセ下関、日本マリンエンジニアリング学会、15-16.
・岸武行、大橋厚人、柳東勲、高橋千織、安藤裕友、舶用エンジンから排出されるブラックカーボン(BC)の計測-PM組成分析と光吸収計測による評価法の評価-、平成26年度(第14回)独立行政法人海上技術安全研究所研究発表会講演集、150-157。
・井亀優、大橋厚人、石村惠以子、西尾澄人、徐 芝徳、高木正英、羽鳥和夫、高橋千織、宮田 修、今井康之、舶用ディーゼル機関から排出される粒子状物質(PM)の計測とその排出特性、海上技術安全研究所報告第11巻第2号(平成23年度)基調論文、21-40。
・徐 芝徳、石村惠以子,大橋厚人,井亀 優,西尾澄人、舶用ディーゼル機関排気のSOFとTHC濃度の関係、日本マリンエンジニアリング学会誌第46巻第3号(2011)、161-166。
・石村惠以子、井亀優、大橋厚人、西尾澄人、高木正英、熱重量分析法によるPM成分(SOF)の由来の検討、日本マリンエンジニアリング学会誌第45巻第4号(2010)、147-150。
 

 

 
2 . LNG改質を伴う舶用燃料電池システムの研究
 
<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。

<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(左)燃料電池の概要(単セル)  
図2(右)個体高分子型燃料電池(PEFC)プロトタイプ試験装置


 
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。