在能源资源匮乏的日本，研究人员正致力于利用氢能实现不排放二氧化碳（CO₂）的“氢能社会”。东芝集团正在开发一种能够提供从制氢到储氢，以及利用氢能发电的燃料电池技术的整体解决方案系统。

参与其中的东芝燃料电池系统公司（株）正在开发和制造纯氢燃料电池系统“H2Rex™”，其拥有三种型号，发电容量分别为700W、3.5kW和100kW。此前（2018年9月，译者注）已在日本各地安装了5台大容量100kW型号，以满足各种氢能需求。另外，新一代100kW型号尺寸大幅缩小，实现了空间的节省和成本的降低。并且，研究人员正在基于此新一代100kW模型，开发输出功率进一步扩大的兆瓦（MW）级型号。

1、前言

在能源资源匮乏的日本，研究人员正基于“氢能基本战略”^（1），致力于利用氢能实现不排放二氧化碳（CO₂）的“氢能社会”。东芝集团正在开发利用可再生能源产生的氢能（以下简称为“可再生氢”）的技术。其中，东芝燃料电池系统公司（株）正在开发和生产纯氢燃料电池系统“H2Rex™”，作为可再生氢利用技术的一项应用。该系统包括三种发电容量：小型700W型号、面向小型企业的3.5kW型号和大容量100kW型号。本文将介绍以扩大普及为目标进行开发的100kW纯氢燃料电池的开发过程和引入实绩，同时将介绍目前正在开发的新一代100kW型号的特点，以及输出功率进一步扩大的MW型号的开发状况。

2、100kW型号的开发过程和引入实绩

东芝燃料电池系统公司（株）在2014年发布了应用家用燃料电池系统“ENE-FARM”技术的700W小型燃料电池系统；2015年发布了旨在用于小型商业和移动体的3.5kW级型号；并且，2016年开始提供适用于工厂、酒店、办公室等设施的100kW型号（图1）。

图1.H2Rex™ 系列

拥有三种容量不同的型号，以符合不同的用途。

三种型号都具有95%LHV^（注1^）的系统综合效率、50～55%LHV的高发电效率，以及8万小时的世界最高^（注2^）设计耐久性。此外，利用PEFC（固体高分子型燃料电池）可在低温下运行的优点，能够在几分钟内完成启动停止，还可以灵活切换每天的启动停止运行和连续运行。

（注1：低位发热量标准。以发电量与发热量之比计算发电效率时，发热量中不包含水蒸气的冷凝潜热的计算条件。）（注2：2018年6月。东芝调查。）

这些氢燃料电池系统已获得商标——H2Rex™，该名称来自通过氢能（H2）的反应（React）产生电能，并穿插（X）进入人们生活的想法。外观以白色为基调，以黑色为点缀，代表氢的未来性和环保性。这种100kW型号的设计在公益财团法人日本设计振兴会主办的Good Design奖中获得了2017年度燃料电池领域的Good Design奖。

由于发电容量大，100kW型号被引入加氢站和酒店等商业设施，以及日本环境省推进的“区域合作 · 低碳氢技术实证项目”中氢供应链的实证试验等。迄今为止共制造了五台，安装于包括北海道在内的日本各地。

图2为首次交付运行的100kW型1号机的示例，其安装在山口县周南市的周南游泳俱乐部内。这台100kW设备作为环境省的区域合作·低碳氢技术实证项目之一，由德山株式会社运营。使用电解槽分离盐水制造烧碱（NaOH）工艺的副产物氢作为燃料提供给燃料电池。燃料电池产生的电用于提供设施照明等电力需求的一部分，产生的热被用作游泳池淋浴等的热水热源。

图2.利用高纯度副产物氢发电的示例

100kW型的1号机，利用烧碱制造工序中生成的高纯度副产物氢气发电。

图3为安装在山口县周南市的地方批发市场内的示例。该100kW型2号机作为环境省的区域合作·低碳氢技术实证项目之一，以附近加氢站释放到大气中的蒸发气体为燃料来运行。产生的电用于提供市场照明和果蔬保管用冷冻库电源的一部分，产生的热在冬季用作花卉存储区和拍卖厅的暖气，夏季用作吸附式冷冻机的热源，并用于空调。

图3.以来自加氢站的蒸发气体为燃料的示例

100kW型的2号机，以附近加氢站释放到大气中的蒸发气体为燃料。

图4所示3号机同样为环境省的区域合作·低碳氢技术实证项目之一，用于北海道地区扩大可再生能源氢引入的实证项目。在该实证项目中，利用北海道白糠郡白糠町庶路水库的水力发电进行水电解制得可再生氢，提供给安装于白糠町的100kW设备使用，作为可再生氢的几种用途之一。由于安装环境温度有时会降至-20℃以下，因此在外箱的两侧都安装了预热单元，用于加热进入设备的气体，以防止冻结，从而使其可适用于寒冷地区。这种寒冷地区规格可以应对低至-25℃的环境温度。

图4.使用水力发电制得氢气的示例

以水库水力发电所产生的氢气为燃料。适用于寒冷地区，可以承受低至-25℃的环境温度。

100kW型的4号机交付给了东京瓦斯株式会社。为了利用来自石油精炼、化学产品制造工序、炼铁厂等的副产物氢，正在推进燃料电池系统的兼容性研究。

图5为安装于川崎市“殿町国际战略基地King SkyFront”内的东急REI酒店的5号机示例。在该示例中，位于King SkyFront附近的昭和电工川崎事务所，通过化学精制从废旧塑料中提取高纯度氢，并将其用作燃料，通过燃料电池进行发电和热水供应，预计可以提供酒店所用能源的约30％。该酒店于2018年6月开业，成为全球首家“氢能酒店”。

图5.使用来自废旧塑料中的氢为燃料

设于川崎市King SkyFront内的东急REI酒店。

以从废旧塑料中提取的氢为燃料。

3、新一代100kW型号的开发

为了扩大氢燃料电池系统的普及，目前正在开发的新一代100kW型号将在保持现有高效率、高耐久性等优点的同时，实现紧凑轻巧的设计开发理念^⑶。目前正在开发的下一代100kW型号的设计开发概念是在保持现有机型的高效率、高耐久性的同时，实现小型、轻量化。此外，目标是实现模块化结构，以灵活应对各种容量需求。

在小型化和轻量化方面，通过功能融合等手段彻底简化了系统，与之前相比，设备数量减少了约30％。然后，以此为基础进行设备的重新配置，外箱布局的设计考虑到可维护性，将需要维护的设备优先配置在易于接近和更换的位置，因此无需从外箱侧面进入，并且维护空间被限制在距离外箱正面和背面1.5m的范围内。由此，系统外箱的占地面积和维护空间的安装空间从28.1平方米减少到14.5平方米，成功减少了约50％。与传统型号相比，大幅增加了安装场所的选择（图6）。

图6.100kW的传统型号与新一代型号的尺寸、重量比较

新一代100kW型号实现了大幅的小型化和轻量化，例如减少了约50%的安装空间。

对外箱框架进行了结构调整，以实现精简化；抗震设计比传统型号更严格，采用具有能够承受0.6G重力加速度的框架强度的结构。同时，如图7所示，除了优化用于连接设备的管道路线外，还通过减小管道直径并尽可能减少连接法兰和弯头等接头数量，简化了管道结构。

图7.100kW级传统型号与新一代型号框架及管道结构的比较

与传统型号相比，框架得到了简化，管道结构得到了优化。

由此，系统整体重量从8.4吨减至5.8吨，减少了约30％，外箱体积从24.0立方米减至14.5立方米，减少了约40％（图6和图7）。

4、MW级型号的开发

为了应对不同需求规模和用途的各种发电容量，正在开发更大容量的MW级型号。MW级型号内置100kW级的模块化系统，可以从100kW到MW级灵活扩展输出。同时，还可以根据安装场所进行灵活布局，增加安装场所的选择（图8）。

图8.MW级燃料电池系统的概要

内置100kW级模块。对应发电输出实现对各模块的最佳运行控制，例如通过EMS监视各个模块的运行状态，根据电流-电压特性判断运行优先度等。

MW级系统的开发目标是搭载EMS（Energy Management System），进行高效率等各种运行控制。为了获得更高的效率，将使用日本环境省推进的“CO₂减排对策强化诱导型技术开发·实证项目”中正在开发的技术。通过EMS统一各模块的运行控制，根据发电输出对各模块进行最佳运行控制。通过将各模块的电流-电压特性与平均电流-电压特性进行比较，来预测运行状态，判断各模块的运行优先度（图8）。

另外，通过使用EMS进行废热回收管理，可以优化包括废热回收效率在内的整体系统效率。为了提高可靠性，可以监视各电堆的发电时间和设备特性，优化设备寿命并统一维护周期。此外，如果某些模块发生故障，可以在继续通过其他模块发电的同时进行维护。万一发生安全方面的设备故障，EMS将负责整个系统的安全监视功能，例如通过EMS的控制立即切断向整个系统的燃料供应并安全地停止系统等。

5、后记

纯氢燃料电池系统H2Rex™的新一代100kW型号通过修改管道设计和设备布局，实现了世界最小^（注3）的紧凑包装，满足了更多用户的需求，大大减少了包括维护空间在内的安装空间。此外，更大容量的MW级型号可通过模块化实现从100kW到MW级的不同输出，可以根据用户的各种需求，灵活选择容量。东芝燃料电池系统公司将继续开发并提供纯氢燃料电池系统H2Rex™，助力氢能社会实现。

（注3：2017年6月。东芝调查。）

参考文献：

（1）可再生能源·氢能等相关部长会议。“氢能基本战略”。经济产业省，2017，34p.<http://www.meti.go.jp/press/2017/12/20171226002/20171226002-1.pdf >，（参照2018-05-25）。

（2）川崎市“市长会见资料位于King SkyFront的东急REI酒店开业~世界首家使用来自废旧塑料的低碳氢的氢能酒店~”，2017，10p.<http://www.city.kawasaki.jp/170/

cmsfiles/contents/0000087/87303/170516-2.pdf>，（参照2018-05-25）。

（3）佐佐木佑介等.“关于东芝燃料电池系统中100kW纯氢燃料电池系统的开发”.第25回燃料电池研讨会演讲预稿集.东京，2018-05，燃料电池开发信息中心.2018，A-3，p.7‒9。

引入100kW级燃料电池系统，助力氢能社会实现