燃料電池システム「パフォーマンス・ウォリアー」の概要

これは、業界が「優れた燃料電池システムとは何か？」という核心的な問いに対して、より明確な答えを得たことを意味します。燃料電池システムは、実践的な行動によってこの問いに答えています。侯俊波博士は、自動車と発電という2つの主要なシナリオに焦点を当て、技術チームを率いて、システムの安定性、信頼性、水素消費量、故障率、寿命といったコア指標の設計とプロセスの反復を最適化し、自動車エンジンシステムと水素エネルギー貯蔵発電システムという2つの優れた成果を業界に提供しました。

自動車分野においては、30kW～235kWの出力範囲を持つ一連の燃料電池エンジンシステムの開発を完了しており、乗用車、路線バス、小型・中型・大型トラック、フォークリフト、トレーラー、建設機械など、多くの車両に幅広く使用できます。

自動車用燃料電池エンジン製品（左：70kW、右：235kW）

中でも、HYPSR-04型70kW車載システムを搭載した水素燃料電池バス17台は、最近、目覚ましい運行実績を上げています。これらのバスは、浙江省嘉興市嘉善県で約1年半にわたり連続運行され、総走行距離は80万キロメートル、平均水素消費量は3.7kg/100kmで、業界平均の5kg/100kmをはるかに下回っており、嘉善市の公共交通機関の省エネルギーと環境保護への変革に大きく貢献しています。

嘉善県バス

購入費用に加え、100キロメートルあたりのエネルギー消費量は、車両の最も重要な経済指標の一つです。燃料電池車の実用化を実現するためには、あらゆる段階でのコスト削減を継続的に推進するだけでなく、運転中の車両使用コストを削減し、水素消費量を減らして燃費を向上させることが非常に重要です。低水素消費の運転データは、燃料電池システムと車両出力のマッチングにおけるその高度な技術的基盤を証明しています。

さらに、実際の運行におけるこのバスのもう一つの特長は、故障率の低さです。70kWの水素燃料電池システムは、日常のバス運行のニーズを満たすだけでなく、長期間かつ高頻度での使用においても、大きな故障なく安定した効率的な電力出力を提供することができ、複雑な道路状況や変化する気候条件への適応性を証明しています。

「総走行距離は80万キロメートル、平均燃料消費量はわずか3.7kg/100キロメートルです。様々な環境下でのスムーズな運行は、当社の水素燃料電池技術の信頼性と実用性を証明する最良の証拠であり、水素燃料電池技術の大きな可能性を示すものでもあります。水素燃料電池の導入は、嘉善市および公共交通業界全体に大きな影響を与え、より多くの都市がクリーンエネルギーバスを採用するための重要な参考事例となるでしょう。」

新エネルギー車は開発初期段階で常に安定性や信頼性に関する疑問に直面するが、水素燃料電池車も例外ではない。燃料電池メーカーが発売する各車両は、市場性能試験だけでなく、地方自治体や事業者、ひいては業界全体からの信頼も試されることになる。

市場が信頼できる製品を製造し、自動車用燃料電池システムの安定性と耐久性を確保するために、Liyuan Technologyはシステムアーキテクチャ設計、故障診断メカニズム、および動作状況監視に並外れた努力と知恵を注ぎ込み、あらゆる段階を洗練させ、科学技術の力を活用して品質の基盤を構築し、安全性と信頼性を製品の際立った特徴としています。

「エンジン制御システムに故障診断フレームワークを構築しました。これにより、空気経路圧力異常、水素・空気圧差過大、水素圧異常、冷却回路圧力低下、冷却水温度上昇、ドレンバルブ詰まりといった主要な故障を迅速に診断できます。また、スタックへの損傷を可能な限り回避するため、重大な結果を招く可能性のある故障に対する保護対応メカニズムも設定しました」と侯俊波博士は指摘した。

同時に、各車載燃料電池システムにはTBOX（下図参照）が統合されており、より長い時間スケールでの性能低下をリアルタイムで監視し、制御システムに警告を発するとともに、対応する故障回復戦略を備えています。TBOXに基づくリアルタイムデータアップロードシステムは、燃料電池エンジンシステムの動作状態を遠隔監視し、遠隔での故障トラブルシューティングを実現します。同時に、絶えず拡大する動作データセットを使用して、そこに含まれる故障情報を分析、学習、マイニングし、データ駆動型インテリジェント診断メカニズムを継続的に改善することができます。

TBOXリモート端末監視システム

高い安定性、低い水素消費量、そして耐久性に優れた燃料電池システムという特性を持つこの燃料電池の「新参者」が、兆ドル規模の水素自動車市場への扉を開いたことは疑いの余地がない。

自動車用途に加え、固定発電用途も継続的に開発が進められている用途の一つです。GGIIは、2030年までに国内の燃料電池エネルギー貯蔵発電設備の累積設置容量が5GWに達し、2023年から2030年までの燃料電池発電システムの市場規模拡大が240億元を超えると予測しています。

モジュール化、インテリジェンス、安定性と耐久性、信頼性という4つの主要な性能に焦点を当てた固定式発電システムは、すでに水素エネルギー貯蔵市場に参入している。

キャビネット型発電モジュールの定格出力は100kW、出力は380V ACです。コンテナ型モジュールの定格出力は1MW、出力は10kV ACです。

キャビネット型発電モジュール（左）、コンテナ型発電モジュール（右）

発電モジュールは独立して動作し、複数モジュールの並列拡張に対応しています。変圧器設備や蓄電ユニットと組み合わせることで、100kWから100MWまでの分散型発電容量を柔軟に展開できます。標準化された生産、統合輸送、簡単な現場施工といった特長を備えています。

第二に、各発電モジュール製品は独立した自己整合制御機能を備えており、発電システム全体のインテリジェンスを確保することで、水素消費量と減衰量の削減という目的を達成します。

コンテナ型モジュールには4つの燃料電池システムが内蔵されています。マイクログリッドコントローラは外部コマンドを受信し、各燃料電池システムとインバータに制御信号を送信します。複数のモジュールを並列運転する場合、各燃料電池システムの運転データはモジュールレベルに浸透し、高速かつリアルタイムで総合的なインテリジェントエネルギー管理システムに接続され、クラウドベースの集中型スケジューリングと遠隔操作・保守を実現します。

インテリジェントなエネルギー管理システムは、スタックレベルで各燃料電池の出力電力をリアルタイムで最適化し、各スタックの平均効率を向上させ、システム全体の水素消費量を削減するとともに、電力変動率の制約を考慮してスタック性能の劣化を遅らせます。システムレベルでは、エネルギー管理システムは電力消費モードを自己適応させる機能を備えており、電力消費特性に応じて最適な発電モードを自動的に選択することで、頻繁な起動・停止、頻繁な負荷変動などの高損失状態を回避します。

第三に、固定発電用途では、燃料電池製品の安定性と耐久性に対して極めて高い要求が課せられます。Liyuan Technologyは、材料、部品、システムレベルに至るまで最適化を行ってきました。例えば、膜電極研究開発チームは、PEM、GDL、触媒などの主要原材料の選定やMEAの構造最適化を通じて、固定発電所に必要な長寿命MEAを提供する4層フレーム構造の膜電極を開発しました。また、起動・停止、負荷変動、高負荷・低負荷などの運転条件下でのシステムの応答戦略を最適化することで、プロトン交換膜、触媒、ガス拡散層などの材料の損失を回避し、スタックの寿命を延ばしています。

第四に、システム設計および制御レベルでは、燃料電池スタックの信頼性を向上させるために、さまざまな手法が組み合わせて用いられている。

空気供給システム向けに、空気圧縮機と背圧弁の協調制御方式が開発された。この方式では、空気流量と吸気圧の分離を実現できるため、両者がシステム要求に迅速かつ正確に対応できるだけでなく、運転条件や環境条件が大きく変化した場合でも高い堅牢性を維持し、負荷変動時の空気供給不足による煙突の損傷を効果的に回避できる。

水素循環システム向けに、水素排出弁の開弁タイミングと比例弁開弁タイミングを正確に一致させ、水素排出弁の開弁によって生じる膜電極両側の圧力変動を効果的に抑制し、膜電極の穿孔リスクを大幅に低減する、水素排出弁比例弁フィードフォワード＋適応閉ループ制御方式を開発した。

膜の水分含有量を監視するための状態オブザーバが設計されており、陽極水素流量推定値と陰極スタックの入口および出口圧力差に基づいてスタックの陽極側と陰極側の液状水分含有量を推定し、水素排出バルブの開弁時間と空気過剰率を調整することで膜の水分含有量を適切な範囲内でリアルタイムに制御し、膜の乾燥および浸水故障の頻度を効果的に低減します。

「当社の燃料電池発電システムは、真に安定かつ信頼性が高く、様々な規模の固定発電所に適しています」と、李源科技は結論付けた。

同社の工場エリアで行われているゼロカーボンスマートエネルギー実証プロジェクトにおいて、水の電気分解による水素製造と燃料電池発電技術を組み合わせた発電所プロジェクトが安定稼働しており、電力→水素→電力変換効率は35%に達し、業界において明らかに高い効率性を実現していることが分かっている。

産業界においては、長期エネルギー貯蔵技術の代表例として、水素エネルギー貯蔵が新たなエネルギー貯蔵に対する公式支援の対象となっている。水素の製造・貯蔵・輸送コストの削減に伴い、分散型発電装置の普及が期待される。

燃料電池発電の実用化はまだ発展途上の段階にあり、克服すべき多くの困難や課題を抱えているものの、業界のパイオニアとして、先見の明と確固たる姿勢で応用シナリオを深く探求し、技術的な困難を一つずつ克服することで、燃料電池発電の実用化に向けた確固たる道を切り開いてきた。