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摘要：动力与电源是推进海洋利用的一大课题。为解决这一课题，日本三菱重工业株式会社在2018~2020年的3年间致力于开发可根据应用场所的输出功率规模进行扩展设计的可再生燃料电池系统，即可扩展的完全独立型燃料电池系统。该项目被日本国立研究开发法人宇宙航空研究开发机构太空探索创新中心所采纳。在开发过程中，三菱重工试制了工作可靠性更高的燃料电池装置以及在高压下进行电解的水电解装置，在完全封闭的系统内实现了反复的电解和发电。

关键字：可再生燃料电池系统、完全独立型燃料电池系统、燃料电池装置、水电解装置、电堆

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前言

日本是一个被海洋包围的岛国，因此需要促进海上、海中、深海的利用，创造出新产业。但是近年来，对海上利用项目有严格的环境限制，传统内燃机的使用变得越来越困难，而海中及深海与空气隔绝，内燃机原本就无法使用。由此可见，动力源与电源是海洋利用的一大课题。作为能够克服这一课题的技术，三菱重工一直在推进开发由水电解装置和燃料电池装置组合而成的可再生燃料电池系统。在2018~2020年的3年期间，三菱重工进行了可扩展的完全独立型燃料电池系统的开发。本文将对开发情况进行介绍。

可扩展的完全独立型燃料电池系统是可根据应用场所的输出功率规模进行扩展设计的可再生燃料电池系统，其结构如图1所示。在图示的系统中，利用太阳能电池的电力，通过水电解装置制造氢和氧，再通过燃料电池装置发电，从而构成完全独立型系统。另外，水电解装置在高压下工作，以减小氢和氧的储存容积。

在该系统中，为防止活性物质氢和氧以及生成物水的损耗，需要密封管道系统，通过水电解装置和燃料电池装置实现完全循环。此次研发的目标是试制燃料电池装置和水电解装置，实现氢、氧和水的完全循环运行。

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图1. 可扩展的完全独立型燃料电池系统的结构

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作为系统元件的燃料电池装置和水电解装置的试制

2.1 燃料电池装置的试制

日本国立研究开发法人海洋研究开发机构（JAMSTEC）和三菱重工合作探讨了构成可扩展的完全独立型燃料电池系统的燃料电池装置在海洋设备电源中的应用，并采用已经开发的HEML（High Efficiency Multi Less）方式⁽¹⁾。

该方式的概要如图2所示，由2个电堆和多个阀门构成，气体通过其中一个电堆（称为“上游电堆”）后流入另一个电堆（称为“下游电堆”）。在运行过程中，通过阀门操作，上游电堆和下游电堆以一定的时间间隔切换；上游电堆和下游电堆的待消耗气体都供给至上游电堆，因此在上游电堆的出口会有下游电堆的气体流经，通过该气流排出上游电堆的生成水；在下游电堆没有气流，因此其生成水滞留在电堆内部，但是对上下游电堆进行切换后，下游电堆变成上游电堆，由此排出生成水。通过选定合适的上下游切换时间间隔来确保发电稳定性。

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图2. HEML方式的运行

此次的目标是提高可扩展的完全独立型燃料电池系统的工作可靠性，探讨增加串联电路中气体流经的电堆的数量和提高生成水的排出能力。

当将电堆数量增加到N个时，生成水停留在最下游的电堆内部的时间减少为“1/N”，发电性能下降的概率降低。另外，当转换为上游电堆时，由于下游电堆的数量较多，因此电堆出口的气流较大，生成水的排出能力提高，运行稳定。但是，还存在因管道数量及阀门数量增加而导致系统结构变复杂的问题。因此决定将电堆数量设置为HEML方式所需的最小数量2个的2倍，合计为4个。

在布局方面，按照2个一组的方式将4个电堆分成2组，使2组电堆相对排列。通常，通过切换4个电堆的气体流向来进行发电，但是当倾斜度增大且生成水无法从其中1组电堆排出时，切换阀门控制，仅靠可以排出生成水的单组电堆进行发电，也可以保证电力供应。该结构大大减轻了对燃料电池装置姿势的限制，还可支持VLS（Vertical Launching System：垂直发射装置）等。

图3示出燃料电池装置的外观。如上所述，按照2个一组的方式将4个燃料电池电堆（电堆A~电堆D）分成2组，相对排列成V型。

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图3. 试制的燃料电池装置

关于发电时的电池电压行为，图4示出电堆A的电池电压变化，由组成电堆A的6个单电池的数据组合而成。该电堆先是作为最下游电堆，当气流消失时，电池电压下降到最低，然后变成上游电堆，当气流恢复时，电池电压也恢复。（切换阀门后电压恢复。）

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图4. 试制燃料电池装置的发电结果

另外，在电压恢复时，氢系统和氧系统的管道内部温度都会上升。管道内部温度在由发电产生的生成水流通时上升，因此推定，排出滞留水促使电池电压恢复。根据这些数据可以确认，虽然还需要对细节进行调整，但样机的运行与原计划是一致的。

2.2 水电解装置的试制

构成可扩展的完全独立型燃料电池的水电解装置以三菱重工开发的水电解电堆技术⁽²⁾为基础，采用均压升压方式，即氢电极和氧电极保持相等的电压，同时利用电解产生的氢和氧进行加压升压。

此次将水电解装置的最大工作压力设计为29.9MPa。一般的水电解装置只在氧系统中循环电解用水，而在本装置中，为了安全处理高压氢和高压氧，也在氢系统中循环电解用水，而且使电解用水的供给量大于电解所使用的水量，从而使电解产生的氢和氧与水一起运输。

另外，将水电解电堆设置在电堆收纳容器内，使水电解装置的管道结构内的氢系统与电堆收纳容器的压力保持相同，并控制氢系统和氧系统的压力保持相同，由此防止密封材料破损导致的氢氧混合和电堆气体泄漏。与水一起输送的氢和氧分别通过各自的气液分离器与电解用水分离，并储存在气体储罐中。

图5示出水电解装置的外观。在本次的试制中，首次将水电解装置安装在八角形框架上。由此，可收纳在海中使用的耐压容器中。图6示出安装在该水电解装置中的水电解电堆收纳容器，图7示出设置在该收纳容器内部的水电解电堆。

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图5. 试制的水电解装置

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图6. 水电解电堆收纳容器

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图7. 水电解电堆

图8示出水电解电堆的I-V特性结果。此次试制的电堆的电解电压高于测试用电堆，另外，在20A电流下保持电解状态时，发现电解电压随时间上升的现象（图8①）。

电解电压升高的主要原因包括系统内的残留物和供给水中的杂质吸附导致电解膜的电阻增加和催化活性降低，以及电解膜与供电体的接触性降低导致接触电阻增加等，需要进行进一步调查。

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图8. 水电解电堆的IV特性

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可扩展的完全独立型燃料电池系统的构建

组合试制的燃料电池装置和水电解装置，构成了可扩展的完全独立型燃料电池系统。图9示出该系统的外观。另外，图10示出该系统中的活性物质循环路径。

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图9. 可再生燃料电池系统

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图10. 活性物质循环路径

（气体供给和生成水回收）

水电解装置中生成的氢和氧储存在气体储罐中，并供给至燃料电池装置。燃料电池反应产生的生成水通过燃料电池装置的排水泵排出。此次决定通过高压供水泵将水输送回水电解装置。

在运行试验中，氢气储罐和氧气储罐内的气体为高纯度氢和高纯度氧；然后，在保持充足电解用水的水电解装置中进行电解，将电解生成的氢和氧储存在储气罐中；接着，从气体储罐向燃料电池装置供给氢和氧进行发电，发电结束后通过高压供水泵将生成水输送回水电解装置。此时，供给氢和氧所需的阀门操作均通过手动方式实施。同样，转移生成水所需的水泵操作也是手动完成的。

图11和12示出循环运行的结果。实际运行模拟中，电解和发电各运行10分钟，反复交替运行，为了能够掌握状况将反复次数设定为6次。此时电解压力保持10Mpa不变。

在第1次电解和发电过程中，由于一边观察系统行为及电池电压，一边增大电堆电流，因此到达稳定的预定电流值需要时间，但第2次以后可以反复平稳地上升到预定电流。水电解装置和燃料电池装置的行为几乎每次都相同，切换时的操作和当时的行为也几乎每次都相同，通过6次反复，可以观察到整体系统的行为。

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图11. 第6次电解的特性

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图12. 第6次发电的特性

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总结

试制燃料电池装置和水电解装置并进行组合后，构成了可扩展的完全独立型燃料电池系统。实施运行试验，进行反复电解和发电，观察此时的电压行为、温度行为、压力行为等特性。通过反复进行电解和发电的运行试验，确认了本系统具备在完全独立型系统中工作的可再生燃料电池的功能和性能。虽然部分环节需要手动操作，但是在完全密闭的空间内实现了重新利用生成水进行水电解制取氢、氧，并使用其进行发电，因此是接近于完全独立型燃料电池的技术。

通过充分利用此次技术经验，有望将可扩展的完全独立型燃料电池系统作为海洋设备电源投入实际使用。另外，从本系统所具有的特性来看，可作为各种极端环境下的电源使用，正在考虑将其作为在月球表面活动时的夜间电源等⁽³⁾以及在宇宙空间中广泛使用的电源。

参考文献：

（1）谷俊宏等，封闭式小型高效固体高分子燃料电池系统的开发，三菱重工技术报Vol.51 No.1(2014)P54 ~ 59

（2）玄后义等，开拓21世纪能源环境社会的燃料电池开发状况，三菱重工技术报Vol.42 No.3(2005)P104 ~ 107

（3）星野健等，夜间技术，化学化工 Vol.76 No.7 (2012) P393～397