用于实现氢能社会的燃料电池系统最新技术
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摘 要：近年来，随着全球环保意识的提高，氢能利用技术作为实现碳中和的关键技术之一备受关注。其中，尤其是汽车、巴士和固定式发电用燃料电池的进一步普及和更广泛的应用备受期待。东芝能源系统株式会社正在开发一种纯氢燃料电池系统。关于固定式燃料电池系统H2Rex™的100kW模型，与目前的第二代模型相比，最新的第三代模型体积缩小40%，成本降低67%。为实现MW级的大规模应用，东芝能源系统开发出一种集中运行多个100kW系统的多MW模型，并已通过实证试验证明该模型可高效运行。为了扩大该模型的用途，东芝能源系统正着手开发一种用于大型运输工具的燃料电池模块H2Rex™-Mov，目前已完成船舶用机型的基本设计。
关键字：氢能、纯氢燃料电池系统、固定式发电用燃料电池、氢发电系统、H2Rex™-Mov、MW机型
国际上对全球变暖和气候变化等的环境意识进一步提高。近年来，为实现CO2净零排放的碳中和目标，各国纷纷制定相关战略和路线图，并发表加速绿色相关技术开发的目标和方针，包括扩大可再生能源和电动汽车的普及、对氢和碳进行再循环等。氢能不仅可以减少CO2排放量，而且有望实现能源供应结构的多样化。在日本制定的“2050年碳中和绿色增长战略”中，氢能在发电、运输、工业等广泛领域的利用备受期待，且作为推进碳中和的关键技术之一备受关注。
东芝能源系统为通过可再生能源和氢的利用，实现可持续的氢能社会，正在致力于开发制氢技术以及储存和有效利用制得氢的技术。作为氢能利用技术的应用，该公司正在进行纯氢燃料电池系统H2Rex™和H2Rex™-Mov的开发与制造。
本文将介绍以下内容：以促进普及为目标的固定式燃料电池系统H2Rex™——100kW机型的第2代模型的引入实绩；以小型化、简单化、低成本化为目标而开发的第3代模型的优点；以及MW机型的最新开发情况，其中，MW机型的目标是实现大规模应用，其通过将100kW机型模块化为一个单元，并组合多个100kW机型而成，可以扩大输出功率。
另外，为扩大燃料电池的用途，东芝能源系统已开始开发燃料电池模块H2Rex™-Mov，以应用于船舶、铁路、建设机械等大型运输工具，这些应用需要高耐久性，而高耐久性是该公司生产的固定式燃料电池的特点，因此本文中也对该模块的概况进行了说明。
关于100kW机型，其第一代模型于2016年上市，由于其发电容量大，因此供给对象是工厂和酒店等商业设施。第二代模型即现有模型于2018年进入市场。该系统的发电效率为50~55%LHV、综合效率高达95%，耐久性为世界最高水平的8万小时，与第一代模型相比，尺寸降低42%，成本降低40%。
图1示出第二代模型的标准模型和安装在福岛县AZUMA综合运动公园（福岛市）的模型。AZUMA综合运动公园内的100kW机型已于2020年6月开始发电。其外部颜色设计为与周边的设施和树木等相协调的颜色。利用储存量为2700m3的拖车，从全球最大的可再生能源制氢系统——福岛氢能研究基地（FH2R）每月向该机型运送2次氢气。本次，通过将FH2R制备的氢气用于H2Rex™的发电，实现了福岛县内制氢、储氢、运氢和用氢这一系列的供应链。发电产生的电力用于AZUMA综合运动公园体育馆的照明和空调，发电过程中产生的热量用于烧水。除了可以根据需要从H2Rex™附近的水龙头供应温水外，还可作为事业持续计划（BCP）的对策，利用应急发电机的电力进行发电，为特定的负载提供电力以实现独立运行(1)。
图1. H2Rex™的标准模型（第二代）和位于AZUMA综合运动公园的模型
位于AZUMA综合运动公园的模型以100kW机型的标准模型为基础，外部面板采用与安装场所周边环境相协调的色调设计。
目前正在开发比第二代模型体积更小且成本更低的第三代模型。
图2示出100kW机型的开发过程以及成本和尺寸的比较。
图2. 100kW机型的成本和尺寸的变化
100kW的第3代模型与比第一代模型尺寸小且成本低的第二代模型相比，成本和尺寸分别进一步降低67%和40%。
由于封装高度和宽度的限制，第一代模型只能使用拖车作为运输工具。但是，第二代模型的尺寸大幅降低，可使用8t级卡车运输，从而降低了运输费和安装费等成本。另外，为了进一步缩小尺寸和降低成本，进行了彻底的系统简化和优化，从而获得了第三代模型。针对每代模型，分别评估风险和设计变更的妥当性后，削减了电池主体的数量，修改了冷却水管的构成，并削减了泵的数量。结果表明，与第二代模型相比，第三代模型实现了更小的尺寸，便于运输和安装，而且可以在20英尺（6.1米）的集装箱中搭载两个第三代模型，因此第三代模型的尺寸在海外市场等长距离运输中具有优势。
另外，在成本方面，以在第一代模型的基础上削减70%为目标进行了开发。但是，在制造100个该模型的情况下，预计可超越设定的目标，降低80%的成本。第三代模型计划今年上市。
作为可支持大规模应用的氢发电系统，东芝能源系统正在推进MW系统的开发。MW系统是通过将100kW机型模块化为一个单元，并组合多个100kW机型，从而可以将100kW~MW级机型构成为一个系统的产品。MW系统配备有能源管理系统（EMS，Energy Management System），能够通过分别控制各模块的启动和停止等运行情况，根据电力需求和热需求进行最佳运行，以获得高发电效率和废热回收效率。考虑到各模块的发电时间和设备特性，还可实现运行时间分配的平均化和有计划的维修。
图3示出进行验证试验时的系统外观，该验证试验通过EMS的控制对3个模块进行优化运行。另外，图4示出通过多个模块分担特定负载输出时的运行数据。该验证试验表明，与简单地均等分配输出的控制方法相比，通过EMS的控制，对负载分担进行适当地控制，例如根据负载在发电效率更高的领域增加输出模块的数量等，能够以更高的效率运行多个模块。
图3. 用于多个模块运行验证试验的100kW模块
该试验证明，通过使用组合3个100kW模块的EMS进行运行控制，能够根据电力需求和热需求，实现最佳运行，以获得高发电效率和废热回收效率。
图4. 多个模块运行验证试验的数据
负载变化后，通过EMS的控制，利用3个100kW适当分担负载，可实现更高效率的发电。
此外，还在开发一种多MW模型，该模型以1MW机型为一个单元，集中运用多个1MW机型。安装集成每个MW机型的EMS的上级EMS，如图5所示，通过上级EMS在网络上对各EMS的数据进行集中监视和控制的多EMS结构，实现多MW机型的高效运用。通过多MW化，不仅可以在更广泛的输出范围内高效发电，还可以防止维修时设备运行率降低。
图5.多个1MW单元组合而成的多EMS结构
采用上级EMS，分别对安装有EMS的多个1MW单元进行监视和控制。
另外，为扩展100kW机型拥有的独立运行功能（可独立于电力系统进行发电），正在开发一种由多个独立运行单元组成的负载共享运行功能。通过多个功率调节器（PCS）的独立并行运转，可以提高大容量的独立负载和承受大负载变动的耐性。由此，可以构建利用可再能源的独立电源系统，因此有望用作BCP。
到目前为止，燃料电池已在汽车、巴士和固定式发电方面实现实用化，其用途还有望进一步扩大。
在船舶领域，2018年国际海事组织（IMO）制定了到2050年将国际海运领域的温室气体排放量减半的路线图。另外，日本在“2050年碳中和绿色增长战略”中也提出，在船舶产业普及燃料电池船，并在物流产业，针对燃料电池在铁路列车上的安装制定基准规则等，因此搭载燃料电池的船舶和铁路的普及和应用扩展备受期待。
东芝能源系统从很早以前就开始开发运输工具用燃料电池系统，在野村不动产集团的NREG东芝不动产株式会社（2020年公司名变更为野村不动产建造株式会社）和国立大学法人东京海洋大学的共同研究中，2016年为其提供3.5kW纯氢燃料电池系统H2Rex™，从2019年开始又为其提供30kW纯氢燃料电池系统H2Rex™-Mov，并在电力推进实验船“雷鸟N”上进行运行试验，确认到该系统应用于海洋环境时，燃料电池性能不会下降(2)。
为了拓展至更广泛的用途，东芝能源系统又开始研发一种用于船舶、铁路、建设机械等大型运输工具的标准型200kW级燃料电池模块H2Rex™-Mov。在大型运输工具的应用中，要求（1）能够以高输出功率持续运行，（2）从航行成本和续航距离的角度来看高效发电，以及（3）具有高运行率和应对长期使用的高耐久性。为了利用固定式燃料电池系统的持续输出、高效率和长寿命的优点，将其安装在大型运输工具上，正在开发更加紧凑的模块。另外，针对在运输工具中的应用，正在进行研发，以提高响应性和启动性，应对不同用途下的振动、倾斜、温度等环境条件，并满足不同的技术标准和规格。另外，为了支持各种规模的运输工具，通过组合多个200kW级模块，可实现数百kW到数MW的大范围输出功率。图6示出运输工具用模块，图7示出将该模块安装在船舶及铁路时的应用预想图。
图6. H2Rex™-Mov的200kW机型
通过组合多个200kW级模块，可实现数百kW到数MW的大范围输出功率。
图7. H2Rex™-Mov在船舶和铁路列车上的应用
利用固定式燃料电池系统的持续输出、高效率和长寿命的优点，可以将其安装在大型运输工具上。
东芝能源系统在2020年~2022年对船舶用模块进行开发。2020年，东芝能源系统在对船舶用模块所需的规格进行研究调查，实施模块的基本设计，并灵活应用具有高耐久性的固定式燃料电池技术的同时，预计通过燃料电池堆的多层化和其优化配置，以及辅机（泵、鼓风机等）的集成化，可以同时实现小型化和大容量。今年试制了船舶用模块，并计划对其进行性能测试、环境测试、振动测试等。
此外，作为燃料电池船实用化的实证研究，东芝能源系统与日本邮船、川崎重工业、一般财团法人日本海事协会、ENEOS展开合作，共同开始了实证项目。以2024年的实证运行为目标，正在进行用于实用化的燃料电池搭载船以及氢燃料供给的相关研究。在实证试验中，东芝能源系统计划提供其开发的船舶用燃料电池模块。
2016年度首次投入市场的100kW纯氢燃料电池系统H2Rex™经过不断改善，被确立为用于实现未来氢能社会的氢利用技术的一项应用。特别是第三代模型，在保持此前高性能的同时，实现了大幅度的小型化和低成本化。
另外，正在对将多个100kW机型组合成一个单体模块而成的MW机型进行开发和实证。
今后的目标是为燃料电池的应用和实用化作出贡献，不仅将其用于已实现燃料电池实用化的汽车、巴士和固定发电，还用于有望进一步扩大应用的船舶和铁路。
参考文献：
（1）干鲷将一，“纯氢燃料电池系统的开发和市场推广”，日本燃料电池的开发.燃料电池开发信息中心. 2020, p.54—55.
(2) 下道刚等人，基于电力推进实验船的移动型氢燃料电池系统的运行试验。东芝评论. 2020, 75, 3, p.55—58.
<https://www.global.toshiba/content/dam/toshiba/migration/corp/techReviewAssets/tech/review/2020/03/75_03pdf/f05.pdf>，（参照2021-03-25）.
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翻译：肖永红
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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