洋马的氢燃料电池测试船
近年来，世界各国都在努力减少温室气体排放，以实现碳中和的社会。包括日本在内的123个国家和地区已经宣布了到2050年实现温室气体净零排放的目标，世界各地正在为实现这一目标制定减少化石燃料使用的政策。例如，欧盟委员会最近宣布计划在2035年前禁止销售汽油和柴油发动机的新车。与此同时，氢作为一种可以替代化石燃料的清洁能源正吸引着全世界的关注。
日本洋马开发了一种燃料电池技术，该技术使用氢来发电，以实现碳中和社会。
本文介绍了船用氢燃料电池系统的研制及其示范试验。在幕后，不仅Yanmar集团内部，还与政府、地方当局和代表相关行业的私营企业进行了大量合作。
人物概述
Takehiro Maruyama （以下简称：丸山）
洋马控股新能源集团、基础技术研究中心、创新科技部。
2016年加入洋马，凭借此前在燃料电池系统开发方面的经验，自2018年起担任船用氢燃料电池系统开发项目负责人。
Takuya Hiraiwa（以下简称：平川）
洋马动力科技产品事业部系统工程事业部
2012年加入洋马，曾参与国土交通省资助项目。在这个项目中，他主要负责安全设计，以满足与船用氢燃料电池系统开发相关的指导方针和标准。
Yukihiko Kimura（以下简称：木村）
海事集团，解决方案开发部，洋马国际海事亚洲公司。
2013年加入洋马。从事休闲游艇的开发、测试和规划工作。他参与了各种新船开发项目。在这个项目中，他负责设计示范船体。
洋马船用氢燃料电池系统的开发历程
在航运领域，国际海事组织于 2018 年通过了温室气体减排战略，旨在本世纪尽早实现国际航运零排放，到 2030 年将单位运输排放量至少降低 40%，总温室气体排放减少至少50%，这两项指标均基于2008年的排放水平。最近，有关于提前计划的讨论。与此同时，在城市地区、环境保护区和大型港口，尤其是在欧洲和美国，也出现了减少 NOx 排放的运动。
洋马参与了由日本国土交通省 (MLIT) 和环境部 (MoE) 资助的项目，以开发船用燃料电池系统技术，进行燃料电池动力船的示范测试，并研究岸到船的氢燃料补给程序。
丸山：2015年至2017年，洋马参与了一个项目，研究制定《氢燃料电池船舶安全指南》。然后，我们加入了一个由环境部资助的“船用氢燃料电池部署路线图”项目。基于这些经验，我们于 2019 年启动了一个项目，使用丰田 MIRAI 燃料电池汽车的组件在试验船上开发和测试船用氢燃料电池系统。
洋马的船用氢燃料电池系统开发
氢作为新一代能源的优势
氢作为新一代能源具有巨大的潜力：它是地球上最丰富的元素，它可以由太阳能、风能或地热等可再生能源产生的水和电能，使用时无二氧化碳排放。
问:为什么洋马要开发一种船用氢燃料电池系统?
丸山：可以想象，碳中和的规定可以在洋马的业务领域中建立，就像汽车行业一样。如果发生这种情况，我们就有责任为我们的客户提供解决方案，使他们能够继续他们的业务，而不是被说成我们对解决环境问题没有贡献。我们相信氢燃料电池系统将是实现可持续发展社会的最佳脱碳解决方案之一。
平川：我们的全球竞争对手已经在为实现碳中和社会采取行动。这不仅对洋马来说是一个重要的机会，对日本来说也是一个重要的机会，通过进入这个新市场，我们可以大幅扩大我们的业务组合。传统上，洋马的商业模式是基于内燃机，但我们正着手将自己转变为一个动力总成解决方案供应商，而不仅仅依赖于发动机。
木村：通过在一艘真正的船上安装燃料电池系统并进行测试，我们可以获得许多见解并发现未来产品开发的重要问题。此外，在这次示范活动中所获得的经验和发展的技术，是提高我们在未来碳中和社会中的竞争力的重要资源。
问：船用氢燃料电池在动力系统电动化方面有什么优势?
丸山：动力系统的电动化是碳中和社会的重要组成部分。目前的电动汽车主要使用锂离子电池，但在船舶等需要长时间连续输出大功率的应用中，锂离子电池的能量密度和充电时间表现较差。另一方面，氢气的优点是能量密度大得多，而且加注时间短得多。因此，氢燃料电池有望在这些优点特别重要的应用中得到应用。此外，与传统发动机不同的是，由于电力是在电化学过程中产生的，因此几乎没有噪音、振动或废气气味。这些优势将创造新的客户价值。
洋马集团、政府和私营部门致力于建造一艘示范船，以实际实施船用氢燃料电池系统。
正如日本政府在《基本氢战略》中所述，有必要：建立安全指导方针，制定一份扩大氢能使用的路线图，根据路线图开发和演示技术。
洋马参与了这些倡议，并积极参与了国土交通省 (MLIT) 和环境部 (MoE)项目。尽管存在各种各样的技术和监管障碍，但洋马与汽车和氢燃料电池已经应用的氢基础设施行业的公司，以及政府、行政机构和其他公司一起克服了这些障碍。
问：安全指南是如何制定的?
平川：造船时，必须遵守政府和相关机构制定的规则和指导方针。国土交通省认为，在第一阶段，氢燃料电池系统将用于较小的船艇，而不是较大的船舶。2015年，洋马加入了一个联合体，开发了“氢燃料电池船舶安全指南”的框架。由于这是第一个考虑这种指导方针的项目，项目团队努力寻找前进的方法。例如，有这样的问题：“如果氢燃料电池浸在海水中会发生什么?”“如果船摇晃、倾斜怎么办?”“如果发生氢气泄漏怎么办?”项目小组通过实验室的组件测试和现场测试对这些问题进行了调查。基于这些结果，我们与国土交通省讨论了安全指南的框架。
该试验船用于开发氢燃料电池船舶安全准则框架的项目
配备氢燃料电池系统的示范船
在日益向碳中性社会转变的大环境下，洋马及其合作伙伴完成了安全指南的制定工作。洋马接下来加倍努力开发船用氢燃料电池系统。这些安全指南不仅定义了氢燃料电池系统的要求，而且还定义了其在船舶上安装的要求。因此，洋马决定建造一艘示范测试船来考虑所有这些因素。然而，仅靠创新和技术部项目的最初成员和洋马动力技术公司，建造示范测试船是不可能的。
问:许多人参与了示范船的建造，是吗?
丸山：为了建造一艘示范测试船，我们几乎必须开发一种全新的船型。不仅要开发燃料电池系统，还要开发锂离子电池、电机等部件和电源管理软件电动动力系统。”我们还必须设计一个新的船体，这艘船需要一个特殊的氢燃料补充设施。由于最初的项目成员无法单独完成这些任务，我们咨询了公司内外的许多人，以获得他们对项目的支持和参与。有些人最初对与我们合作犹豫不决，因此我们反复解释了这次演示测试的意义和我们对未来的愿景。最终，我们能够在洋马集团内部以及与外部合作伙伴（如丰田汽车公司、岩谷公司、丰田通商公司和许多其他公司）达成许多合作关系，而 国土交通省和大阪府政府也大力支持了这个项目。
关于示范试验船的船体设计，我们邀请了来自洋马国际海事亚洲公司的木村，他在设计各种新型试验船方面有丰富的经验。
问:建造这艘示范船最困难的部分是什么?
木村：推进动力系统的部件与传统的柴油发动机驱动的船有很大的不同，后者是在成熟和标准化的过程中设计的。在燃料电池示范船的情况下，燃料电池系统、电机、逆变器、配电箱、电池组和氢气罐等许多部件必须安装并协同工作。而燃料电池船的设计没有标准化的流程，但即便如此，我们也必须确保船在现场任何操作条件下的安全。
丸山：建造中最重要的一点是要满足基于准则的船的安全设计要求。这也是获得演示测试批准所必需的。Hiraiwa通过与交通省和日本小型船舶检验及机构 (JCI) 进行沟通来处理这一点。
木村：在实践中，我们发现指导方针中的一些要求对这种类型的船不现实。在这种情况下，我们提出了替代设计，以确保与指南要求的安全水平相同。Hiraiwa负责与MLIT和JCI的协调工作。
很难找到空间来安装八个氢罐。该指南要求船的侧壁和舱底有一定的间隙，以确保罐在碰撞或搁浅的情况下不被损坏。
平川：最后，所有组件都正确地安装在甲板下。施工从零开始——没有先例。这根本不像在改进一艘传统的柴油发动机船。我真的很佩服木村以创新的想法从零开始设计这艘船的能力。
示范试验船的建造
问:Covid-19大流行也是一个主要障碍吗?
丸山：我认为木村在大流行中遇到了很大的麻烦。他的工作地点在大分（Oita ），距大阪和我的工作地点志贺市约500公里。船体是在大分设计的，而包括氢燃料电池系统和锂离子电池系统在内的大部分组件是在大阪和滋贺县设计，并在滋贺制造和测试。由于疫情，木村无法旅行，所以他不能亲自查看零部件。
木村：在船体设计过程中，了解部件的详细规格非常重要，比如它们的工作温度、重量、振动特性以及它们的使用方式。Maruyama分享了大量的照片和数据，这样即使我无法亲自检查它们，我仍然可以很好地了解这些组件。
示范试验船在建造阶段
示范试验船完工
在众多合作伙伴的支持下，项目团队的努力取得了成果，这艘具有未来感的示范试验船的建造工作成功完成。该船获得了JCI的批准，并于2021年3月开始进行示范试验。
问：你对完工的船有什么印象？
木村：我的同事们说：“一艘 38 英尺的船用一台电动发动机可以以20节以上的速度行驶，这太不可思议了。”当然，航行的过程中没有柴油的味道，也没有烟味，而且非常安静。此外，由于电动发动机的特点，与柴油发动机驱动的船相比，加速相当好。我想乘坐这艘船的人会喜欢它的舒适性。
加氢设施
问:你参加了哪些测试，在示范测试中你学到了什么?
丸山：首先我们在大分进行了试运行，包括对电动动力总成控制软件的调整，然后验证了氢燃料电池系统在实际航行条件下的性能。去年9月，该测试船被转移到大阪湾，我们为该船添加了70MPa高压氢气加氢站(这是世界上第一个此类船舶应用示范)。这艘船的航行路线连接了大阪-关西世博会的计划地点和城市沿岸的旅游景点。这些试验的结果将用于未来船用氢燃料电池系统产品的开发和船舶氢燃料补给基础设施的研究。
特别是，我们在大阪湾举行了一场媒体活动，得到了世界各地的热烈响应。我们愿意与这些人一起努力，建立一个碳中和的社会。
70MPa高压加氢试验
平川：与单纯的桌面研究相比，我们通过建造并测试演示船学到了很多东西。此外，通过我们的媒体活动，我们不仅得到了潜在客户的联系，还得到了日本和海外的各种氢能和海事组织的联系。我意识到实际完成演示的影响，并且感觉我们已经通过设计、构建和演示测试的过程实际上增强了我们的能力并获得了很多经验。
木村：示范船是如此的安静，我们可以听到海洋的自然声音。这是你在柴油发动机驱动的船上无法体验到的。从船上建筑、航行和服务的角度来看，由于这艘船包含了许多柴油动力船没有安装的组件，而且船的实际重量更重，我们需要开始思考如何使燃料电池系统和组件更轻、更紧凑。
高压加氢示范
迈向碳中和社会
在世界各地，技术的开发和商业化继续朝着实现碳中和社会的方向发展。动力传动系统的电气化是最重要的课题之一。洋马采用氢燃料电池系统的电力动力系统不仅将用于船舶，还将用于陆地应用。
氢燃料电池系统及业务目标
2023年：300千瓦级船用氢燃料电池系统的商业化。
2025年：在大阪·关西世博会和碳中和港口等地部署。
300kw级船用氢燃料电池系统图像
问:你想用氢气实现什么目标?
丸山：最终目标是完成我们向碳中和社会的转变。在我们的业务领域，第一步是船用氢燃料电池系统的商业化。我们认为我们可以将技术和业务扩展到陆地应用，比如发电机组。
通过这个示范项目，我们与相关行业和政府机构建立了许多合作关系。我想采取各种方法，在这些关系的基础上，实现碳中和社会。
平川：我认为我们的使命是开发结合氢燃料电池系统和氢发动机等的动力总成系统，并将其推向全球市场。
木村：我希望在港口和码头部署船用加氢站。就目前而言，氢燃料电池驱动的船能前进多少并不重要，开发船用的氢基础设施是一个重要课题。
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