JP2018092816A - 燃料電池船 - Google Patents

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Abstract

【課題】スペース効率や耐候性、安全性が改善された燃料電池船を提供する。【解決手段】船体（１０）と、前記船体に推進力を発生させる動力源となる電動機（６）と、前記電動機に電力を供給するための燃料電池ユニット（２）と、前記燃料電池ユニットに水素燃料を供給するための水素燃料タンク（３）と、前記燃料電池ユニットの補助電源となる二次電池（４）と、前記電動機に供給する電力を調整する電力調整手段（５）と、を備え、前記船体（１０）は、相互に隔離された第１および第２の収納部（１１，１２）を備え、前記第１および第２の収納部は、蓋部材（１１ｂ，１２ｂ）により開閉可能な機器搬入用開口部（１１ｃ，１２ｃ）を備え、前記燃料電池ユニット（２）と前記水素燃料タンク（３）は前記第１の収納部（１１）に収容され、前記二次電池（４）と前記電力調整手段（５）は前記第２の収納部（１２）に収容されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池船に関する。
電動船外機の電源として燃料電池を用いることが検討されている。例えば、特許文献１には、船体内部に燃料タンクおよびバッテリを搭載し、船外機のケースに燃料電池および電動モータを収容した燃料電池船が開示されている（図５）。
一方、特許文献１には、船体内部に燃料タンクやバッテリと共に燃料電池を搭載した燃料電池船も開示されている（図２）。
特開２０１５−１９６４０７号公報
しかしながら、特許文献１の図５に記載の構造では、船外機に搭載されることが一般的な電動モータに比較して、燃料電池（発電装置）は大型であるうえ、水素燃料を供給するための配管で船体内部の燃料タンクと連結される必要があり、このレイアウトは現実的とは言えない。
また、特許文献１の図２に記載の構造では、塩害や降雨などの影響を考慮して閉空間への搭載が前提となる。しかし、燃料電池は定期的な水素パージを必要とするので、バッテリやＤＣ／ＤＣコンバータなどと共に搭載すると、電気スパークを生じた場合に、パージされた水素ガスと接触する可能性があり、安全性に課題を残していた。
本発明は従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スペース効率や耐候性、安全性が改善された燃料電池船を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、船体（１０）と、前記船体に推進力を発生させる動力源となる電動機（６）と、前記電動機に電力を供給するための燃料電池ユニット（２）と、前記燃料電池ユニットに水素燃料を供給するための水素燃料タンク（３）と、前記燃料電池ユニットの補助電源となる二次電池（４）と、前記電動機に供給する電力を調整する電力調整手段（５）と、を備え、前記船体（１０）は、相互に隔離された第１および第２の収納部（１１，１２）を備えた燃料電池船において、
前記第１および第２の収納部は、蓋部材（１１ｂ，１２ｂ）により開閉可能な機器搬入用開口部（１１ｃ，１２ｃ）を備え、前記燃料電池ユニット（２）と前記水素燃料タンク（３）は前記第１の収納部（１１）に収容され、前記二次電池（４）と前記電力調整手段（５）は前記第２の収納部（１２）に収容されていることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池船は、上記構成により、以下のような効果を有する。
水素系機器（燃料電池ユニット、水素燃料タンク）とそれ以外の電気系機器（二次電池、電力調整手段）とが、相互に隔離された第１、第２の収納部に別々に収容されるので、万一電気系機器に電気スパークを生じても、第１の収納部内でパージされた水素ガスとの接触を防止できる。
また、水素系機器を収容する第１の収納部とそれ以外の電気系機器を収容する第２の収納部とが、何れも蓋部材等の開閉手段で閉鎖された状態で運転可能であるので、耐候性も良好であり、降雨や波浪による浸水や塩害を抑制する上で有利である。
さらに、水素系機器とそれ以外の電気系機器を別々に収容することにより、２つの収納部に全ての電源機器を収容でき、スペース効率に優れ、船体の重量配分を考慮する上でも有利であることに加えて、イケスなど、船体に備わる既存の収容空間を利用することもでき、既存の船体に導入する場合のコストを低減する上でも有利である。
本発明実施形態に係る燃料電池船を示す平面図である。 本発明実施形態に係る燃料電池船の収納部を示す要部平面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、本発明実施形態に係る燃料電池船１は、船体１０の後部に推進力を得るためのプロペラおよび電動機を備えた電動船外機６が操舵可能に取付けられ、この電動船外機６に電力を供給する燃料電池システムを構成する水素系機器と電気系機器が、船体１０の後部に並設された２つの収納部１１，１２に分配して収容されている。
各収納部１１，１２は、船体甲板上に機器搬入およびメンテナンス用の個別の開口部１１ｃ，１２ｃを有するとともに、それぞれの開口部１１ｃ，１２ｃを密閉するための蓋部材１１ｂ，１２ｂ（ハッチ）を備える。各収納部１１，１２は、図１に示すように、船体甲板の下側で拡大された袋状をなし、十分な収容スペースを確保しながら、開口部１１ｃ，１２ｃの過大化を回避している。
各収納部１１，１２は、相互に隔離されているが、機器を搬入する時点では、図２に示すように、隣接した側壁を貫通して配線用の連通部１３が開口されており、この連通部１３は、機器の搬入および配線の完了後にシール材等で封止される。なお、各収納部１１，１２が離れて配置されている場合には、連通部１３は収納部１１，１２を連結するダクトとして設けられる。
本実施形態では、図２に示すように、船体右側の第１収納部１１に、電動船外機６への主電力供給源となる発電装置としての燃料電池ユニット２、および、この燃料電池ユニット２に水素燃料を供給するための水素燃料タンク３を含む水素系機器が収容されている。
燃料電池ユニット２は、電解質膜を挟んで燃料極と空気極が配置されたセルが、それらに燃料（水素）や酸化剤（空気中の酸素）を供給する流路を画成するセパレータを介して多数積層されたフエルセルスタックと、燃料側ヘッダー、空気側ヘッダー、コンプレッサー、および、コントローラなどを備え、電気化学反応によって水素燃料の化学エネルギーから電力を取り出す発電装置であり、反応による熱を放散するために冷却用ファンが付設されている。
水素燃料タンク３は、水素を気体のまま貯蔵する高圧水素タンクや低圧水素タンクを用いることもできるが、容器の内部に水素を分子状態で吸蔵／放出可能な水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵合金タンクが好適である。吸蔵合金の金属種は、特に限定されるものではないが、可及的低温かつ低圧で水素放出可能な金属種が好ましい。
水素燃料タンク３の一端には燃料電池ユニット２に水素燃料を供給するための供給管が接続され、他端には非常時に水素を排出するための安全弁（リリーフ弁）が設けられている。水素燃料タンク３の周囲には、加熱によりタンク内部における吸蔵合金からの水素放出を促進するためのヒータ３１が設けられている。ヒータ３１は、通電によって発熱する抵抗発熱体や電熱ヒータが好適に用いられる。
なお、水素燃料タンク３に高圧水素タンクを用いる場合には、ヒータは不要である代わりに、供給管にレギュレータ（減圧弁）が設けられる。また、高圧水素タンクは基本的に取り外しできないので、直接ガススタンドなどで充填するための機構が必要となる。
一方、船体左側の第２収納部１２には、補助電源としての二次電池４、電力調整手段としてのコンバータ５、降圧コンバータ７、低電圧二次電池８、制御装置１４などの電気系機器が収容されている。
二次電池４は、燃料電池ユニット２で発電される電気を充電しておき、二次電池４から電動船外機６のモータに給電することで、起動時に発電能力が低下する燃料電池ユニット２の特性を補い、電動船外機６の安定的な駆動を可能にするために搭載されており、リチウムイオンバッテリ（ＬＩＢ）などが好適である。
コンバータ５は、燃料電池ユニット２や二次電池４の電圧を調整するためのＨＶＤＣ／ＤＣコンバータである。本実施形態では、燃料電池ユニット２の出力電圧（約１００Ｖ）を二次電池４の電圧（４８Ｖ）まで降圧し、上述のように二次電池４から電動船外機６に電力を安定供給する降圧タイプが使用されるが、高出力が求められる場合には、燃料電池ユニット２や二次電池４の電圧を高電圧に変換して電動船外機６に供給する昇圧タイプを使用することもできる。
降圧コンバータ７は、燃料電池ユニット２や二次電池４の電力の一部を低電圧（１２Ｖ）に変換するための１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータであり、変換された電力は低圧用二次電池８（１２Ｖバッテリ）に蓄電され、燃料電池ユニット２に付設されたコンプレッサー（ブロワ）や電磁バルブ、冷却ファン、コントローラ、などの補機類、および、制御装置１４に供給される。
上記のように水素系機器と電気系機器とに分けて収納部１１，１２に搬入した後、燃料電池ユニット２の出力側は、中央の連通部１３に挿通された配線によりコンバータ５の入力側（一次側）に接続され、コンバータ５の出力側（二次側）には二次電池４が接続される。また、水素燃料タンク３のヒータ３１は、中央の連通部１３に挿通された配線により二次電池４に接続され、二次電池４からヒータ３１に電力が供給される。
各配線の完了後に連通部１３がシール材等で封止されることは、既に述べた通りであるが、図２に示すように、電動船外機６に電力を供給する配線が、２つの収納部１１，１２の中間の連通部１３から配策されることで、収納部１１，１２の何れかに別途貫通孔を設けて配線後にシールする必要が無い。
以上のように構成された燃料電池船１は、各収納部１１，１２の開口部１１ｃ，１２ｃを蓋部材１１ｂ，１２ｂで閉鎖した状態で運航される。その際、燃料電池ユニット２による発電に伴い、第１収納部１１内の酸素が消費されることで、第１収納部１１内の酸素濃度が低下する。そこで、第１収納部１１には、フィルタを介して外気に連通させる外気導入通路１５が設けられている。
外気導入通路１５は、降雨や波浪に伴う水分の浸入を防止するためにトラップ構造とするとともに、フィルタに防水性のフィルタを用いることが好ましい。さらに、海洋および沿海地域での利用が見込まれる場合には、塩害を防止するために耐塩フィルタを用いることが好適である。
上記のような外気導入通路１５により、酸素濃度の低下を防止できるが、フィルタの交換頻度を少なくしかつ防水性および耐塩性能を向上するために、第１収納部１１の内部に酸素濃度センサ２０を設けるとともに、外気導入通路１５を開閉するためのシャッタ（開閉手段）を設け、酸素濃度が所定の閾値以下となった場合にのみシャッタを開閉して外気導入通路１５からフィルタを介して外気が導入されるようにすることもできる。
この構成では、酸素濃度センサ２０の検出値は、制御装置１４に送られ、設定値と比較され、設定値以下の場合に図示しないアクチュエータ（ソレノイドなど）によりシャッタの開閉動作を実施する。なお、酸素濃度センサ２０を設ける代わりに、制御装置１４にタイマを設け、燃料電池ユニット２の運転時間を計測し、所定時間毎にシャッタの開閉動作を実施するように構成しても良い。
本発明に係る燃料電池船１は、水素系機器と電気系機器が、相互に隔離された収納部１１，１２に収容されているので、第１収納部１１内にパージされた水素ガスが滞留した状態で、電気系機器を収容した第２収納部１２内で電気スパークを生じても、電気スパークが水素ガスに接触することがない。したがって、燃料電池ユニット２の作動中に所定時間毎に水素パージを実施し、第１収納部１１内に水素ガスが滞留しても直ちに問題は生じないが、水素ガスは滞留しないことが望ましい。
この場合、上述した所定時間毎のシャッタの開閉動作により外気導入通路１５を通じて外気が導入されることで、水素ガスがさらに希釈され排出される。あるいは、第１収納部１１内に水素センサ３０を設け、第１収納部１１内の水素ガス濃度が設定値以上となった場合に、先述した外気導入通路１５のシャッタを開いて水素ガスが排出されるようにすることもできる。
なお、上記実施形態では、第１および第２の収納部１１，１２が、船体１０の後部に左右に並設されている場合について述べたが、第１および第２の収納部１１，１２は、船体１０の前後方向に並設されていても良い。その場合、重量バランスを考慮して、船体１０の中央に前後方向に並設されることが好ましい。
また、第１および第２の収納部１１，１２の何れか一方または両方が複数の収納部で構成されても良く、その場合、水素系機器を主要する第１の収納部群と電気系機器を収容する第２の収納部群とが相互に隔離されている必要がある。
また、第１および第２の収納部１１，１２は、船体に備わる既存の収納部（デッキストレージ、イケスなど）を利用することもでき、何れか一方または両方が既存の収納部とは別に設置されたケース等であっても良い。
また、第１および第２の収納部１１，１２として、単体の収納部を隔壁や仕切板などの区画部材で２つの収納部に区画したものを利用することもできる。その場合には、ハッチを閉鎖した状態で２つの収納部が相互に隔離されるように、区画部材の周囲をシール材等で封止するとともに、メンテナンス等でハッチを開ける場合、事前に水素ガスが排出されるようにする必要がある。
さらに、上記実施形態では、開口部１１ｃ，１２ｃに開閉可能な蓋部材１１ｂ，１２ｂ（ハッチ）が設けられる場合について述べたが、このような蓋部材１１ｂ，１２ｂとしては、ヒンジやスライダにより開閉可能なハッチ、ネジなどの締結手段やクランプなどの緊締手段により着脱開閉可能なハッチなど、剛性部材からなる蓋部材はもちろん、可撓性のシート材料からなる蓋部材を用いることもできる。
その場合、蓋部材の周縁部と開口部の縁部との間をファスナー（線ファスナー、面ファスナー、レールファスナー、気密ファスナーなど）で開閉可能とすることができる。このような可撓性の蓋部材は、剛性材料からなる蓋部材の内側に設けられも良く、その場合、何れかまたは両方の収納部内に密閉空間を画成する袋体（またはケース）と一体に設けられても良い。
上記実施形態では、第２収納部１２に主要される電力調整手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ５、降圧コンバータ７）を用いる場合について述べたが、インバータ（電動船外機６に交流電動機を用いる場合）やブレーカが含まれても良い。
また、上記実施形態では、空冷式の燃料電池ユニットを用いる場合について述べたが、本発明は、液冷式の燃料電池ユニットを搭載した燃料電池船にも実施可能である。
以上、本発明のいくつかの実施形態について述べたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能であることを付言する。
１ 燃料電池船
２ 燃料電池ユニット
３ 水素燃料タンク
４ 二次電池（リチウムイオンバッテリ）
５ コンバータ（ＨＶＤＣ／ＤＣコンバータ）
６ 電動船外機
７ 降圧コンバータ（１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ）
８ 二次電池（１２Ｖバッテリ）
１０ 船体
１１ 第１収納部
１１ｂ，１２ｂ 蓋部材（ハッチ）
１１ｃ，１２ｃ 開口部
１２ 第２収納部
１３ 連通部
１４ 制御装置
１５ 外気導入通路（フィルタ）
２０ 酸素濃度センサ
３０ 水素センサ
３１ ヒータ

Claims (5)

  1. 船体と、
    前記船体に推進力を発生させる動力源となる電動機と、
    前記電動機に電力を供給するための燃料電池ユニットと、
    前記燃料電池ユニットに水素燃料を供給するための水素燃料タンクと、
    前記燃料電池ユニットの補助電源となる二次電池と、
    前記電動機に供給する電力を調整する電力調整手段と、
    を備えた燃料電池船において、
    前記船体は、相互に隔離された第１および第２の収納部を備え、
    前記第１および第２の収納部は、蓋部材により開閉可能な機器搬入用開口部を備え、
    前記燃料電池ユニットと前記水素燃料タンクは前記第１の収納部に収容され、
    前記二次電池と前記電力調整手段は前記第２の収納部に収容されていることを特徴とする燃料電池船。
  2. 前記第１の収納部を、フィルタを介して外気に連通させる外気導入通路をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池船。
  3. 前記外気導入通路を開閉する開閉手段と、前記第１の収納部内の酸素濃度を検知する酸素濃度センサと、前記酸素濃度が設定値以下となった場合に前記フィルタを介して前記第１の収納部に外気を導入すべく前記開閉手段による開閉動作を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池船。
  4. 前記外気導入通路を開閉する開閉手段と、前記燃料電池ユニットの積算運転時間を計測する手段と、前記積算運転時間が設定値となった場合に前記フィルタを介して前記第１の収納部に外気を導入すべく前記開閉手段による開閉動作を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池船。
  5. 前記電力調整手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、ブレーカからなる群から選択される少なくとも１つの機器を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池船。
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