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第４章 水素燃料電池漁船の基本仕様と試設計
次世代型漁船である水素燃料電池漁船について試設計するに当たり、対象調査漁船の中か ら試設計漁船を選定し、その漁船に搭載する燃料電池等の機器について検討を行った。４－１．燃料電池漁船の選定
燃料電池漁船の選定理由としては、次の内容を考慮して選択した。 （１）燃料電池等の搭載機器が、現在、燃料電池自動車で開発されている機器 を搭載できる漁船の規模であること。 （２）漁労機器が出来るだけ少ない漁船であること。 （３）作業負荷(出力)の少ない漁船であること。 （４）年間の操業頻度が低い漁船であること。 （５）沿岸漁船であって、技術的データがある漁船であること。 （６）水素の供給体制が比較的容易な地域にある漁船であること。（将来的な要素として） 現地実態調査の漁船の中で、大分県国東漁港の一本釣り漁船は、上述の（１）～（５） を満足しており、同船を試設計漁船に選定した。また、第３章漁船調査の 3-1-2-3.項の燃 料電池漁船の適用で記述のとおりであり、既存船の性能曲線図からも確認出来ている。４－２．一本釣り漁船（大分県国東漁港）での検討（船内外機船）
４－２－１．水素燃料電池の選定 現状では、自動車業界で開発されている燃料電池を参考にして、選択搭載する方法を考え ざるを得ない。しかしながら、各メーカーも詳細な寸法等のデータを公開していない状況で の基本仕様の検討に当たって、自動車用と船舶用の用途の違いは、船舶用については負荷が 自動車よりはるかに大きいことにある。自動車は、発進すれば、ある程度惰性で走ることが 可能で、回生ブレーキによる発電吸収も可能である。一方、船舶の場合、航走中は、造波抵 抗や摩擦抵抗により常に負荷がかかるとともに、停船時に回生ブレーキによる電力の回収は 図4-1 国東・1 本釣り漁船の速力回転数曲線 図4-2 国東・１本釣り漁船の搭載機関 速力馬力曲線- 47 - 出来ない。このようなことから、自動車の出力をそのままで使用することは不可能であり、 ここでは、耐久面を考慮して自動車用の出力の 1/2 を舶用定格出力として使用する。 右図のトヨタ自動車(FCHV-adv)90kW の燃料電池から、高さ×奥行×幅の寸法比率が 1： 1.38：2.45 であり、車体幅大きさを考えた結果、スタックの高さ×奥行×幅の大きさを、 300ｍｍ×420ｍｍ×730ｍｍの寸法で設定する。 この大きさでは、容積約 92ℓ、重量約 116kg になると考えられる。 ※日産自動車の燃料電池スタックの 2008 年型モデルの （130kW）緒元も参考にした。（68ℓ：86kg） 図4-4 日産自動車のスタックと出力密度とコスト推移 （ http://www.webcg.net/WEBCG/impressions/i0000019811.html より） なお、現地調査漁船（一本釣り漁船（大分県国東漁港））の建網、ひき釣りの場合の実操業状態 のデータ解析から必要出力は、30kW もあれば充分（最高操業船速 14 ノット）であることから、 余裕のある容量の燃料電池を搭載することとなる。 ※現在開発中の燃料電池スタックは、出力密度も加速度的に改善されており、コストも低下し てきている。 ４－２－２．原動機としての電動機容量の選択 上述の水素燃料電池の選定で、90kW の燃料電池を選定 （定格 45kW で対応）したことから、原動機の出力は定格 45kW(最大 90kW)とする。原動機の寸法は車載の状況から、 530ｍｍ×530ｍｍ×720ｍｍとする。 530 530 ４－２－３. 水素タンクの容量 図4-5 原動機 2009 年 11 月に経済産業省主催で実施された燃料電池自動車 1,100ｋｍ（東京⇒福岡）の公 道長距離走行実証における日産自動車（X-TRIAL FCV）やトヨタ自動車（FCHV-adv）及び本田 技研工業（FCX-CLARITY）の搭載燃料電池の出力は、90kW（トヨタ・日産）と 100kW（本田） 720 図4-3 トヨタ自動車のスタック （トヨタHP より）
- 48 - であり、貯蔵水素タンク圧力は、トヨタ自動車の 70MPa 以外は 35MPa であった。しかし、日 産自動車、本田技研工業も水素タンクについては、現在、70MPa を計画している。また、タ ンク容量は、トヨタ自動車では 156ℓ、本田技研工業は 171ℓの容量である。トヨタ自動車の 70MPa の 156ℓは、４本の高圧水素タンクを床下に設置している。（１本の高圧水素タンク 39ℓ） ここでは、トヨタ自動車が採用している 70MPa の４本の高圧水素タンク（計 156ℓ）を採用 する。 なお、高圧水素タンクメーカーが製造している容量の 大きい水素タンク(35MPa)を搭載することも選択肢に入 れておく。図 4-6 に外観写真を示す。 ＜高圧水素タンク(35MPa)寸法＞ 外 径 ： 600ｍｍ 全 長 ：1,500ｍｍ 容 量 ： 280ℓ ４－２－４. 制御装置（パワーコントロールユニット） 制御装置は、燃料電池スタックと二次電池をこのパ ワーコントロールユニットで繋ぎ、負荷状況等に合わせ、 それぞれを最適に制御する役割を担っている。 この制御装置のサイズについては、トヨタ燃料電池自 動車 90kW を参考として、燃料電池の大きさとの比較か ら検討して、H×B×L（高さ×奥行き×幅）の寸法を、 150ｍｍ×400ｍｍ×700ｍｍとする。 トヨタ自動車のＨＰにある燃料電池自動 車の搭載機器の配置が判るイラスト図を 掲載する。また、さらにその配置構成が理 解できるように図 4-9 に示す。 図4-7 ボンネット内 （トヨタ自動車のＨＰより） 図4-6 高圧水素ボンベ(35MPa) 図4-8 トヨタ燃料電池自動車の搭載機器配置図 （トヨタHP より）
- 49 - ４－２－５．リチウムイオン電池の容量 一本釣り漁船（大分県国東漁港）に搭載しているバッテリーは、12V×120Ah×３個で、 機関室に２個、舵機室に１個となっている。搭載エンジン(４LM-HTZ)は、12V 仕様なので、 舵機室の１個が機関始動専用分で、機関室の２個は、電動釣機 24V250W の駆動動力源用で、 主機関の前部からベルト駆動している発電機(980W)から、このバッテリーを充電している。 よって、水素燃料電池船とした場合には、電動釣機用の容量分の２次電池を最低限保有 すれば良い。従って、機関室の 24V×120Ah 分をリチウムイオン電池に置き換える仕様とす る。ＥＮＡＸ製Ｌタイプセル（324mm×136mm×７mm－550ｇ）のリチウムイオン電池を採用すれ ば、６直列で６並列の搭載となる。バッテリーパック寸法、縦×横×厚さを計算すると、324 ｍｍ×816ｍｍ×42ｍｍとなる。 リチウムイオン電池重量は、Ｌタイプセルが 36 個で、19.8kg となる。鉛電池の搭載時に比 べると 1/2 の軽量化が可能である。 燃料電池スタックの補機関（エアコンプレッサー・水ポンプ・インバータ・コンバータ 等）については、市販品を選択するものとする。 図4-9 トヨタ燃料電池自動車の機器配置構成 （FC EXPO 2010 におけるセミナー資料 FC-4 より） 図4-10 ENAX 製リチウムイオン電池・L タイプセル
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４－３．燃料電池漁船の基本仕様と試設計
４－３－１. 既存船(一本釣り漁船(大分県国東))改造時の基本仕様 上記（4-2-1.）～（4-2-5.）を検討した仕様及び寸法を以下にとりまとめた。 なお、既存船と試設計漁船の基本仕様との比較は表 4-2 のとおりである。 ４－３－２. 改造時の重量比較と船速推定 既存船から燃料電池漁船に改造する場合には、搭載機器及び機材関係を新設すると共に不 要な機器については撤去することとなる。搭載重量の増減が排水トン数に関係し、船速に影 響する。従って、改造時には重量の増減を把握しておく必要がある。表 4-3 に改造時の搭載 機材等の重量増減をまとめた。 表 4-1 燃料電池漁船の主要機器の仕様及び寸法 表 4-2 既存船と試設計漁船の基本仕様 NO 項 目 既存船の要目 試設計の燃料電池推進漁船 備 考 ① 船体寸法 全長：L×B×D ９.４２×２.２８×0.８７ ← 登録：L×B×D ７.８４×２.２５×０.８７ ← ※総トン数 2.0 トン ② 原動機 搭載機関（定格出力） ４ＬＭ－ＨＴＺ (５３kW） ー 実用最大69.9kW/3200rpm 電動機出力 ー 定格４５kW（最大９０kW） 減速機（比率） （ i=1.61 ） ← ③ 水素燃料電池 ー 定格４５kW（最大９０kW） ※自動車用燃料電池搭載 ④ 燃料タンク 容量 軽油タンク １００リットル ー 水素タンク ー ２８０ℓ（ or １５６ℓ ） ⑤ ２次電池 バッテリー １２Ｖ×１２０A×３個 ー 機関室２個・舵機室１個 リチウムイオン電池 ー セル数６/３２４×１３６×４２ ⑥ 制御装置 ー １５０×４００×７００ ※燃料電池およびリチウム イオン電池の出力制御用 ⑦ 船尾装置 船尾 ドライブ装置（ＳＺ１６０） ドライブ装置（ＳＺ１６０） プロペラサイズ ３翼×１６×１７ (ｲﾝﾁ) ３翼×１６×（１７）（ｲﾝﾁ） ※ペラピッチは計算設定。 ⑧ 漁労・装備機器 発電機（主機前駆動） ２４Ｖ－９８０Ｗ ー 電動釣機（船尾設置） ２４Ｖ－２５０Ｗ ← ＜参考＞ 軽荷船速 （進水時 ２５.５ﾉｯﾄ）- 51 -
改造時の搭載機器及び機材関係の重量増減の計算結果、約 262kg 重量が増加することが判 明した。船速への影響を計算するため諸元を表 4-4 にまとめた。
- 52 - 現状船の出航時の排水量は、約 1,825kg(計算値)であり、重心位置は船体中央(ミッドシッ プ)から船尾側へ約 1.34m である。改造により、約 262kg 重くなり、水素高圧タンクを船体中 央付近に配置したため、重心が約 20cm 船首側に移動する。最大船速は、重量増加と出力の 減少により約 3.4 ノット低下するが、重心の移動による影響は少ないものと思われる。 電動モーターの定格回転数は 45kW、3,600rpm とし、最大出力は 90kW であるが、定格出力 時の回転数に対して 11％アップの 4,000rpm、60.7kW が舶用機関における実用最大出力に相 当するとしてプロペラ計算を実施した。表 4-5 に重心位置とプロペラ寸法を示す。 ４－３－３．改造要領図 試設計の段階では、改めて主体となる機器（表 4-1）について、設置位置や配置場所のスペ ースを考え、次葉の燃料電池漁船の機関部改造図と改造時の一般配置図を図 4-11 と図 4-12 に 示す。出来るだけ改造を少なくするため、電動機や燃料電池資部材を従来の機関室に納めた。 ただし、燃料電池を納めるために、機関室横のデッキを約 70mm 嵩上げした。また、水素燃料 タンク(35MPa・280ℓ)は、船体の隔壁改造を避けるため、一本釣りの用途では漁労作業に支障が 無いため、デッキ上に設置とした。 表4-4 船速推定諸元 表4-5 重心位置とプロペラ寸法
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- 55 - ４－３－４. 新造時の一般配置図 燃料電池漁船を新造船として建造する場合は、高圧水素ボンベを漁労作業上からもデッキ 下に収納出来るなど設計の自由度が広い。このため、水素ボンベ容量を確保し、併せて設置 スペースを削減するため、水素圧力を 35MPa から 70MPa として、４本の高圧ボンベ(40ℓ/本) を搭載することで、操業時間及び航行時間を延ばすことを考慮した。 また、改造時のデッキ上に設置する場合と比較すると、高圧水素タンク格納用の本体台、 カバー等の重量で 45kg は低減されると推定する。しかし、既存船より全体で 217kg 重くなる。 表 4-6 新造時の搭載機材等の重量（改造方式で試算）
- 56 - 船速推定諸元を表 4-6 に示す。 出航時の排水トン数に基づく、現状船と新造船を比較した重心位置の変化と船速の違い、 並びにプロペラ寸法を表 4-7 に示す。 燃料電池を納めるために、機関室周囲のデッキを全体に約 70mm 嵩上げするとともに、水素 高圧タンク(70MPa)を機関室前のデッキ下に納めた。このため、活魚艙が、現状よりも 800mm 船首側に移動したが、漁労作業の支障にはならないと判断した。 以下に作成した新造の場合の燃料電池漁船の一般配置図を図 4-13 に示す。 表 4-7 重心位置とプロペラ寸法 表 4-6 船速推定諸元
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