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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
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。
图1. 可扩展的完全独立型燃料电池系统的结构
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。
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。