国立大学法人東京海洋大学 学術研究院 特任教授

大出 剛

1976年東京商船大学卒業。博士 (工学) 。横河電機株式会...もっと見る 1976年東京商船大学卒業。博士 (工学) 。横河電機株式会社にて技術開発に従事後、事業責任者を歴任。2010年4月より東京海洋大学にて急速充電対応型電池推進船、燃料電池船等の研究開発、モータ制御方式によるプロペラ挙動に関する研究等に従事。
研究分野：船舶海洋工学、制御システム工学

よもやまばなしも最終回です。万博で運航した水素燃料電池船「まほろば」の開発、社会実装と今後についてお話しします。
前回の最後に書きましたが、「まほろば」の建造計画は、岩谷産業株式会社と東京海洋大学にて2019年に始まり、2021年に国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 (NEDO) の事業として具体的になっていったのです。

この事業の実施計画書においては「東京海洋大学における実験船で得られた知見を明確化して、実際の実証運航にフィードバックすること。実験船では、

1. 安全ガイドラインに則って搭載した機器の出力特性や冷却性能の確認、動作の評価
2. システムの適合性の確認
3. バンカリングの評価
4. 通信などの検証を行なうことにより、実証運航に対する試験項目の整理と課題点の抽出を進め、船体設計へ反映させる」

となっており、東京海洋大学実験船「らいちょうN」に「まほろば」に採用する水素燃料電池を搭載し、2022年4月から実験を開始したのです。その結果を「まほろば」の設計・建造・運航に反映させたのです。

水素燃料電池船の安全ガイドラインはどのようなものなのか

2018年度「水素燃料電池船の安全ガイドライン」案が提示されました。このもとはIMOの国際ガス燃料船安全コード (IGF code) です。低引火点燃料に対する同codeの安全確保の考え方をガイドラインに取り込んでいます。当初は小型船舶に限っていたのですが、まほろばなどの建造計画 (計画だけで終わったものもあります) が出て2021年の第1回改訂で総トン数500トン以下まで拡張されたのです。適用範囲を簡単に言いますと

1. 燃料電池と蓄電池を組み合わせた電源供給システムとする
2. 固体高分子形燃料電池を用いる
3. 移動式水素ステーション、又は可搬式水素ボンベにより船舶に供給する
4. 燃料タンクの設計圧力は70 MPa以下
5. 水素は純水素 (圧縮ガス) を使用し酸素は大気から供給する

などとされています。

ガイドラインの骨子は15章から成り立っていて約320のチェック項目があります。さらに設計の初期段階でHAZIT (Hazard Identification Study) を要求しています。これは潜在的な危険要因を洗い出すための安全性評価手法で危険要因の発生頻度と被害深刻度をリスクマトリクスとして表します。確率論の期待値のようなものです。これに1年ほどかかるのですから建造開始まで大変ですよね。

もう一つ、ESD (Emergency Shutdown) 保護機関区域という新しい概念が入っています。これは正常な状態においては危険はないが、特定の異常状態では危険になりうるような機関区域のことです。一般的には燃料電池が設置されている区画になります。水素漏洩などの異常時には水素燃料の供給を停止し、非防爆の設備や機器は自動的に緊急停止されなければなりません。燃料電池は非防爆なので緊急停止です。この状態で使用される設備及び機器は水素防爆型と認定されたものでなければならないのです。この区域がシャットダウンしてもこの区域外部の設備に対する保護、推進力、電力供給の冗長性の確保は要求されるのです。つまりこの区域をシャットダウンしても運航できなければならないのです。

「らいちょうN」での予備実験

まずは、トヨタ自動車株式会社の燃料電池車「MIRAI」の燃料電池を用いた水素燃料電池システムを安全ガイドラインに沿って設計しなければなりません。FC専用ECU、DCバスとの接続回路、燃料電池の発電効率は45 %程度ですから半分以上は熱として廃棄するわけですから冷却系は重要です。
さらに冷却水はセルの中に入りますから伝導率の管理も加わります。ガスを扱うわけですから温度センサ・圧力センサ・ガス検知器とセンサは多く使用しますし換気も必需です。燃料電池本体は、車載用ですのでオールインワンでコンパクトに出来ているだけでなく上位とのインターフェースも簡単です。起動用接点と制御用CAN通信のみです。これを先に書きましたESD保護機関区域に設け組み込んでいくのです。

水素ガスは充填装置を置けないので水素ボンベ (シリンダー) を用いています。実験の中では水素タンクでの充填をして課題を抽出しています。水素ガスは開閉装置や減圧装置で構成したガスパネルと呼ぶ制御部を用います。2022年4月から実験を開始したのです。安全ガイドラインに則って搭載した機器の出力特性や冷却性能の確認、動作の評価などを行い、「まほろば」の設計に反映させたのです。2024年7月「らいちょうN」は純水素燃料電池船として日本で初めて船舶検査証書が交付され、安全に運航できることが示されたのです。

「まほろば」の建造

基本計画は「水素燃料電池船の安全ガイドライン」を基に検討をしたのです。特に重要な水素燃料電池ユニット、水素タンクユニットについては、水素配管等の安全性や実現性、経済性を評価をおこないつつ、国土交通省海事局と綿密な確認や打合せを行ないながら決定していったのです。

ここでハイブリッド推進システムについて紹介します。図2で示しますように、高圧水素が充填された水素タンクから減圧パネルを通して低圧水素が水素燃料電池に供給されます。ここで発電された電力は推進モータへ供給されるとともにリチウムイオン2次電池へ充電することも可能です。一方、急速充電や普通充電にてリチウムイオン2次電池へ充電された電力もまた推進モータへ供給されるハイブリッド推進システムです。

「まほろば」は双胴船(そうどうせん)であり、左右舷(さゆうげん)が独立した推進システムです。したがって、片舷が何らかの要因でシステムストールしても残りの片舷のみで航行できます。さらに燃料電池がストールしてもリチウムイオン2次電池のみで航行ができるよう冗長性を持たせています。平水での航行では推進力を失うと風波潮流の影響をすぐに受けて危険な状態になります。システムを分散することで動力を失うリスクを抑制しているのです。

「まほろば」が保有するエネルギーは、リチウムイオン2次電池に蓄えられる電気エネルギーと、船尾の水素タンクに貯蔵される高圧水素ガスです。
搭載リチウムイオン2次電池の容量は1,038 kWhです。水素は230 L水素容器16本分3,680 Lを70 MPa (圧縮率 1.5) で充填していますので、水素保有量は1,717 Sm³ / 135 kgとなります。電気エネルギーに換算しますと33.6 kWh / kgですから4,536 kWhになります。燃料電池の効率45 %としますと2,041 kWhが使用可能なエネルギーとなります。合わせますと3,079 kWh、約3,000 kWhです。これは、電池容量はEV車25台分、水素搭載量はFC車27台分程度となるのです。

それでは、このエネルギーでどれくらい走行するのか単純な試算をしてみましょう。
10ノットでの推進用モータの消費電力は255 kW、船内負荷 (航海機器やエアコンなど) 40 kWの合計295 kWとすると3,000 kWhをこれで割りますと、10 h (時間) 走れることになります。10ノットは18.52 km / h (時速) ですから単純に185 km走れることになるのです。出力 (kW) は船速の3乗に比例するので船速を8ノットにしただけで推進用モータの消費電力は95 kWになります。これですと22 h走れ、310 kmの走行距離になります。あくまでも概算です。実際は客数 (重さ) や風波潮流等の外乱や運航形態によって異なるのです。

大阪万博での商業運航

2025年の万博期間中には、大阪市内の「中之島GATEサウスピア」を発着点とし、万博会場の「夢洲(ゆめしま)」と桟橋「ユニバーサルシティポート」の間を定期運航しました。図3に万博期間中の運航ルートとその走行データを示します。
係留地の中之島ゲートサウスピアからユニバーサルシティポート、ユニバーサルシティポートから万博会場のある夢洲の往復運航を4回行い、ユニバーサルシティポートから係留地である中之島ゲートに戻るまでの定期便運航の1日 (12時から20時) を示しています。
リチウムイオン2次電池の消費電力が推進モータの消費電力より多いのはバウスラスタ、エアコン、航海に要する機器類など船内負荷で使用しているためです。この例での燃料電池の使用は負荷電力に比例した発電ではなく、1日の終了間際の軽い (1 / 4出力) 運転でリチウムイオン2次電池の消費電力量を抑制しています。これは操船者の判断です。

走行距離は約29海里 (約54 km) 、平均8ノット (約15 km / h) で走行しているのが分かります。エネルギーの観点から見ると全体の消費は623 kWhで、推進モータが428 kWh、エアコンや航海用機器など船内負荷が195 kWhです。全体の消費は、リチウムイオン2次電池の放電383 kWhと燃料電池からの発電240 kWhの合計623 kWhと一致することを示しています。保有する最大エネルギーが3,000 kWhですから約21 %消費したことになります。

終わりに

3回にわたり水素燃料電池船がどのような背景で誕生し、建造され、運航されたかを書かせていただきました。
水素燃料電池船は振動・騒音・油の臭いがないなどの利点と環境負荷の低さがありますが、使用する燃料のエネルギー密度が低く、大型化や航続距離には課題があります。船舶はその用途によりさまざまな船種や推進システムで建造・運用されるのです。水素燃料電池船は新しい推進システムとして適した用途で普及していかねばなりません。そのためには、本コラムでは詳しく記載できませんでしたが、バンカリング (船に燃料を入れること：船舶への充電も水素充填もバンカリングと言います) の設備も並行して整わなければならないのです。
水素燃料電池船は「水素燃料電池船安全ガイドライン」に沿った検査に適合するための手法が確立すれば多くの造船所で建造ができ、船主は安全に運航が可能となります。またモニタリングシステムなどは機関士の負担軽減が図れます。

「まほろば」は来年2027年には東京で運航される予定です。水素バンカリングやモニタリングシステムなど多彩な機能があります。ぜひ乗って体感していただきたいと思います。