米国における新エネルギーを利用した動力機関に関する技術開発動向調査

２００７年３月

社団法人 日本 舶 用 工 業 会

刊行によせて
当工業会では、我が国の造船関係事業の振興に資するために、競艇公益資金による日本財団の助成を受けて、「造船関連海外情報収集及び海外業務協力事業」を実施しております。その一環としてジェトロ船舶関係海外事務所を拠点として海外の海事関係の情報収集を実施し、収集した情報の有効活用を図るため各種調査報告書を作成しております。
本書は、当工業会が日本貿易振興機構と共同で運営しているジェトロ・ニューヨー
ク・センター舶用機械部にて実施した「米国における新エネルギーを利用した動力機関に関する技術開発動向調査」の結果をとりまとめたものです。
関係各位に有効にご活用いただければ幸いです。
2007 年 3 月
社団法人

日 本 舶 用 工 業 会

は

じ

め

に

最近、新エネルギー源のひとつである水素燃料を輸送機関のエネルギー源として実用化するための技術開発が世界各国で進め始められています｡この動きは､これまで輸送機関のエネ
ルギー源は石油を中心とした化石燃料に依存してきましたが､地球温暖化､大気汚染といった環境問題､高効率なエネルギーの安定供給といったエネルギー安全保障の観点から､燃料電池を用いてクリーンで高効率な水素燃料に転換するというものである｡
水素燃料の実用化に向けては､燃料電池､改質器､水素貯蔵装置等の要素技術の開発が不可
欠である他､色々な種類の要素技術を社会システムの中で如何に組み合わせてどのような形
で水素を生成し供給するかと言った水素燃料供給システムの構築が必要で、またそのための大規模なインフラの整備が必要です｡
今米国では､ブッシュ政権が水素燃料を実用化し輸送エネルギーを化石燃料から水素燃料に転換するため､2020 年を目標にそのインフラ整備をはじめ燃料電池、水素燃料供給システ
ム等の技術開発を進めており、それに向けて水素燃料の生産､貯蔵､輸送､供給といった総合的な研究開発が実施されているところです。また､舶用部門への応用については､運輸省海事局で研究開発が行われている他､海軍では潜水艦に燃料電池が適用されています｡
本調査では､世界のエネルギー政策をリードする米国での水素燃料実用化について､社会全体でどのような体制で研究開発が行われているか調査しました｡そして、運輸省や海軍で具体的にどのような舶用燃料電池が研究開発されているか調査しました｡
我が国の造船､舶用メーカーが、世界の水素燃料実用化動向をキャッチアップしつつ、今後とも国際競争力を保持するために技術開発をなされるに際しまして、この調査結果がお役に立てば幸いです｡

ジェトロ･ニューヨーク・センター

舶用機械部

Director

渡田滋彦

Researcher

上野

まな美

目

次

1. 米国における水素燃料実用化のための要素技術開発に関する背景 ·················· 1
1-1 概要と背景 ······························································· 1
1-2 水素の生産方法 ··························································· 1
1-2-1 化石燃料（fossil fuels） ··············································· 1
1-2-2 電気分解（electrolysis） ··············································· 2
1-2-3 熱化学製造（thermochemical production） ······························ 2
1-3 水素の貯蔵（storage） ···················································· 2
1-3-1 アンモニア・ストレージ（ammonia storage） ··························· 3
1-3-2 金属水素化物（metal hydrides） ······································· 3
1-3-3 合成炭化水素（synthesized hydrocarbons） ····························· 4
1-4 輸送（transportation） ··················································· 4
2. 燃料電池に関するブッシュ政権の動き ·········································· 6
2-1 年頭教書で強調された水素燃料イニシアティブ ······························· 6
2-2 水素燃料イニシアティブ ··················································· 6
2-2-1 水素燃料イニシアティブの課題 ········································· 6
2-2-2 米国のエネルギー保障 ················································· 6
2-2-3 水素燃料の利点 ······················································· 7
3. 議会による水素経済の推進環境の整備··········································· 9
3-1 2005 年エネルギー政策法 ·················································· 9
3-2 作業部会の発足 ··························································· 9
3-3 予算 ····································································· 9
4. エネルギー省の水素燃料関連政策 ·············································· 10
4-1 エネルギー省の水素プログラム（DOE Hydrogen Program） ·················· 10
4-2 水素プログラムの新規プロジェクト ········································· 11
4-3 水素経済国際パートナーシップ（IPHE）···································· 11
4-4 連邦水素諮問委員会と連邦合同作業部会 ····································· 12
4-5 全米研究評議会（National Research Council）による精査 ···················· 12
4-6 21 世紀トラック・パートナーシップ(21st Century Truck Partnership)········· 14
4-7 水素コストの見通し ······················································· 15
4-8 燃料電池の大量生産コスト ················································· 16
4-9 カギとなる技術的課題に関する基礎研究 ····································· 16
4-10 石炭から水素を作るプロジェクト ·········································· 17
4-11 2005 会計年度の原子力水素研究（Nuclear Hydrogen Research） ············· 19

4-12 H2A モデル・サポートの透明性 ··········································· 20
4-13 水素プログラムの開発能力 ················································ 20
4-14 DOE 水素プログラムのウェブサイト ······································· 21
4-15 2005 年の実態精査 ······················································· 21
5. カリフォルニア州燃料電池パートナーシップ（The California Fuel Cell
Partnership）······························································· 22
5-1 カリフォルニア州燃料電池パートナーシップの組織 ··························· 22
5-2 カリフォルニア州燃料電池パートナーシップの動向 ··························· 23
5-3 カリフォルニア州燃料電池パートナーシップの目標 ··························· 23
6. UC デイビスの H2 パスウェイズ・プログラム（Hydrogen Pathways Program）···· 24
6-1 H2 パスウェイズ・プログラム·············································· 24
7. MARAD のエネルギー技術プログラム ·········································· 25
7-1 エネルギー技術プログラムの概要 ··········································· 25
7-2 エネルギー技術プログラム(排ガス対策一般) ································· 26
7-2-1 サンディエゴでの水中翼船 ············································· 26
7-2-2 バイオディーゼルと水噴射システム ····································· 26
7-2-3 ニューヨーク市港湾民間フェリー排ガス抑制プログラム ··················· 26
7-2-4 大型船の旧式ディーゼル・エンジン改造（Large Vessel Diesel Engine
Retrofit）···························································· 27
7-3 燃料電池の安全基準適合性 ················································· 27
7-3-1 試験の結果 ··························································· 27
7-3-2 試験結果の概要 ······················································· 27
7-3-3 結論 ································································· 28
7-4 MARAD の燃料電池開発··················································· 29
7-4-1 米商船アカデミーでの研究 ············································· 30
7-4-2 サンフランシスコの排ガス・ゼロ・フェリー ····························· 30
7-5 米海軍艦艇システム司令部(Naval Sea Systems Command：NAVSEA) ········· 31
8. 米海軍の燃料電池研究開発 ···················································· 33
8-1 概要 ····································································· 33
8-2 フュエルセル・エナジーと海軍の契約 ······································· 36
8-3 フュエルセル・エナジーとの新契約 ········································· 36
8-4 海軍研究局による燃料変換機の研究 ········································· 39
8-5 米エネルギー技術研究所 ··················································· 39

1.

米国における水素燃料実用化のための要素技術開発に関する背景

1-1 概要と背景
水素経済（hydrogen economy）は、貯蔵可能なエネルギーとして水素を活用し、各種輸送機関にそれを適用することを狙う近未来のエネルギー・システムである。現段階では、ガソリンやディーゼルで走る自動車の代替燃料として研究されている。
水素の生産は急成長中の産業であり、特にアイスランドやドイツ、日本、カナダ、そして米国（主にカリフォルニア）で研究が盛んに行われている。2004 年、水素は全世界で約 5000 万トン（200 ギガワットに相当）が生産された。現在、年間増産率は約 10％と言われている。米国の水素生産量は 2004 年、約 1100 万トンで、それは 48GW（ギガワット）に相当する。2003 年の米国の電力生産量が 442GW だったことを考えると、約１割の電力をまかなうのに相当する量の水素が生産されたことになる。
米国では現在、水素の貯蔵器（storage）及び輸送（transport）にかかる費用が非常に高くつくため、ほとんどの水素は生産地ですぐに使用される。実際には、生産する会社がそのまま自社で消費しているのが実態である。2005 年初頭、水素の経済価値は１年当た
り約 1350 億ドルと見られる。生産される水素の 48％は天然ガスから作られ、30％が油、18％が石炭、そして４％が電気分解による。
今日、水素の主要用途には二つある。一つは、ハーバー製法（Haber process）によるアンモニア（NH3）生産（化学肥料の生産が目的）で、生産される水素の約半分がそれに使われる。残り半分は、重油を燃料向けの軽い石油に変換（hydrocracking）するために使われる。

1-2 水素の生産方法
水素を生産する主要方法には、化石燃料の改質をはじめ、水の電気分解、そして熱化学製造という三つがある。
1-2-1 化石燃料（fossil fuels）■水蒸気改質（steam reforming）
商業向けに生産される大量の水素は通常、天然ガスの水蒸気改質による方法が用いられる。水蒸気が摂氏 700～1100 度でメタン（CH4）と化学反応を起こし、合成ガス（syngas）
が作られる。合成ガスは、主に水素と一酸化炭素（CO）で構成される。つまり、合成ガ
スを作ることは水素を作ることでもある。化学反応に必要な熱は、天然ガスを燃やすことで得られる。次にその化学式を示す。
CH 4 + H2 O → CO + 3 H2 - 191.7 kJ/mol■一酸化炭素（carbon monoxide）
摂氏 130 度前後で水蒸気と一酸化炭素（CO）が有機反応を起こし、水素と二酸化炭素を作ることによる方法である。換言すれば、酸素原子が水蒸気から離脱し、炭素を酸化させ、もともとは炭素と酸素と結合していた水素を自由にさせる化学反応を起こさせるというものである。
CO + H 2 O → CO2 + H2 + 40.4 kJ/mol－1－

■石炭（coal）
石炭のガス化（気化）によって石炭を合成ガスとメタンに変換する。
1-2-2 電気分解（electrolysis）
水を電気分解することで水素を作る方法である。水素を作るためのエネルギーの元になるものが化学物質なら化学反応によって水素を作るのが最も効果的かつ安価だが、それが機械（例えば風力タービンなど）の場合、水を電気分解するしかない。電気分解のために必要な電力は、電気分解によって生産される水素より高価なため、現在、電気分解による水素生産は極めて少量である。
一方、エネルギーの元になるものが熱（例えば太陽熱や原子核など）の場合、現段階では高温電気分解（high-temperature electrolysis:HTE）が唯一の方法である。低温電気分解と比較すると、水の HTE は、より多くの最初の熱エネルギーを化学エネルギー（つまり水素）に変換するため、効率性を 2 倍にする潜在的可能性がある。HTE でのエネル
ギーのいくつかは熱という形で供給されるため、熱から電気へと電気から化学フォームへと２回変換され、エネルギーが失われる。HTE は研究室で実験されているが、商業利用されるにはほど遠い段階である。
1-2-3 熱化学製造（thermochemical production）
ヨウ素－硫黄反応（iodine-sulfur cycle）のような熱化学製造法によっても電気を使わずに水素と酸素を作ることができる。
IS 反応による同方法には三つの過程がある。まず、摂氏 100 度で水とヨウ素の混合物により二酸化硫黄を吸収し、ヨウ化水素と硫黄を作る反応を起こさせ、次に、摂氏 400〜500度でヨウ化水素を熱分解して水素を得て、最後に、摂氏 850 度の熱を使って硫黄を分解することで酸素を作る。
この方法に必要なエネルギーは熱だけであるため、高温電気分解よりも効率が良い。石炭や天然ガスといった化学エネルギーを使った熱化学反応による水素生産は、直接化学反応（direct chemical path）の方が効率的であることから一般的には考慮されない。また、研究室では何種類かの熱化学水素製造法が実験されたが、実際の水素生産ではいまだ実用されていない。

1-3 水素の貯蔵（storage）
水素経済にとって水素の貯蔵方法は主要課題の筆頭である。風力のように予測困難なエ
ネルギー源の場合、グリッド・エネルギー・ストレージ（grid energy storage）を供給す
るために水素が果たす役割に着眼する動きもある。グリッド・エネルギー・ストレージとは、発電所の電力輸送グリッドを補足するために用いられる多種多様なエネルギー貯蔵技術の総称である。グリッド・エネルギー・ストレージのために水素を使うことの難しさは、
パワーを水素に変換したり水素をパワーに変換することが非常に高くつくことである。
例えば、炭化水素（hydrocarbons）は通常、使われる場所で貯蔵される。自動車のガソ
リン・タンクや、バーベキュー・グリルの側面に取り付けられているプロパン・タンクと同じである。その点、水素は、現段階の技術を持ってすると、貯蔵したり輸送することが－2－

非常に高価となる。水素ガスのエネルギー密度は、炭化水素と比べた場合、重量でみると非常に高いが、体積でみると密度はかなり低い。つまり、貯蔵するには非常に大きなタンクが必要になる。換言すれば、水素タンクは、同じエネルギーを持つ炭化水素を貯蔵するのに必要なタンクよりはるかに大きく重くなる。
ガス圧を増せば、体積当たりのエネルギー密度は高まり、従ってタンクを小さくできる
ものの、タンクを軽くすることはできない。ガスに圧力を加えるには、圧力機を働かせるためのエネルギーが必要となる。高い圧力をかけることは、加圧段階でのエネルギー喪失を意味する。
そこで、体積当たりのエネルギー密度が高い液体水素（スペース・シャトルに使われる燃料）を使うという代替案が浮上する。しかし、液体水素は低温で、摂氏マイナス 252.882
度で沸騰してしまうため、その沸点以下に冷却するのにエネルギーを使うことになる。ということは、液化時点でエネルギーがすでに失われている。そのため、液体水素タンクの場合、燃料の沸騰を妨げるためにタンクやその周囲に断熱加工を施す必要があり、さらに、断熱加工がきちんと機能しない場合、タンクが凍るため金属疲労や腐食が激しくなる。仮に、それらの問題が解決されたとしても、現段階においてはエネルギー密度の問題を解決することはできない。
現段階では、水素の主な貯蔵手段には、アンモニア、金属水素化物、合成炭化水素の活用が考えられる。
1-3-1 アンモニア・ストレージ（ammonia storage）
アンモニアは、水素を化学的に保存して改質器に入れるのに使われる。また、アンモニ
アは水素保存の密度を非常に高くできるだけでなく、水と混合させることで液体として室温室圧で保存できる。しかも、有害物質を出すことなく水素を作り、さらに、現存の燃料と混ぜることもでき、効率よく燃焼する。しかし、純粋なアンモニアの燃焼効率は通常の気圧の中では非常に悪い。自動車エンジンの中で加圧された状態なら、ガソリン・エンジ
ンを少し改良すれば燃料としても使える。
アンモニアの問題は生産コストが非常に高いことと、現存する輸送の基幹設備を巨大な新しい輸送設備に取り替える必要があることである。また、アンモニアは通常の温度と圧力下では有害ガスであり悪臭を放つという問題点もある。
1-3-2 金属水素化物（metal hydrides）
水素を貯蔵するため、純粋な水素の代わりに金属水素化物を媒体として使う方法も考えられている。水素化物は扱いやすく、水素を吸収したり放出するのも簡単である。何種類
かの金属水素化物は、燃料補充に便利な液体状にもなり得るし、その他の種類は小球状の固形にもなる。現在、水素経済のために提言されている金属水素化物はホウ素とリチウムを含有するものである。体積当たりのエネルギー密度も高いのが長所だが、炭化水素燃料に比べて重量当たりのエネルギー密度が低いことが難点である。
固形型金属水素化物は、自動車エンジンにとっては期待の大きな燃料として考えられる。
金属水素化物のための燃料タンクは、ガソリン・タンクに比べると、同じエネルギー量を出すためには体積で 3 倍、重量で 4 倍になる。従来型ガソリン・タンクは鉄から作られ何－3－

十キロの重さでおさまり、製造費も１キログラム当たり 2.20 ドルしかかからない。しかし、金属水素化物タンクは現在、リチウムを多用して作られ、１キログラム当たり 90 ドルもの製造コストがかかる。
金属水素化物は燃焼によって反応を起こし、人体にとって有害でもある。研究者の間で提案され続けているものの、ほんの一部でさえもまだ実用化に至っていないのはそのためである。反応の過敏さは金属水素化物の種類によって異なるが、人体に安全な反応水準の金属水素化物は皆無である。
1-3-3 合成炭化水素（synthesized hydrocarbons）
金属水素化物の代替策としてもう一つ考えられるのが、水素を運ぶ媒体として通常の炭化水素を使う方法である。小さな改質器で炭化水素から水素を抽出し燃料電池に送るというものである。ただ、改質機の処理速度は非常に遅い上、改質段階におけるエネルギー喪失も大きく、さらに、燃料電池の価格も高くつく。
直接メタノール燃料電池（direct methanol fuel cells）は改質器を必要としないが、現在の燃料電池に比べてエネルギー効率もパワー密度も低い。
固形酸化物燃料電池（solid-oxide fuel cells）は、改質器なしでプロパンやメタンのよ
うな軽炭化水素を燃料にできる。あるいは、部分的に改質器を使うことで高炭化水素を燃料にできる。しかし、電池が高温になることと作動するのに時間がかかるため、自動車に使える電池ではない。

1-4 輸送（transportation）
近未来における長距離走行の場合、水素はエネルギー源として輸送するには非常に高くつく。燃料電池の技術開発はその点をまだ解決するに至っていない。
2005 年末現在、エネルギーを運ぶ手段として最も安いのがウラニウムを鉄道で輸送することだが、原子力には放射能という問題が常につきまとう。次に安いのが、パイプライ
ンか巨大タンカーによる石油又はパイプラインによる輸送である。石炭を鉄道又はタンカーで運ぶのも同等に安価である。液体天然ガス（LNG）をタンカーで運ぶのはやや高価になると同時に、LNG の需要がもっと安定し浸透する必要がある（つまり、LNG を使う機器がもっと増えなければならない。特に住居向け暖房用燃料や台所の料理用火元として）。
水素は、現存するいかなるエネルギーよりも輸送コストが高くなる。天然ガスと比較す
ると、同じエネルギーを輸送する場合、体積の面で水素は天然ガスの 3 倍にもなる。しかも、水素は鉄の劣化を加速させるため特殊加工の容器が必要となり、保管費用も高い上水
素漏洩発生率も高い。

－4－

出典：Hydrogen from Coal Multi-Year RD&D Plan
(www.fossil.energy.gov/.../fuels/publications/programplans/
2005/Hydrogen_From_Coal_RDD_Program_Plan_Sept.pdf )図 1-1

水素燃料輸送コスト

－5－

2.

燃料電池に関するブッシュ政権の動き

2-1 年頭教書で強調された水素燃料イニシアティブ
ブッシュ大統領は 2003 年、施政演説（年頭教書）の中で、予算総額 12 億ドルの水素燃料イニシアティブ（hydrogen fuel initiative）を発表した。自動車及びトラックをはじめ、一般家屋や企業活動の電力源を、外国産の原油に依存せず、かつ、公害や温暖化ガスの排出を最小限に抑えながら、商業化可能な技術による水素燃料でまかなうための技術開発を目指すものである。
水素燃料イニシアティブの予算には、向こう５年間に新たに投じられる 7 億 2,000 万ドルが含まれる。その追加予算は、燃料電池に必要な水素の生産、貯蔵及び輸送するための技術及び基幹設備の開発のために費やされる。
水 素 燃 料 イ ニ シ ア テ ィ ブ を 既 存 の フ リ ー ダ ム カ ー （ FreedomCAR （ Cooperative
Automotive Research））イニシアティブと組み合わせることで、水素燃料電池や関連の基幹設備、そして、より高度な自動車技術を開発するために向こう５年間に総額 17 億ドルを投じることを提唱した。

2-2 水素燃料イニシアティブ
2-2-1 水素燃料イニシアティブの課題
ブッシュ大統領のイニシアティブが技術的にもコスト的にも直面する課題は次のとおりである。
■水素の生産コスト削減
現段階では、水素生産コストは、最も一般的な資源からガソリンを生産するのにかかるコストの４倍である。水素燃料イニシアティブでは、ガソリン車と比べてもそれほど高額でない燃料電池自動車を製造できるようにするために、2010 年までに水素生産コストの低下を目指す。それと同時に、再生可能なエネルギー源や、核エネルギー、あるいは石炭からも水素を生産できるように技術を発展させる。
■水素の効果的貯蔵
水素は従来のエネルギーと比べて貯蔵効率が悪い。水素燃料電池を自動車に適用し、消費者の需要に対応するためには、水素貯蔵システムを劇的に発達させなければならない。
■手ごろな価格で供給できる水素燃料電池の開発
現段階での燃料電池の価格は、一般的な内燃エンジンの 10 倍以上もする。燃料電池を普及させるためには、消費者がガソリン車と燃料電池車とを比較できるくらいに燃料電池の価格が安くならなければならない。その点については、FreedomCAR イニシアティブ
が重点を置いて研究中である。
2-2-2 米国のエネルギー保障
米国のエネルギー保障（Energy Security）は、外国産石油への依存度上昇によって脅かされている。具体的な実態は次のとおりである。
■米国は現在、消費する石油量の 55％を輸入しており、現状のままでいけば、2025 年までにはそれが 68％にまで上昇する。

－6－

■現在、米国内を走るほとんどの普通乗用車とトラックはガソリン車であり、それが、米国の外国産石油依存度を高めている主因である。米国が１日に消費する 2,000 万バレルの石油のうち 3 分の 2 はガソリン車の燃料のために使われている。ガソリン車の燃料として石油をこれまでのように消費するのは、米国のエネルギー保障のためには危険であり、外国産石油への依存度を下げる最も効果的かつ現実味のある手段が、燃料電池車の普及である。
2-2-3 水素燃料の利点
水素燃料を普及させることが米国にもたらす利点は次のとおりである。
■水素燃料イニシアティブと FreedomCAR イニシアティブを通して、連邦政府をはじめ、自動車メーカーやエネルギー各社が相互協力しながら、技術的かつコスト的な課題を乗り越え、排ガスを出さない車を商業化させることで、外国産石油への依存度を大幅に低める。
■水素は、天然ガスや石炭から生産できるだけでなく、バイオマス（生物資源）や水からでも生産可能であるため、国内調達しやすい。
■エネルギー省の試算によると、水素燃料イニシアティブと FreedomCAR イニシアティ
ブの成功は、米国が消費する石油量を 2040 年に１日あたり 1100 万バレル節減できる。その量は、米国が今日、輸入している量にほぼ等しい。

－7－

出典：Description of Model Used to Estimate the Impact of Highway Vehicle
Technologies and Fuels on Energy Use and Carbon Emissions to 2050
(www.transportation.anl.gov/pdfs/TA/299.pdf )図2-1

運輸関係で使用する石油のフリーダムカーイニシアティブによる節減効果

－8－

3.

議会による水素経済の推進環境の整備

3-1 2005 年エネルギー政策法
2005 年、連邦議会はいくつかの点で水素経済を全面的に支援する行動を起こした。
まず、「2005 年エネルギー政策法（Energy Policy Act of 2005）」を可決し、ブッシュ
大統領が同年 8 月 8 日に署名し法制化された。その中のタイトル 8（Title VIII）が「2005年スパーク・マツナガ水素法（Spark M. Matsunaga Hydrogen Act of 2005）」というもので、水素燃料生産及び燃料電池技術の研究開発、教育、標準化（規格策定）の推進努力のために向こう 5 年間に 32.8 億ドルの予算を確保するという内容になっている。その他の条項でも、水素研究における優遇税制をはじめ、共同研究や水素以外の代替エネルギー研究の奨励策が盛り込まれている。

3-2 作業部会の発足
次に、連邦議会下院は 2005 年 6 月 28 日、「水素及び燃料電池作業部会（Hydrogen and
Fuel Cell Caucus）」を発足させた。チャールズ・デント（Charles Dent）下議とボブ・
イングリス（Bob Inglis）下議、ジョン・ラーソン（John Larson）下議、そしてアルバート・ウィン（Albert Wynn）下議の４人が共同委員長を務める超党派の作業部会で、業界要人と協力しながら、石油燃料に代わる水素燃料の推進を目指す。
同作業部会は、ブッシュ政権の水素燃料イニシアティブとその他の関連活動を支援する。
上院にも同作業部会と類似する「上院水素及び燃料電池作業部会（Senate Hydrogen and
Fuel Cell Caucus）」が組織されている。上院の方は、バイロン・ドーガン（Byron Dorgan）
上議とリンズィー・グラーム（Lindsey Graham）上議が共同委員長を務める。

3-3 予算また、議会は近年、「内務及び関連省庁歳出予算法（Interior and Related Agencies
Appropriations Act）」に基づき、燃料電池の開発研究と化石燃料に関連した水素燃料研
究に予算を組んできた。同時に、基礎科学と再生可能及び原子力関連の水素燃料研究は「エネルギー及び水資源開発歳出予算法（Energy and Water Development AppropriationsAct）：EWD」によって研究費が確保された。2006 会計年度の初頭、議会はエネルギー省（DOE）の水素関連予算すべてを EWD に組み込んでいる。
2005 会計年度において、議会は大統領の水素燃料イニシアティブに 2 億 2,470 万ドルの予算を組んでいる。同予算は前年、1 億 5,580 万ドルだった。そして、2006 会計年度、
ブッシュ大統領は同予算に総額 2 億 5,950 万ドルを要求（プログレス・リポートによる）している。同要求額には、DOE の関連予算の他にも運輸省（DOT）の関連予算も含まれ
る。

－9－

4.

エネルギー省の水素燃料関連政策

米国にとって 2005 年は水素プログラムが本格的に始動し、多くの進歩や成果をあげた年とも言える。DOE は 2006 年後半、水素プログラムの進行状況をまとめた「2005 会計
年度プログレス・リポート（FY 2005 Progress Report）」と報告している。以下に、同報
告書をまとめる。

4-1 エネルギー省の水素プログラム（DOE Hydrogen Program）
関連業界と学術界、国立研究所、そしてその他の関連省庁の協力を得て、エネルギー省（DOE）の水素プログラム（Hydrogen Program）は、ブッシュ政権による水素燃料イニ
シアティブ（Hydrogen Fuel Initiative）を支援すべく、水素及び燃料電池（fuel cell）の技術革新を推進する最大の政策であり、現段階における米水素燃料関連政策の母体とも言える。
水素プログラムの目標を簡潔にまとめると、米国一般市民が手頃な価格で燃料電池車を選ぶための現実的な環境を 2020 年までに整えることであり、そのための柱として次の 4点に焦点が合わせられている。
■水素生産と水素燃料の輸送及び貯蔵に必要となる技術的課題を克服すると同時に、車のための燃料電池技術や電力補給所、持ち運び可能な電源装置技術も開発する。
■水素燃料の安全性に関する課題に着目し、たたき台となる規定や標準を設定する。
■実生活における環境で利用可能な水素燃料と燃料電池に関する技術を認定し、それらを奨励する。
■それらの技術と利害関係のある主要企業や団体、組織、業界を教育し、それらの技術を受け入れることが彼らにとって経済的成功につながることを認識してもらう。
DOE 傘下のアルゴン国立研究所では、2040 年の数値として次のような状況を予測している（www.transportation.anl.gov/pdfs/TA/299.pdf）。
■3 億台の燃料電池車の水素をまかなうには、6,400 万トンの水素燃料が必要になる。
■2040 年には、米国内全体で 3 億 7,500 万台の車が走行すると予想され、そのうち 80％に相当する 3 億台を燃料電池車（FCV）にする。
■FCV が一般乗用車市場に占める割合は、2018 年に 4％、2020 年に 27％、2030 年に 78％、2038 年に 100％。
■2040 年における一般乗用車の走行距離は、1 台あたり年間 1 万 3,000 マイル。
■2040 年におけるガソリン車の燃費は 1 ガロンあたり 24.3 マイル。FCV の 1gge あたりの燃費とガソリン車の 1 ガロンあたりの燃費の比率は 2.5 になると思われる。
■3 億台の FCV が１台あたり年間 1 万 3,000 マイルを走るとすれば、FCV 全体の走行距
離は年間 3 兆 9,000 億マイル。
■ガソリン車の燃費が 24.3 マイルだとすれば、FCV の対ガソリン車燃費比率の 2.5 をかけると水素１gge あたり 60.75 マイルとなる。
■FCV の走行距離合計は 3 兆 9,000 億マイルであることから、60.75 マイル/gge で割ると、6,400 万トンという数字がはじき出される。それが、2040 年に走る FCV の水素燃料の量

－10－

になる。

4-2 水素プログラムの新規プロジェクト
DOE の水素プログラムにおける研究、開発、広報活動は、2004 会計年度と 2005 会計
年度で総額約 5 億 1,000 万ドル（これにプラス民間拠出による 7 億 5,500 万ドルが加わる）
をかけた新規プロジェクトによって更に促進された。それらのプロジェクトは重要な技術的課題を克服することで、水素と燃料電池を研究室からショールームに発展させることを狙う。新規プロジェクトは、下記の技術的領域にまたがる。
■基礎科学：水素の生産、貯蔵、そして末端での使用を実現させる基礎科学に関連する研究分野で向こう 3 年間に 6,400 万ドルを投じて選別された 70 のプロジェクト。
■水素生産及び輸送（配送）：水素の生産と輸送（配送）に関わる 65 のプロジェクトに 1
億 700 万ドル（2005 年）を投じ、再生可能エネルギーや原子力や石炭を使った水素生産と輸送（配送）技術の研究。
■水素の貯蔵：ナショナル水素貯蔵プロジェクト（National Hydrogen Storage Project）のもと、20 以上の応用研究及び関連研究プロジェクトに向こう 5 年間で 1 億 5,000 万ド
ルを投じる。
■燃料電池：運輸向けをはじめ、家電、その他の利用法における燃料電池コストと耐久性に関する 5 つのプロジェクトに向こう 3 年間で 1,300 万ドルを投じる。
■技術の認定（確認）：自動車と関連施設に関する全米規模の「ラーニング・デモンストレーション」プロジェクトを立ち上げ、向こう 6 年間で 1 億 7,000 万ドルを投じ、進歩状況を測るとともに、研究と開発を方向づける。
■教育：3 ヵ所の水素技術学習センター（Hydrogen Technology Learning Center）を開設し、6 州において州政府と地方自治体のために講習会を開き、同時に、水素経済を中高校での履修科目に加えるとともに、教師育成プログラムを開始。向こう 5 年間で 500 億ドルを投じる。

4-3 水素経済国際パートナーシップ（IPHE）
DOE のデイビッド・ガーマン（David Garman）次官のリーダーシップにより、水素
経済国際パートナーシップ（International Partnership for the Hydrogen Economy ：IPHE）の 16 人で構成される運営委員会（Steering Committee）は 2005 年 9 月 14 と15 日、京都で会議を開き、水素燃料と燃料電池の研究開発に関し次の 10 の協同計画に合意した。
・天然ガスのパイプラインを活用した水素輸送
・太陽熱を利用した熱化学による水素生産
・燃料電池の電源供給システムのための変換可能固形水素の貯蔵・高性能な膜
・燃料電池の試験と安全性、品質の確認
・異なるタイプの燃料電池に対する多孔式合成膜/電極接合体の適用
・HyWays。各国で協調された欧州水素エネルギー・ロードマップの評価
・HySafe。エネルギーを運ぶ媒体としての水素の安全性－11－・メタン変換による太陽熱水素生産
・欧州のエコロジカル・シティ・トランスポート・システム
この 10 の計画はすべて IPHE メンバーがスポンサーとなる協力関係に基づく研究内容である。計画の結果やプロジェクトから学んだ内容は、全メンバーに報告され、一般にも告知される。詳細は www.iphe.net に公開されている。

4-4 連邦水素諮問委員会と連邦合同作業部会
2005 年エネルギー政策法（Energy Policy Act of 2005）は、水素及び燃料電池技術諮問委員会（Hydrogen and Fuel Cell Technical Advisory Committee：HTAC）の創設を規定している。同委員会は、国内の関連業界や学術界、専門組織、省庁機関、国立研究所、前身の諮問機関、金融業界、環境保護団体、その他の関連組織から選ばれた 12～25 人の専門家で構成される。同委員会は、以下の３点について精査し、DOE 長官に進言する役割を担う。
・2005 年エネルギー政策法タイトル 8 のもとに実施される計画内容と行動内容
・水素の生産、輸送、貯蔵及び水素燃料と燃料電池の利用による環境的かつ経済的な影
響と安全性
・タイトル 8 のもとに DOE 長官が推進する関連計画の内容
連邦政府レベルでは、関連省庁間の協力体制がブッシュ政権の水素燃料イニシアティブの成功を左右する。ブッシュ大統領が 2003 年に同イニシアティブを発表した直後、ホワ
イトハウスの科学技術政策局（Office of Science and Technology Policy）はすぐに、水素調査開発作業部会（Hydrogen Research and Development Task Force）という複数省
庁による合同作業部会を創設した。同作業部会の主な役割は、水素経済と燃料電池に関する調査と開発の予算を拠出する 8 つの連邦機関の間における協同活動を調整し推進するというものである。その活動内容の詳細を報告し、関連省庁間の連絡や情報共有、さらなる協力関係の促進を目指すためにウェブサイト www.hydrogen.gov を立ち上げている。
一方、2005 年エネルギー政策法（Energy Policy Act of 2005）も連邦政府レベルでの関連省庁間協同体制の必要性を重視し、関連省庁機関で水素と燃料電池に携わる高官らから構成され DOE 長官が議長を務める水素及び燃料電池技術作業部会（Hydrogen and
Fuel Cell Technical Task Force）の創設を規定している。

4-5 全米研究評議会（National Research Council）による精査
DOE は、学術界との協力によって、フリーダムカー（FreedomCAR）と燃料パートナーシップ（Fuel Partnership）の成果を精査している。この精査については、USCAR（フォード、クライスラ−、ジェネラル・モーターズ）と 5 大エネルギー会社（BP、シェブロ
ン、コノコフィリップス、エクソンモービル、シェル）も協力する。
2002 年に発効したフリーダムカー・イニシアティブは、大量生産が可能で安全かつ手頃な値段の水素燃料電池自動車を生産するために必要な技術を研究する政策である。ブッ
シュ大統領の水素燃料イニシアティブは、既に存在していたフリーダムカー・イニシアテ－12－ィブを支援するものでもある。関連企業との提携によって、米国市民が 2020 年までに水素燃料電池自動車を選ぶようになる環境を整備することが目標である。それによって、輸入石油への依存度を下げるとともに、大気汚染防止と温暖化ガス排出量の削減を実現させることを狙う。
一方、燃料パートナーシップは、輸入石油への依存度を下げると同時に、移動や自動車の選択において消費者の自由が損なわれずに、かつ排ガス量を最小限にとどめながら、燃料補給技術、施設及びより進んだ自動車の開発を目指すものである。2005 年 8 月、全米研究評議会（National Research Council:NRC）は同パートナーシップについて、「よく計画されている。また、水素燃料計画が直面する主要課題もすべて想定されている」という声明を発表している。
一方、NRC のクレイグ・マークス（Craig Marks）評価委員会議長は次のように語っている。
「水素プログラムが成功するかどうかは不透明だが、エネルギー保障と米経済への貢献は多大なものである。現段階では、成功するかどうかを予測するのは時期尚早と言わざるを得ないが、大きな前進を遂げている」。
NRC の報告書（www.nap.edu/books/0309097304/html）によると、水素をどのように車中貯蔵するかが長期的課題の中で一番難しい。カギとなる進言は、水素燃料を扱う上での安全性や基準、システム分析、環境への影響、そして一般大衆への認知度に及ぶ。今回の報告書は、NRC が 2004 年 2 月に出したものから 18 ヵ月後に出されている。それら二つを合わせた内容は、米国の水素計画にとって重要な提言を含むものであり、向こう 10
年間における水素と燃料電池、燃料電池車の研究開発に大きな影響力を持っている。
フリーダムカーと燃料パートナーシップの加盟各社は次の分野でそれぞれの研究開発を進める。
・各種システムの統合に関する分析（Integrated systems analysis）
・燃料電池のパワー・システム（Fuel cell power systems）
・水素貯蔵システム（Hydrogen storage systems）
・水素燃料車のための水素生産技術と水素輸送技術
・水素燃料車と基幹設備を支える基本的技術の各種基準の設定
・燃料電池と内燃エンジンのハイブリッド車に適用できる電動システム
・各種素材の軽量化
・電気エネルギー貯蔵システム（Electrical energy storage systems）
・各種燃料で動く内燃エンジンの排ガス管理システム
フリーダムカーと燃料パートナーシップの加盟者は次のとおりである。
・DOE
・BP America
・Chevron Corporation
・ConocoPhillips
・Exxon Mobil Corporation,
・Shell Hydrogen (US)・ U.S. Council for Automotive Research （ USCAR ） の パ ー ト ナ ー 各 社－13－

（DaimlerChrysler、Ford Motor、General Motors Corporation）

4-6 21 世紀トラック・パートナーシップ（21st Century Truck Partnership）
DOE では、フリーダムカーと平行して、21 世紀トラック・パートナーシップ（21stCentury Truck Partnership）と呼ばれる提携関係を構築し、米国内を走るトラックとバスといった大型車が、これまでどおりの輸送機能を維持しつつ、より安く、安全に、そしてきれいにガソリン依存度を低める新たな技術の開発を目指している。DOE をはじめ、国防省（DOD）、運輸省（DOT）、そして環境保護庁（EPA）が参加している。
同パートナーシップが注力する主な活動は次のとおりである。
■商業大型車と軍事用車両、そしてバスが米国のエネルギー保障構想に見合うのに必要な研究開発を実施する。
■劇的に少ない排ガス量や高効率を実現させるために必要なエンジンや排気システム、燃料、素材に関する研究開発に注力する。
■エネルギー消費量と排ガス量を劇的に抑える大型かつ高度なハイブリッド動力システムの研究開発に注力する。
■トラックを巻き込んだ交通事故での死亡率を低下させる安全性に重点を置いた技術の研究開発に注力する。
■アイドリング時の燃料消費量と排ガス量を劇的に抑える技術の研究開発に注力する。
■既述の各種技術を駆使したトラックやバスの導入を推進するためのデモンストレーショ
ン、さらには、商業市場成長のための信頼性を高めることに注力する。
21 世紀トラック・パートナーシップの加盟企業は次のとおりである。
・Allison Transmission
・BAE Systems
・Caterpillar
・Cummins Engine
・DaimlerChrysler
・Detroit Diesel Corporation
・Eaton・Freightliner
・Honeywell International
・International Truck and Engine
・Mack Trucks
・NovaBUS
・Oshkosh Trucks
・PACCAR・Volvo Trucks North America－14－その他の国立研究機関加盟者
・Argonne National Laboratory
・Brookhaven National Laboratory
・Idaho National Laboratory
・Lawrence Berkeley National Laboratory
・Lawrence Livermore National Laboratory
・Los Alamos National Laboratory
・NASA Ames Research Center・National Institute of Standards and Technology
・National Renewable Energy Laboratory
・Oak Ridge National Laboratory
・Pacific Northwest National Laboratory
・Sandia National Laboratories

4-7 水素コストの見通し
水素生産のコスト予測値は、将来に実用化されるであろう新技術やガソリン価格によって何度も変わってきた。最新の方法によるコスト試算では、２～３ドル/gge（税金含まず、2005 年のドル価値で 2015 年まで適用）とみられている。
水素の予測コストの上限は、1 マイル当たりのコストがガソリン内燃エンジン車と同一になるように設定されている｡下限は、ハイブリッド(ガソリンと電気)車と同一になるように 設 定 さ れ て い る ｡ ガ ソ リ ン 価 格 は ､ エ ネ ル ギ ー 情 報 管 理 局 （ Energy Information
Administration:EIA）の 2015 年予想値を使用している｡ 従って、水素コストの目標値は、
自動車システムやエネルギー効率、ガソリンの予想価格が変わるたびに変動することにな
る。

出典：DOE Hydrogen Program Record(参考資料3)
図 4-1

水素コストの目標値－15－出典：DOE Hydrogen Program Record(参考資料3)
図 4-2

水素コストの目標値

4-8 燃料電池の大量生産コスト
水素燃料車がそれ以外の車種と比べ製造コストで競争力を有するためには、燃料電池の大量生産コストが電力あたりで他の動力システムと競争できるほどに低くならなければならない。従って、DOE やフリーダムカー、さらには燃料パートナーシップにとって 30 ドル/kW（１キロワットを生産するのに 30 ドル）という目標を 2015 年までに実現させることが、技術面で最も重要な成功条件の一つになる。
90 年代初期、DOE は燃料電池の大量生産（年間 50 万個）コストを 3,000 ドル/kW と見積もっていた。過去 15 年間にわたって、税金と民間資金を燃料電池の研究に投資してきた結果、燃料電池生産コストは継続的に下がっている。研究組織の TIAX（TIAX LLC）によると、現在（2005 年）の大量生産コストは 110 ドル/kW にまで低下している。この
数字は、2005 年の目標だった 125 ドル/kW を余裕で達成している。2010 年には 45 ドル/kW まで引き下げ、2015 年には 30 ドル/kW という目標を達成したい考えである。

4-9 カギとなる技術的課題に関する基礎研究
DOE の科学局基礎エネルギー科学部（Basic Energy Sciences office：BES）は、水素プログラムの主要メンバーであり、技術的に最も困難な分野における根本的研究を推進し－16－ている。2005 年 5 月、DOE のサミュエル・ボッドマン長官は、次の 5 分野について水素と燃料電池の技術開発に取り組む BES 主導の研究に 6,400 万ドル以上の予算を割く計画を発表している。
■水素貯蔵のための新物質及び新素材■分離と浄化又は精製、そしてイオン移動のための膜■ナノ単位における触媒作用■太陽光からの水素生産■バイオ技術を応用した物質及び素材と生産過程
2005 年には、上記 5 つの分野について、25 州で 50 以上の卓越した研究組織が向こう 3年間の研究費を DOE 水素プログラムのもとに取得した。

4-10 石炭から水素を作るプロジェクト
2005 会計年度、化石エネルギー局（Office of Fossil Energy）は、石炭を燃料にした排ガス・ゼロの発電所を建設するというブッシュ大統領の「石炭から水素（Hydrogen-from-Coal）」プロジェクトを推進するために、32 の研究プロジェクトを指定した。同プロジェクトではその他、温暖化ガスを排出しない発電所計画であるフューチャージェン（FutureGen）も含まれる。
「石炭は最も豊富な資源である。雇用を創出し、経済成長を持続させるためにも、我々はその石炭をもっと効率よく、そしてきれいに活用できる手段を見つけなければならない」「それらすべてのプロジェクトは、現在と将来における我々の経済とエネルギー保障にとって大事な投資である」とボッドマン DOE 長官は同プロジェクトについて声明を発表した。
同プロジェクトの具体的な主要目的は、石炭のガス化によって純粋な水素を生産する新たな方法を発見することをはじめ、安全な水素の扱い方や貯蔵方法を発展させることである。
具体的には、2015 年までに、石炭から水素を電気と一緒に生産する高効率かつ排ガス量ゼロの発電所を運営することである。石炭から電気と水素を生産するための部分的酸化作用（Partial oxidation）技術は、同研究の根幹技術である。その基本的技術になっているのが、IGCC（integrated gasification combined-cycle）技術である。
現段階では、それらの技術を利用した発電所及び水素生産工場が商業化できることを示
す実証は行われていない。しかし、部分的酸化作用（又は石炭のガス化）で得られるガスを、石炭と酸素、そして蒸気に混合させることで、きれいな合成ガスを生産できることはすでに証明済みである。
水 素 を 生 産 す る に は 、 こ の 合 成 ガ ス は さ ら に 加 工 さ れ 、「 mature water-gas shift
reactor」という装置を使うことで、水素を増やすと同時に一酸化炭素を二酸化炭素に変換する。水素はその際、圧力スイング吸着(pressure swing adsorption :PSA)技術によって分離される。石炭から得られる合成ガスから水素を生産する一連の技術は、石炭からきれいな電力をつくることを目指す DOE 主導の研究の中では中核的存在である。

－17－

課題はコストである。石炭から水素を生産するコストを下げるためには、水素分離からガス化すべての段階でそれぞれに必要な技術を発達させなければならない。水素を生産する際の副産物として生産される二酸化炭素は分離され、それがそのまま貯蔵技術に適用される見込みで、その技術は現在、DOE の炭素隔離研究プログラムのもとに研究されている。

出典：Hydrogen from Coal Multi-Year RD&D Plan
(www.fossil.energy.gov/.../fuels/publications/programplans/
2005/Hydrogen_From_Coal_RDD_Program_Plan_Sept.pdf )

図4-3

石油から水素プロジェクトと他のプロジェクトの関係

一方、フューチャージェンは、石炭を燃料にしながらも排ガス量ゼロの発電所を世界で初めて建設することを目指す官民協力の未来エネルギー開発計画である。予算は 10 億ド－18－ルである。
フューチャージェンの工場は、地質学上の物質構成で二酸化炭素を取り出して貯蔵しな
がら、最先端技術を駆使した設備で発電する。それと同時に、水素や副産物を生産し、発電以外の産業でも利用できるようにする計画である。
フューチャージェンの工場が特異な点は、研究者や産業界が、劇的な技術革新を続けた
結果として、石炭のガス化をはじめ、そこからの発電、大幅な排ガス量削減、二酸化炭素の抽出及び貯蔵、そして水素生産を可能にしつつあることである。必要な各種の基本的技
術はすでに存在するものの、すべての技術をどのように応用したり融合したりすれば単一工場での操業が可能か、さらには、技術的かつ商業的に実行可能かはいまだ実験段階である。
フューチャージェン同盟傘下の各社は将来的には国内外の一般家屋やビジネスに電力を供給するとともに、燃料電池のための水素も供給する。同研究に加わっている各社は、下記のように、米国外にも中国やオーストラリア、欧州大陸、南アフリカ、南米の世界各地に事業所を運営する多国籍企業である。
・American Electric Power（Columbus, Ohio）
・BHP Billiton（Melbourne, Australia）
・China Huaneng Group（Beijing, China）
・CONSOL Energy（Pittsburgh, Pennsylvania）
・Foundation Coal（Linthicum Heights, Maryland）
・Kennecott Energy（Gillette, Wyoming）
・Peabody Energy（St. Louis, Missouri）
・Southern Company（Atlanta, Georgia）

出典： http://www.futuregenalliance.org/about/timeline.stm
図 4-4

フューチャージェンのタイムスケジュール

4-11 2005 会計年度の原子力水素研究（Nuclear Hydrogen Research）
原子力水素研究イニシアティブは、水素を生産するために高温核反応を利用した水素生産技術の開発に特化している。原子力エネルギー・科学・技術局（Office of Nuclear Energy,
Science and Technology）が推進する DOE 水素プログラムの一環として、高温核反応を－19－利用した水素生産研究について 2005 会計年度では、次の 3 つの研究に予算が組まれた。
■クレムソン大学の「硫黄ヨウ素周期（The Sulfur-Iodine Cycle）」：化学反応の平衡の測定及びモデリングを利用した反応過程の分析」■ジョンズ・ホプキンス大学の「コンパクト熱交換のためのシリコン・カーバイド・セラ
ミックス（Silicon Carbide Ceramics）」■ウィスコンシン大学の「塩熱移動ループ（Salt Heat Transport Loop）：素材腐食作用と熱移動現象」
それらの研究は、大規模かつ排ガスの出ない水素生産を原子力エネルギーから実現させることを目指すもので、最終的には、第 4 世代原子炉によって水素生産のデモンストレー
ションにつなげたい考えである。

4-12 H2A モデル・サポートの透明性
再生可能エネルギー国立研究所（National Renewable Energy Laboratory）は、民間との協力によって、水素分析（Hydrogen Analysis：H2A）グループを主導し、水素生産
コスト・モデルを開発している。H2A モデルは、一貫した分析方法と透明性の高い報告の必要性に取り組むものである。キャッシュ・フロー分析ツールを応用して、水素生産の方
法別に最小限の水素コストを予測する。H2A の初期段階と水素生産の主なモデルはすでに精査され、石炭や天然ガス、バイオマス、電気分解といった何種類かの水素生産方法について試験されている。
H2A グループのメンバーは、国立研究所や関連業界、学術界の要人で構成される。それに加え、主要業界協力者（Key Industry Collaborator：KIC）企業から 16 人が参加し、精査や助言を提供することで分析やモデル開発に寄与している。生産モデルの詳細は、関
係

者

が

自

由

に

情

報

を

共

有

し

活

用

で

き

る

よ

う

、

www.hydrogen.energy.gov/h2a_analysis.html に掲載されている。

4-13 水素プログラムの開発能力
水素プログラムでの研究における技術革新の進行状況とその強さを量る目安は、特許の申請件数と特許取得件数と言える。DOE 水素プログラムは毎年、同プログラムが拠出する各研究の成果として申請される特許の数と特許取得件数を記録している。2005 会計年
度では、水素プログラム傘下のプロジェクトに 8 つの特許が下りた（うち一つは国際特許）。
それに加えて、同会計年度中に特許申請件数は、前年度の 22 件から 48 件に大幅増加した。
2005 年には 100 を超える新たなプロジェクトが始まっており、水素プログラムでは向こう数年間でその数を継続的に増やしていく計画であり、特許申請の件数も特許取得数も増えていくものと期待される。

－20－

出典：FY 2005 Progress Report(参考資料 1)
図 4-5

水素プログラム特許数

4-14 DOE 水素プログラムのウェブサイト
2005 年 に 新 た に 構 築 さ れ た DOE 水 素 プ ロ グ ラ ム の ウ ェ ブ サ イ ト（www.hydrogen.energy.gov）は、ブッシュ大統領による水素燃料イニシアティブの研究開発活動に焦点を合わせた内容である。同ウェブサイトには、関連の最新ニュースをはじめ、各種資料、報告、技術の解説といった内容が掲載されている。また、エネルギーの効率化や再生可能エネルギーに関する各関連局のウェブサイトの中から、水素燃料や燃料電池に関して閲覧者が探している特定のウェブサイトに直接行ける便利なリンクも集合されている。

4-15 2005 年の実態精査
DOE 水素プログラムは 2006 年 5 月、バージニア州アーリントンにて年次会議を開き、研究活動を精査した。300 を超えるプロジェクトについて、口頭による状況説明や技術説明があった。水素と燃料電池技術に関するあらゆる側面について 150 人の専門家からなる審査会は、300 以上のプロジェクトのうち 200 のプロジェクトに関し精査を実施し、新たな発見内容や助言を集めた。
各プロジェクトの主任研究者（PI）は、まとめられた発見内容や助言を整理し、将来の研究に役立てる。それと同時に、DOE の技術開発管理者ら（Technology Development
Managers）は、それらの内容を翌年度の研究内容の方向性や予算決定の材料に活用する。
この会議では、開始から半年内の研究プロジェクトは精査対象になっていない。精査の結果は、www.hydrogen.energy.gov/annual_review05.html に掲載されている。

－21－

5.

カリフォルニア州燃料電池パートナーシップ（The California Fuel Cell Partnership）

5-1 カリフォルニア州燃料電池パートナーシップの組織
カリフォルニア州燃料電池パートナーシップ（The California Fuel Cell Partnership(CaFCP)）は、31 の会員組織からなる提携関係によって、水素燃料電池車の商業化を目指す組織である。自動車メーカーをはじめ、政府省庁機関、燃料電池技術開発企業が主な会員である。正会員 20 団体と準会員 11 団体で構成される（下記参照）。民間と州政府が主導になっている水素燃料電池研究開発では全米最大規模である。
正会員企業
・DaimlerChrysler
・Ford・General Motors
・Honda・Hyundai・Nissan・Toyota・Volkswagen
・BP・Chevron・Shell Hydrogen・Ballard
・UTC Power・National Automotive Center
正会員政府機関・California Air Resources Board
・South Coast Air Quality Management District・California Energy Commission
・U.S. Department of Energy
・U.S. Environmental Protection Agency
・U.S. Department of Transportation
準会員
・Alameda-Contra Costa Transit District・Sunline Transit Agency
・Santa Clara Valley Transportation Authority
・Institute of Transportation Studies, University of California, Davis・Air Products and Chemicals
・Proton Energy Systems－22－

・Praxair
・ISE Corporation
・Hydrogenics Corporation
・Pacific Gas and Electric Company
・ZTEK Corporation

5-2 カリフォルニア州燃料電池パートナーシップの動向
CaFCP の会員は、2004～2007 年まで協力体制を維持することで合意しており、その間に、水素燃料電池車の商業化に向けて研究開発する。また、運輸に関する燃料電池技術（つまり、車に応用できる燃料電池技術）をもう一つ上の水準まで引き上げるとともに、自動車と燃料補給基幹設備を、現場と協力することで環境整備を進める。ここで言う現場とは、フリート（大量の車を所有するビジネスや何らかの組織）や、燃料補給施設を置く地域社会を意味する。2008 年以降の体制はまだ決まっていない。

5-3 カリフォルニア州燃料電池パートナーシップの目標
CaFCP の主な目標は次の 4 点である。
■フリート・デモンストレーションの実施：CaFCP は、会員に対し、最高で 300 台の燃料電池車（バスも含む）の導入を援助する。対象は、ロサンジェルス及びその周辺と、サクラメント＝サンフランシスコ地域で、2007 年までに実施されなければならない。
■燃料デモンストレーションの実施：CaFCP の会員は、デモンストレーション計画を支援するために、燃料補給所を建設する。
■ 商業化のための環境整備：CaFCP と会員は、地域社会が燃料電池車と燃料補給所を受け入れやすくするために、地方自治体の関係者に研修を施す。それと同時に、燃料電池
車と燃料補給所のための基準を規定する。
■一般社会における認識や教育の推進：CaFCP は、一般大衆と報道陣に対し、燃料電池車の利点を宣伝することで世間での認識や知識を高めるとともに、国内外における水素燃料及び燃料電池車の開発関係者（特に、利害関係のある組織）と必要な調整をし、商業化に向けて情報や経験値、資料を共有する。

－23－

6.

UC デイビスの H2 パスウェイズ・プログラム（Hydrogen Pathways Program）

6-1 H2 パスウェイズ・プログラム
カリフォルニア大学デイビス校の運輸研究所（Institute of Transportation Studies：
ITS-Davis）が研究している H2 パスウェイズ・プログラム（ Hydrogen Pathways
Program ）は、自動車向けに水素燃料を研究する大学研究としては全米最大規模かつ最先端のものと言われている。ITS-Davis が主導する H2 パスウェイズ・プログラムは、カリ
フォルニア州政府や連邦省庁機関、自動車メーカー、国際的エネルギー各社の協力によって進められている。
CaFCP の会員でもある自動車メーカー8 社は、カリフォルニア州でこれまで 100 台以
上の普通乗用車を走らせている。同 8 社の目標は、2007 年までにその数を、小型車から
SUV まで幅広い車種で 300 台に増やすことである。
H2 パスウェイズ・プログラムの出資者は次のとおりである。
・BP America Inc.
・Nissan Motor Co., Ltd.
・ConocoPhillips
・Shell Hydrogen (US)・ExxonMobil
・Toyota Motor Sales, U.S.A., Inc.
・Department of Energy
・American Honda Motor Company
・Air Products and Chemicals, Inc.
・Chevron
・U.S. Department of Transportation
・Hyundai Motor Company
・TotalFinaElf
・General Motors Corporation
・Natural Resources Canada (NRCan) - Ressources naturelles Canada (RNCan)
・Subaru・California Department of Transportation
・United States Environmental Protection Agency
・Petrobras
・Pacific Gas and Electric Company
・Indian Oil Corporation Limited
・Southern California Edison－24－

7. MARAD のエネルギー技術プログラム
7-1 エネルギー技術プログラムの概要
米国の輸送機関の中では、船舶以外の排ガス量は年々減少する傾向にあるが、海上輸送に関しては現状のままでいくと酸化窒素（NOx）の排出量が 2010 年あたりから増加すると予測される。米運輸省（DOT）海事局（Maritime Administration：MARAD）はそこで、船舶の排ガス量が増加し始める前に排ガス抑制技術を開発し、実用化させようと、「エネルギー技術プログラム（Energy
Technologies Program：ETP）」と銘打って 2000 年代に入ってから本格的な研究開発に着手している。

出典：MARAD「Energy Technologies Program」（参考資料 5）
図 7-1 1 日当りの NOx 排出量試算
同プログラムの主要目的は、動力効率性向上と排ガス量削減を実現できる技術や燃料を調べるとともに、エネルギー関連技術や政策関連情報を海事業界に浸透させることである。それに向かう具体的な計画として次の 6 つがある。
・基盤となるパフォーマンスの試験：既存の船舶データと技術の評価
・旧式ディーゼル・エンジンの改造（diesel retrofits）：emulsified fuel、噴水（water injection）、
SCR、particulate traps
・代替燃料：天然ガス、バイオディーゼル、水素、合成ディーゼル－25－

・高度技術：燃料電池、高効率ガス・タービン
・研究：技術評価、奨励策と排ガス測定
・業界への働きかけ：ニューズレター、会議、ウェブサイト、プレゼンテイション
MARAD の同プログラムでは、水素燃料を用いた燃料電池の研究開発は、排ガス対策上の高度技術として位置付けられて実施されている｡
MARAD では同プログラムの下、地方自治体や民間の関連企業、大学との協力によって排ガス量削減を可能にする推進システムの研究に着手している。ここではその具体例を示す｡

7-2 エネルギー技術プログラム（排ガス対策一般）
7-2-1 サンディエゴでの水中翼船
MARAD は 2002 年 9 月、SCX フェリーズ社（SCX Ferries,Inc）と共同開発の契約を締結し、カリフォルニア州サンディエゴの海上交通で使われる水中翼船の排ガス抑制システムと酸化窒素（NOx）のパフォーマンスを調べる研究に着手した。
同プロジェクトで使用される水中翼船は、M/V ウェストフォイル（M/V Westfoil）という名前で、最新の水中翼とウォータージェット推進システムを搭載している。長さ 85 フィートで、149 人の乗客を乗せることができる。エンジンは、4 基のデトロイト・ディーゼル 12v92 TA である。
米エネルギー省（DOE）は、ウェスト・バージニア大学の動力源試験研究所（Mobil Source Testing
Laboratory）の協力を確保することで同研究を支援している。同研究所は排ガス量を測定する。試験が成功すれば、SCX フェリーズはそれに基づき新たな船を建造する。その場合、液化天然ガス（LNG）が新型水中翼船の燃料として考慮される。同時に、MARAD は、LNG を使った水中翼船を航行させる場合に LNG の供給状況とコストを調べる調査費を拠出する。
7-2-2 バイオディーゼルと水噴射システム
MARAD は、水上交通局（Water Transit Authority：WTA）と B&G フリート（B&G Fleet）、ウォルザーズ・エンジニアリング（Walthers Engineering）、カリフォルニア大学バークリー校との協力の下、サンフランシスコ湾でバイオディーゼルと噴水システム（Water Injection System：WIS）
を研究している。
対象技術は、燃焼空気水噴射式（combustion air water inject）とバイオディーゼルの B100 と B20である。燃料が再生可能な点と二酸化硫黄及び二酸化炭素の排出量が少ないことが利点である。使用されるエンジンはデトロイト・ディーゼル 12V-71 である。
7-2-3 ニューヨーク市港湾民間フェリー排ガス抑制プログラム
MARAD は、環境保護庁（EPA）との協力の下、ニューヨーク市と運輸省（DOT）の資金拠出によって、フェリーから排出されるガスの量を抑制するプログラムを開始した。予算は 680 万ドルである。
同プログラムではまず、ニューヨーク市水域のフェリーを特定し、超低硫黄ディーゼル（Ultra
Low Sulfur Diesel：ULSD）を試験し、排ガス量を削減する技術を絞り込み、それらを応用した技
術を実際に適用し、その後、試験を重ね、経過を評価して、効果が確認されれば、全フェリーに適
用する。

－26－

7-2-4 大型船の旧式ディーゼル・エンジン改造（Large Vessel Diesel Engine Retrofit）
MARAD は、タンカーをはじめとする大型船の旧式ディーゼル・エンジンを改造することを目指
し、EPA やロサンゼルス港湾局、カリフォルニア大気資源評議会（California Air Resources Board：
CARB）と予算や研究内容を検討中である。大型船から排出される酸化窒素を 25％削減し、燃料効率を向上させたい考えである。

7-3 燃料電池の安全基準適合性
船舶に燃料電池を適用しようという試みは、燃料電池で動く電力システムが、船体の大きさや構造の多様な船舶における推進力負荷に実際に反応できるか否かにかかっている。
MARAD はシュア・パワー社（Sure Power）との協力によって、2002 年 6 月燃料電池システム
がマリーン・パワー負荷に反応できるかどうかの実験を行った。シュア・パワーのシステムは、2基の 200kW（キロワット）リン酸燃料電池とフライホイール（flywheel）、エネルギー貯蔵ユニットから構成される。
同プロジェクトでは、シーワージー・システムズ社（Seaworthy Systems,Inc.）が試験方法を開発している。海事関連の規制当局は、船舶での燃料電池に関する各種規定や規制を設けていないた
め、米船級協会（American Bureau of Shipping：ABS）と米電気電子学会（Institute of Electrical andElectronics Engineers：IEEE）が一般船舶のパワー・システムについてそれぞれに設定している諸規定が同プロジェクトに適用された。
7-3-1 実証試験の実施
同試験では、下記のように全部で 9 種類が試された。
試験番号
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
4.1

試験内容
オペレーションの信頼性、60 分間、負荷 100％
オペレーションの信頼性、30 分間、負荷 110％
オペレーションの信頼性、４時間、何種類かの負荷
ボルテージの安定性、負荷 0〜100％
ボルテージの安定性、負荷 150％
ボルテージの安定性、負荷 300％
負荷変動によるフリークエンシーの規定、
100％-0％-50％-100％
負荷変動によるフリークエンシーの規定、
0％-75％-100％-25％-0％
パラレル・オペレーション

適用規則
ABS
ABS
ABS
ABS/IEEE
ABS/IEEE
ABS/IEEE
ABS

結果
合格
合格
合格
合格
合格
不合格
合格

IEEE

合格

ABS/IEEE

合格

7-3-2 試験結果の概要■試験番号 1-1
シュア・パワーのシステムがフルパワーで 60 分稼働するかどうかのテストである。ボルテージも安定し、バス・フリークエンシー（bus frequency）も最高で 0.03％（0.02 Hz）しか変化しなかった。
■試験番号 1-2
シュア・パワーのシステムが定格ボルテージと定格フリークエンシーにおいてフルパワーの－27－

110％（352 kWe）で 30 分間稼働するかどうかのテストである。ボルテージも安定し、バス・フリークエンシー（bus frequency）も最高で 0.07％（0.04 Hz）しか変化しなかった。
■試験番号 1-3
シュア・パワーのシステムが定格ボルテージと定格フリークエンシーにおいて、負荷が変動する状況下で 4時間稼働するかどうかのテストである。
ボルテージもバス・フリークエンシーも安定し、ユニット作動には問題が生じなかった。
■試験番号 2-1
シュア・パワーのシステムが、定格負荷の範囲（0～100％＝0～320kw）内において定格ボルテージの±2.5％以内で正常に稼働かどうするかのテストである。最大偏差は、277 ボルト時の１ボルト（0.36％）だった。この数字は、合格基準の±7 ボルト（±2.5％）を大幅に下回る。また、燃料電池のボルテージも安定していた（一つは、-1.08％で、もう一つは-1.44％だった）。
■試験番号 2-2
シュア・パワーのシステムが、大きな負荷（定格電流の 150％）での始動に耐え、安定したボルテージで稼働を持続させることができるかどうかのテストである。２基それぞれの燃料電池の定格
ボルテージはほとんど変動せず、非常に安定した稼働だった。
■試験番号 2-3
シュア・パワーのシステムが、適正ボルテージ（480 v）で２秒間の超過負荷（定格キャパシティ
の 300％＝960 kWe）にある時でも正常に電力を供給できるかどうかのテストである。最初の 2 秒間におけるバス・ボルテージの偏差は 58.7 ボルトで不合格となった。
■試験番号 3-1
シュア・パワーのシステムが、特定の負荷変動の状況下で規定のフリークエンシーに対応できるかどうかのテストである。何種類かの負荷の時に測定された結果、バス・フリークエンシーの最大偏差は 0.13％（0.08 Hz）で、5 秒以内には 0.03％（0.02 Hz）以内に必ず戻った。
■試験番号 3-2
3-1 と同様のテスト内容（負荷の変動具合が異なる）である。何種類かの負荷の時に測定された
結果、バス・フリークエンシーの最大偏差は 0.6％（0.36 Hz）で、2 秒以内には 0.08％（0.05 Hz）
以内に必ず戻った。
■試験番号 4-1
シュア・パワーのシステムが、合計された定格負荷変動範囲（20～100％＝32～320kw）において、負荷分配を安定（発電機の定格パワー合計の±15％）させることができるかどうかのテストである。負荷の変動は基準を満たす範囲内だった。
7-3-3 結論
テスト結果は、300％の負荷（燃料電池にかかる正常負荷の 3 倍）でのテスト以外ですべて合格だった。試験番号 2-3 については今後、再テストされなければならない。
2002 年 6 月現在、燃料電池に関する各種規制内容は明文化されつつあるが、それは陸上使用の燃料電池についてであり、水上利用の燃料電池に関する規制は陸上向け燃料電池より遅れるであろう。
この実験によれば、シュア・パワーのシステムやその他のシステムを総合的にみると、船舶向け燃料電池は既存の船舶電気規制（shipboard electrical regulations）や基準を満たすものと思われると結論付けた。

－28－

7-4 MARAD の燃料電池開発
MARAD は 2003 年末、船舶向け燃料電池の開発に関する課題として DOT の水素作業部会（Hydrogen Working Group）に下記の点を指摘している。
■水素：天然ガスを利用場所までトラックで輸送することを強いられ、現場に天然ガス変換機を設置し、現場で電気分解して水素を得ることが必要で、他の燃料に比べて割高となる。
■燃料補給：初期投資が莫大で、燃料貯蔵や消防施設、取り扱いの面でも障害が多い。
■船内貯蔵：圧縮したり、低温貯蔵したり、水素化合物にしたりしなければならない。
■船舶の安全性：USCG の規制や ABS の規則があり、必要以上に危険視されるおそれがある。
しかし、船舶の排ガス削減は回避できるものではなく、エンジンや燃料を改良することで、酸化窒素と二酸化炭素の排出量を減らす研究が次第に本格化している。MARAD は水素及び燃料電池プ
ロジェクツ（Hydrogen & Fuel Cell Projects）の下、燃料電池の研究開発に注力している。現在、MARAD が想定する船舶向け燃料電池の主なタイプには次の５種類がある。
電解質
電池温度
効率性
（Electrolyte）（Cell Temp）（Efficiency）
38 - 40%
リン酸（Phosphoric Acid：PA）
液体
華氏 450 度
45 - 55%
溶 融 炭 酸 塩 （ Molten
液体
華氏 1200 度
Carbonate：MC）
45 - 55%
管状固形酸化物（Tubular Solid固体
華氏 1800 度
Oxide：SO）
45 - 55%
平面固体酸化物（Planar Solid固体
華氏 1800 度
Oxide：SO）
38 - 40%
プ ロ ト ン 交 換 膜 （ Proton固体
華氏 180 度
Exchange Membrane：PEM）－29－

出典：Maritime Hydrogen and Fuel Cell Initiatives（参考資料 7）
図 7-2 燃料電池の原理
7-4-1 米商船アカデミーでの研究
MARAD が支援する燃料電池研究の中で最も具体的なものが米商船アカデミー（United States
Merchant Marine Academy：UUMMA）で実施されている。
同アカデミーは、再生可能エネルギーの輸送技術を開発中で、5kW の水素固体高分子形燃料電池（hydrogen PEM fuel cell）システムのほか、10 kW と 1.4 kW の太陽電池システム（photovoltaic
systems）、1 kW の風力発電装置、水素発電機、圧縮水素貯蔵（2400 psi）を研究中である。
7-4-2 サンフランシスコの排ガス・ゼロ・フェリー
サンフランシスコ湾の水上交通局（Water Transit Authority：WTA）は、排ガス・ゼロ・フェリ
ーの開発に積極的に取り組んでいる。燃料電池を船舶の推進に応用する例として注目されており、開発されれば、サンフランシスコ沖３マイルにある宝島（Treasure Island）とサンフランシスコ市
を結ぶ水上交通機関として活用される。
同プロジェクトは、燃料電池「エンジン」に焦点を合わせる。燃料電池がバッテリーに電気を送り、バッテリーが電気モーターを動かし、それらがプロペラを回転させる、というのが基本的な構造である。2 基の 200kW 燃料電池エンジンなら、乗客 49 人を乗せたフェリーを時速 12 ノットで航行させることができる。
一方、燃料貯蔵は推力システムよりも深刻な課題となる可能性がある。水上バスの場合、水素シ
リンダーの「タンク・ファーム（tank farm）」を屋根に取り付け、そこに 8 万立方フィートのガス－30－を貯蔵することが想定される。タンク・ファームの大きさは 20 フィート×20 フィート×３フィー
トくらいになる。
別の課題は、水上での水素燃料電池利用に関する規制である。USCG はこれまで、天然ガス燃料の使用を認めたことはある。水素燃料電池を使う場合も天然ガス燃料と同じ結果になることが望まれる。そのためには、天然ガスにしろ水素ガスにしろ、大気より軽いことと、圧縮液体状態で運ばれることが認可取得の条件となる。

出典：MARAD「ENERGY TECHNOLOGIES」(参考資料 6)
図 7-3 フェリーのゼロ排ガス燃料電池技術

7-5 米海軍艦艇システム司令部（Naval Sea Systems Command：NAVSEA）
MARAD は 2003 年、米海軍艦艇システム司令部（Naval Sea Systems Command：NAVSEA）フィラデルフィア部隊の海軍排ガス試験プログラム（Navy Emission Test Program）に参加した。船舶向け排ガス・システムの開発を目指し、5 種類の燃料と 6 種類の排ガス抑制技術を試験している。
船舶システム開発局（Ship Systems Engineering Station）のマリーン・エンジン試験研究所（Marine
Engine Test Laboratory）が試験を実施している。
試験に使われるエンジンは 2 ストロークの 12V-71 デトロイト・ディーゼルで、試験されている
燃料とシステムは下記のとおりである。

－31－

試験に使われる燃料・F-76（ディーゼル No.2 に類似）
・JP-5（軍事航空燃料）
・合成（Fischer Tropsch ディーゼル）・ディーゼル（硫黄が非常に少ないもの）
・バイオディーゼル（大豆から作られたメチルエスター）
試験に使われるシステム又は装置
・燃料触媒混合（Fuel Catalyst Additive）
・空気加湿システム（Air Humidification System）
・シリンダー・パワー機器（Cylinder Power Assemblies）
・小型嚢(のう)噴出機（Mini-Sac Injectors）
・フィルター（Active Regenerated Particle Filter）
・遠心力利用の煤煙集合機（Centrifugal Soot Collector）－32－

8. 米海軍の燃料電池研究開発
8-1 概要船舶への水素燃料利用は、特に米海軍やその他の国の海軍で注目されている。米海軍では現在、統合電力機関（integrated electric plants）を船内（又は船上）に整備する設計を検討中である。電力による推進システムは一般に、寿命が短く（4 万時間と言われている）、船体振動と騒音が小さい。
燃料電池は、ガス・タービンやディーゼル・エンジンと異なり、燃焼を必要としないことから、
酸化窒素を排出しない。しかも、設計上も、従来型の燃焼エンジンに比べてパワー・システムを分散して配置できる。つまり、船体のいかなる部分にでも配備できる。その結果、艦船の生存能力を高めるための柔軟性を向上させることも可能となる。
燃料電池は、海軍船舶にとって、燃料効率の向上だけでなく、低排ガスと設計の柔軟性という利点があり、それらがまた造船コストを引き下げることにもなる。
米海軍研究局（Office of Naval Research：ONR）はこれまで、船用燃料電池（Shipboard Service Fuel
Cell：SSFC）プログラムの下、燃料電池を艦船に適用するために何種類もの研究開発に予算を組んできた。
その一環として、溶融炭酸塩形（Molten Carbonate：MC）とプロトン交換膜形（Proton Exchange
Membrane：PEM）という 2 種類のプロトタイプを開発している。2000 年、海軍はフュエルセル・エナジー社（FuelCell Energy, Inc.）が開発した MC 燃料電池を採用することを決めている。PEM
燃料電池の方では、実用化に向けた研究には至っていない。
MC 燃料電池の開発に当っては、JJMA（John J. McMullen Associates, Inc.）と米コーストガード
研究開発センター（USCGC）との提携で、MC 燃料電池に必要となる船舶用コンピュータ・シス
テム及びそのためのインターフェイスの開発を進めた。 実験に使われたのは、コーストガードのヴィンディケイターという船舶である。キャタピラー製のディーゼル発電機（600kW）4 基を搭載し、そこから発電される電気を MC 燃料電池に送り、二つのプロペラを回すというものである。
下記は、2005 年及び 2010 年の燃料電池の目標値をガス・タービン発電装置と比較したものである。

ユ ニ ッ ト 体 積(ft3/kW)
ユニット重量(lb/kW)
燃料効率性(%)@ 50%の負荷
生産コスト($/kW)

ガス・タービン発電装置
1.1

2005 年時点における燃料電池
2

2010 年時点における燃料電池
1.7

27.2
16

40
40

30
70

1600

1500

1200

－33－

出典：U.S. Navy Shipboard Fuel Cell Program（参考資料10）
図 8-1 舶用燃料電池電力装置

出典：U.S. Navy Shipboard Fuel Cell Program（参考資料10）
図 8-2 舶用燃料電池プログラムタイムスケジュール－34－

出典：U.S. Navy Shipboard Fuel Cell Program（参考資料 10）
図 8-3 燃料電池とガスタービン､ディーゼルエンジンとの排ガス比較

出典：Fuel Cells on the High Seas（参考資料 12）
図 8-4 燃料電池の効率－35－

出典：U.S. Navy Shipboard Fuel Cell Program（参考資料12）
図 8-5 燃料電池の燃料消費量

8-2 フュエルセル・エナジーと海軍の契約
フュエルセル・エナジーは 2003 年末、米海軍との第 2 期契約を締結し、米海軍舶用燃料電池技
術評価訓練プログラム(U.S. Navy Marine Fuel Cell Technology Verification-Trainer Program)のもと、
舶用燃料電池技術の開発に引き続き参加することを決めた。艦船向けの燃料電池技術開発で最大手のフュエルセル・エナジーは、同契約で総額 95 万 4,000 ドルを受け取る。
同プログラムの目的には次の三つの骨子が含まれる。
■ディーゼル燃料を使用する直接燃料電池（Direct Fuel Cell：DFC）を開発し、海軍基地と海軍艦船に取り付ける■燃料電池 DFC300A 発電装置の動作を実験する■マリーン燃料電池に関わる操縦者に訓練をほどこす
同プログラムは、ONR が管理する総額 260 億ドルの研究開発計画で、フュエルセル・エナジーとの契約はその一部である。2000 年に最初に発効した時の予算総額は 460 万ドルだった。この研究開発計画は 2003 年の末から第 2 期に入っている。同プログラムに参加するその他の組織は、メイン大学とメイン海事アカデミー（Maine Maritime Academy）である。両者は、舶用燃料電池が実験室の外でも問題なく機能するかどうかを確認する役割を果たす。

8-3 フュエルセル・エナジーとの新契約
ONR はさらに、2006 年 8 月、フュエルセル・エナジーと新たな契約を締結した。舶用燃料電池－36－

（ship service fuel cell：SSFC）発電装置（power plant）の陸上デモンストレーションと、次世代の船上（又は船内）燃料電池プロトタイプの設計が契約内容で、予算は 250 万ドルである。この契約の目的は、高効率燃料電池技術を使って、「シップ・ホテル・パワー（ship hotel power）」と呼ばれる発電システムの効率性を向上させることである。海軍の艦船に活用できるよう、フュエルセル・エナジーは、自社で開発した DFC（Direct Fuel Cell）発電装置を海軍用液体燃料（ディーゼルやジェット燃料）でも動くよう改造している。
液体燃料は、船内貯蔵にとっては非常に便利だが、DFC 発電装置で使う前に脱硫（硫黄を取り除く）しなければならないという欠点がある。フュエルセル・エナジーはそこで、液体燃料から硫黄を取り除き液体燃料をメタン・ガスに変換するという一連の流れをシームレスに行う処理装置を開発した。その装置で生産されたメタン・ガスは燃料電池発電装置の燃料として使われる。年中無休
かつ安全な燃料供給システムである。
DFC 発電装置は船舶における発電装置としては理想的な解決策であり、海軍の艦船に搭載する燃料電池システムにとって大きな前進でもある。DFC 発電装置は、燃焼させずに発電させる機械としてはもっともクリーンでかつ静かな装置である。
出典：http://www.fce.com/site/products/about.html
フュエルセル・エナジーは同時に、改質プロセスによって炭化水素から水素を抽出する革新的な方法を開発している。この方法は燃料電池の中で最も高い電気効率性を有するものである。その改質装置と一緒に機能する舶用燃料電池（Ship Service Fuel Cell：SSFC）は、DFC が海軍の燃料で作動できるように、その能力を最適化するものであるこれまでの実験によって SSFC が機能することはほぼ証明できた。そこで、次世代の SSFC は、海軍の艦船に実用可能な貯蔵法と輸送法を実現する改質プロセスの設計である。
同プロジェクトは、メガワット級の船舶燃料電池発電装置を開発し、海軍の船に装備することを目指す ONR による研究開発の一環である。フュエルセル・エナジーはすでに、舶用モジュールに必要となる重要な構成部分の実験と全体的デザインを完了している。基本的な発電部分はコネチカット州ダンバリーでの実験が控えており、その後、海軍艦艇システム司令部（Naval Sea Systems
Command：NAVSEA）のフィラデルフィア部隊に送られ、そこで、舶用使用実験が実施される計
画である。

－37－

出典：DIRECT CARBONATE FUEL CELL FOR SHIP SERVICE APPLICATION（参考資料9）
図 8-6 舶用燃料電池のフロー図と効率－38－

8-4 海軍研究局による燃料変換機の研究
ONR は、効率的発電を実現する新たな燃料電池技術に基づく推進システムを研究している。ONR
が研究中のディーゼル変換システムは、比較的低コストで、既存の基幹設備を水素燃料の貯蔵や輸送に活用できるという利点があると期待される。
ONR では 2004 年現在、500 kW（キロワット）のディーゼル燃料変換機を実験中である。その変換機は、PEM 燃料電池と互換性がある。ディーゼル燃料は、硫黄が含まれているため変量電池発電装置への活用が困難だが、変換機によって燃料を硫化水素に変換し、硫化水素を酸化亜鉛と反応させることで二酸化硫黄に変換させれば水素と分離できる。同実験は、エネルギー省（DOE）のアイダホ・フォールズ国立エンジニアリング＆環境研究所で行われている。

8-5 米エネルギー技術研究所における研究
海軍ではまた、エネルギー省（DOE）の米エネルギー技術研究所（National Energy Technology
Laboratory：NETL）との協力によって、燃料電池と天然ガスを活用し排ガス量の削減を目指している。NETL は、DOE が全米で運営する 15 ヵ所の国立研究所の一つであり、DOE による燃料電池研究開発にとって最大の研究費拠出元でもある。NETL には、天然ガス戦略センター（Strategic
Center for Natural Gas：SCNG）という部署があり、ONR や NAVSEA、USCG と協力して、船舶での燃料電池利用を研究している。
現在、研究されている主な燃料電池には、リン酸形燃料電池（Phosphoric acid fuel cell：PAFC）、
溶融炭酸塩形燃料電池（Molten carbonate fuel cell：MCFC）、固体酸化物燃料電池（Solid oxide fuelcell：SOFC）、舶用燃料電池（Ship Service Fuel Cell：SSFC）、ハイブリッドの５種類がある。

出典：Next Generation Marine Vessels Fuel Cells and Gas Turbines（ www.marad.dot.gov/NMREC/conferences_workshops/jan%2029-30%202002/hooie.pdf）
図 8-7 燃料電池の種類－39－

■PAFCPAFC は現時点で、開発段階と実用化の面で最も発達した燃料電池技術である。DOE や国防省
（DOD）をはじめ、全世界で過去 20 年以上にわたって研究され、それに投じられた予算は総額５億ドルを超えるものと見られる。低温燃料電池の中では、改質された炭化水素燃料から出る排ガスが無視できるほど少量であることから期待されている。
■MCFC
MCFC は、石炭から直接作用される燃料電池の開発にともなって 1960 年代に初めて着眼された。
近年では、燃料電池に石炭を直接利用するという研究は他の研究に比べてやや下火になったものの、石炭からガスを取り出して燃料電池に利用するという研究は続いている。
■SOFC
SOFC は、腐食を防ぐ固形セラミック電解質を使う。固形セラミック電解質は、取り扱いの難しさという液体電解質が抱える課題を解決する。ただ、セラミックにおける適切なイオン伝導率を実現させるには、華氏 1830 度（摂氏 1000 度）でシステムを作動させる必要がある。その温度では、
炭素燃料の内部改質が可能であり、装置から発せられる熱を発電装置に再利用できることから効率
性は良い。
■SSFC
上述のとおり｡■ハイブリッド
海軍が研究しているハイブリッド推進システムは、ガス・タービンと燃料電池を併用することで、燃料効率の向上を目指すものである。燃料電池だけのエネルギー効率は 60％が最高だが、ガス・タービンとの併用によって 70％まで引き上げることが可能と期待される。また、他のシステムに比べると、酸化窒素と炭化水素の排ガス量が少なく、エネルギー効率が良いという利点もある。

－40－

参考資料
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2. Progress Report: 2005 Annual Progress Report Basic Research
3. Hydrogen Cost: DOE Hydrogen Program Record
4. Demand: Hydrogen Demand in 2040 for FCVs
5. MARAD ET Program: Maritime Administration Energy Technologies Program
6. ETpdfFall02: ENERGY TECHNOLOGIES
7. MARAD_toDOT: Maritime Hydrogen and Fuel Cell Initiatives
8. FUELCELLTODAY: Fuel Cells and Marine Applications
9. DCFC: DIRECT CARBONATE FUEL CELL FOR SHIP SERVICE APPLICATION
10. SFCProgram: U.S. Navy Shipboard Fuel Cell Program
11. marine_app: Marine Application of Fuel Cells
12. future: Future for Fuel Cells on the High Seas?

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NETL）
http://www.netl.doe.gov/KeyIssues/hydrogen_economy.html
2.「E」誌（E/The Environmental Magazine）
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3. 米エネルギー省（U.S. Department of Energy：DOE）
化石燃料局（Fossil Energy Office）
http://www.fossil.energy.gov/programs/fuels/
基礎エネルギー科学局（Office of Basic Energy Sciences）
http://www.hydrogen.energy.gov/science.html－41－

4. 米 エ ネ ル ギ ー 省 ア ル ゴ ン 国 立 研 究 所 （ Argonne National Laboratory 、Transportation Technology R&D Center）
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燃料電池に関するブッシュ政権の動き
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http://www.whitehouse.gov/news/releases/2003/01/20030128-14.html
一般教書（State of the Union）
http://www.whitehouse.gov/news/releases/2003/01/20030128-19.html
水素燃料（Hydrogen Fuel: A Clean and Secure Energy Future）
http://www.whitehouse.gov/news/releases/2003/01/20030130-20.html
2. 米エネルギー省（U.S. Department of Energy）
化石燃料局（Fossil Energy Office）
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水素プログラム（Hydrogen Program）
http://www.hydrogen.energy.gov/annual_progress05.html
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http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/
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6. フューチャージェン同盟（FutureGen Alliance）
http://www.futuregenalliance.org/
カリフォルニア州の The California Fuel Cell Partnership（CaFCP）
1. カリフォルニア州の The California Fuel Cell Partnership（CaFCP）
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http://www.fuelcellpartnership.org/
UC デイビスの H2 Pathways Program
1. UC デイビスの H2 Pathways Program
カリフォルニア大学デイビス校運輸研究所（Institute of Transportation
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http://hydrogen.its.ucdavis.edu/
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02.htmhttps://marad.dot.gov/NMREC/energy_technologies/images/ETpdfFall02.pdf
https://www.marad.dot.gov/NMREC/energy_technologies/images/MARAD%20ET%
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https://www.marad.dot.gov/NMREC/conferences_workshops/jan%2029-30%2020
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https://www.marad.dot.gov/NMREC/energy_technologies/images/Hydrogen%20
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フュエルセル・エナジーと海軍の契約
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http://www.corporate-ir.net/ireye/ir_site.zhtml?ticker=FCEL&script=412&layout=-6&item_id=896271
2. 米国防省（Department of Defense：DoD）
http://dodfuelcell.cecer.army.mil/pr_071106.html
舶用サービス燃料電池
1. エネルギー省の米エネルギー技術研究所（National Energy Technology
Laboratory：NETL）
http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/99/99fuelcell/fc2-3.p
df
海軍リサーチ局による燃料変換機の研究
1. 米海軍（Navy）
http://www.news.navy.mil/search/display.asp?story_id=12221
米エネルギー技術研究所
1. 米国防省（Department of Defense：DoD）
http://dodfuelcell.cecer.army.mil/phosphoric.html
http://dodfuelcell.cecer.army.mil/solidoxide.html
2. 米海軍（Navy）
http://www.dt.navy.mil/pao/excerpts%20pages/2001/FuelCell4_01.html
http://www.onr.navy.mil/media/article.asp?ID=65

－44－

参考資料

1. Progress Report: 2005 Annual Progress Report

INTRODUCTION

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

I. INTRODUCTION
In cooperation with industry, academia, national
laboratories, and other government agencies, the Departmentof Energy’s Hydrogen Program is advancing the state ofhydrogen and fuel cell technologies in support of the
President’s Hydrogen Fuel Initiative. The initiative seeks todevelop hydrogen, fuel cell, and infrastructure technologies
needed to make it practical and cost-effective for Americans
to choose to use fuel cell vehicles by 2020. Significant
progress was made in fiscal year 2005 toward that goal.

Congress Clears Path for Hydrogen
In 2005, Congress demonstrated overwhelming support
for the hydrogen economy through several activities.
Energy Policy Act of 2005. EPAct 05 was signed into
law by President Bush on August 8, 2005. Title VIII, theSpark M. Matsunaga Hydrogen Act of 2005, focuses onhydrogen and indicates the strong support of Congress forresearch, development, demonstration, education, and codesand standards for hydrogen and fuel cell technologies. Title
VIII authorizes $3.28 billion for research and development,
demonstrations, and studies over five fiscal years aimed atgetting hydrogen-powered automobiles on the road by 2020.
In addition, numerous other titles call for hydrogen and fuelcell related tax and market incentives, new studies,collaboration with alternate fuels and renewable energy
programs, and broadened demonstrations. The timeline
established by Congress matches perfectly with themilestones established by the Department in the Hydrogen
Posture Plan published in February 2004 in support of the
President’s Initiative.

President Bush participates in refueling of GM’s fuel cellvehicle at Shell’s hydrogen station in Washington, DC, on
May 25, 2005. During this visit, Under Secretary of Energy
David K. Garman updated President Bush on progressunder the Hydrogen Initiative. President Bush also received
technology updates from BP, Chevron, DaimlerChrysler,
Ford, GM, Hyundai, and Shell senior managers.

Accompanied by Congressional leaders and Energy
Secretary Samuel Bodman in Albuquerque, New Mexico,
President Bush signs the Energy Policy Act of 2005 into law.

House Caucus. The House of Representatives launched a
Hydrogen and Fuel Cell Caucus on June 28, 2005 with an“End Dependence Day” kick-off in Washington, D.C. The
Caucus, co-chaired by U.S. Representatives Charles Dent,
Bob Inglis, John Larson and Albert Wynn, is a bipartisangroup of House members and industry participants dedicatedto promoting hydrogen as an alternative to petroleum-based
fuels. The Hydrogen and Fuel Cell Caucus plans to support
the President’s Hydrogen Fuel Initiative and other hydrogenrelated activities. The Senate has a similar organization, theSenate Hydrogen and Fuel Cell Caucus, which is co-chaired
by Senators Byron Dorgan and Lindsey Graham.
The House Hydrogen & Fuel Cell Caucus Kicked Off onJune 28, 2005

3

－45－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

Appropriations. In past years, Congress funded fuel cell and fossil-related hydrogen research through theInterior and Related Agencies Appropriations Act, while basic science and renewable and nuclear-relatedhydrogen research was funded through the Energy and Water Development (EWD) Appropriations Act.
Beginning in FY 2006, Congress will fund all DOE hydrogen activities through the EWD appropriations.
For FY 2005, Congress appropriated $224.7 million for the President’s Hydrogen Fuel Initiative comparedto the FY 2004 appropriation of $155.8 million. For FY 2006, President Bush requested $259.5 million(appropriations yet to be finalized as of publication date). These numbers include support for hydrogen andpolymer fuel cell R&D across four DOE offices – Energy Efficiency and Renewable Energy; Fossil Energy;
Nuclear Energy, Science and Technology; and Science – and the Department of Transportation.

International Partnership for the Hydrogen Economy (IPHE) Endorses Ten Hydrogen Projects
Led by Under Secretary of Energy David K.
Garman, the 16-member IPHE Steering Committee
met in Kyoto, Japan, on September 14 and 15, 2005,
and endorsed ten collaborative hydrogen and fuel cellresearch, development and demonstration projects.
According to Under Secretary Garman, “These efforts
have the potential to significantly advance the movetowards a hydrogen economy.”

IPHE Projects to Advance Hydrogen Economy
•
•
•
•
•
•

All projects are collaborative in nature withmultiple IPHE members as sponsors. Results andlessons learned from the projects will be disseminatedto all IPHE members and will be made available to the
public. These selections are the first IPHE recognition
provided to collaborative research projects onhydrogen and fuel cell development. Detailed
information is available on the IPHE website(www.iphe.net).

•

•
•
•

Hydrogen Delivery Using Natural Gas Pipelines
Solar Driven High Temperature Thermochemical
Production of Hydrogen
Reversible Solid State Hydrogen Storage for Fuel Cell
Power Supply System
Advanced Membranes
Fuel Cell Testing, Safety and Quality Assurance(FCTESqa)
Application of Gradient Porous Composite MEAs forDifferent Types of Fuel Cells
HyWays - The Development and Detailed Evaluationof a Harmonised “European Hydrogen Energy
Roadmap”
HySafe – Safety of Hydrogen as an Energy Carrier
Solar Hydrogen From Reforming Of Methane
Clean Urban Transport For Europe - Ecological City
TranspOrt System (CUTE - ECTOS)

Hydrogen Federal Advisory Committee and Interagency Task Force Being Established
The Energy Policy Act of 2005 authorized establishment ofa Hydrogen and Fuel Cell Technical Advisory Committee(HTAC), a follow-on to the Hydrogen Technical Advisory Panelauthorized by the Hydrogen Future Act of 1996. This Federal
Advisory Committee will be comprised of 12 to 25 expert
members from domestic industry, academia, professionalsocieties, government agencies, Federal laboratories, previous
advisory panels, as well as financial, environmental, and otherappropriate organizations. The Committee will review andmake recommendations to the Secretary on (1) the
implementation of programs and activities under Title VIII,
Hydrogen, of the Act; (2) the safety, economical, andenvironmental consequences of technologies for the production,
distribution, delivery, storage, or use of hydrogen energy and fuel cells; and (3) the Secretary’s plan to conduct
the programs under Title VIII. The HTAC member selection process and initial meeting will take place in FY
2006.

4

－46－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

At the Federal government level, inter-department/agency cooperation is also critical to the success of the
President’s Hydrogen Fuel Initiative. Shortly after the President's announcement in early 2003, the WhiteHouse Office of Science and Technology Policy established the interagency Hydrogen Research andDevelopment Task Force. The Task Force serves as the key mechanism for collaboration among the eightFederal agencies that fund hydrogen-related research and development. It developed a web site(www.hydrogen.gov) to widely communicate the goals of the President's Hydrogen Fuel Initiative andencourage greater collaboration and sharing of information on hydrogen technology development activities.
The Energy Policy Act of 2005 also underscored the need for interagency collaboration at the federal level byrequiring the President to establish a Hydrogen and Fuel Cell Technical Task Force chaired by the Secretary ofEnergy with representatives from other departments and agencies with hydrogen and fuel cell programs. The
act defines numerous planning and execution activities for this task force, all tied to ensuring efficiency in use
of taxpayer resources.

National Research Council Reviews FreedomCAR and Fuel Partnership
The DOE engaged the National Academies toreview and report on the FreedomCAR and FuelPartnership, a collaborative effort among the DOE,
REVIEW OF THE RESEARCH PROGRAM
OF THEUSCAR (Ford, Chrysler, and General Motors), and five
FREEDOMCAR AND FUEL PARTNERSHIP
major energy companies (BP, Chevron,
ConocoPhillips, ExxonMobil, and Shell). The
First Report
Partnership seeks to develop advanced vehicle and2005
fueling infrastructure technologies to reduce our
Nation’s dependence on imported oil and minimize
Committee on Review of the FreedomCAR and Fuel Research Program
harmful emissions without sacrificing freedom ofBoard on Energy and Environmental Systems
mobility and freedom of vehicle choice. In August
Division on Engineering and Physical Sciences
2005, the National Academies’ National Research
Transportation Research Board
Council (NRC) press release reported that “thePartnership is well-planned and identifies all major
hurdles the program will face,” and acknowledged thesignificant progress already made by the Partnership
NATIONAL RESEARCH COUNCIL
OF THE NATIONAL ACADEMIES
toward overcoming the many technical barriers. The
press release quoted Craig Marks, chair of the NRC
review committee and retired Vice President for
THE NATIONAL ACADEMIES PRESS
Technology and Productivity at Allied Signal, Inc., as
Washington, D.C.
www.nap.edu
follows: “The goals of this program are extremely
challenging and success is uncertain, but it could havean enormous beneficial impact on energy security andthe U.S. economy. Although it is still too early to
speculate whether the program will achieve its long-term vision, it is making significant headway.”
The report (available at http://www.nap.edu/books/0309097304/html/) stated that hydrogen storage in
vehicles is the program’s most difficult long-term challenge. Other areas with key findings andrecommendations included safety, codes and standards, systems analysis, environmental effects, and publicawareness. This report followed approximately 18 months behind the NRC February 2004 release entitled“The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs.” Together, these two important
independent assessments of the nation’s hydrogen program have provided critical inputs to the strategy andplanning for the next decade of hydrogen, fuel cell, and vehicle research and development.

5

－47－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

Hydrogen Research Cost Target Revised to Be Energy Resource Independent and Competitive
with Future Technologies
The research target for hydrogenproduction cost has been changed
based on anticipated futuretechnologies, including projected
gasoline prices and relative fueleconomies of future vehicles which
will be in competition with thehydrogen fuel cell vehicle. The new
methodology provided a hydrogen
research cost of $2.00-3.00/gge(delivered, untaxed, 2005$, by 2015),
which is independent of the feedstock
or delivery pathway used to produce
and distribute hydrogen.
The upper boundary is based on the expected ratio between fuel cell vehicle and evolved gasoline internal
combustion engine vehicle fuel economies in 2015, and represents a threshold cost to be used to screen or
eliminate pathway options that cannot demonstrate an ability to meet the research goal. The lower boundary isbased on the expected ratio between fuel cell vehicle and gasoline hybrid-electric vehicle fuel economies in
2015, and defines a lower hydrogen research cost goal to be used to prioritize projects for resource allocation.
The hydrogen goals at both boundaries were then calculated using gasoline prices projected by the Energy
Information Administration (EIA) for the year 2015, expressed in 2005 U.S. dollars. In the EIA High A caseselected, the U.S. economy is more vulnerable to limited oil supplies from foreign sources due to the increasing
world and U.S. oil demand, resulting in higher oil prices.
The hydrogen cost goal may be changed in the future if warranted by changes in vehicle system energy
efficiency characteristics and/or gasoline price projections.

Program Continues to Reduce High-Volume Fuel Cell Cost Projections
For hydrogen vehicles to be cost competitive withother technology vehicles, it is critical that the highvolume production cost of fuel cells be competitive
with that of other power systems on a net power basis.
Therefore, achieving the DOE and FreedomCAR and
Fuel Partnership $30/kW cost goal by 2015 is one of themost critical technical targets of the DOE Hydrogen
Program.

Fuel Cell System Cost - 80 kW Direct H2(110 $/kW, net power)
H2 Blower andEjector
4%
Membrane
Humidifier
4%

Misc (Valves,
Sensors, andPiping)6%
Assembly
3%

Enthalpy Wheel
Humidifier3%

In the early 1990s, DOE estimated that the highvolume (500,000 units per year) fuel cell cost wasapproximately $3,000/kW, i.e., two orders of magnitude
CEM and Air
above our goal. Over the last 15 years, through private
Filtration
13%
and taxpayer investment in research, fuel cell costs havesteadily decreased. Analysis by TIAX LLC shows that
HX, Coolant
we are now approaching a high-volume cost of
Pumps, and Fan
4%$110/kW (bettering the 2005 target of $125/kW) andcontinuing to make steady progress toward $30/kW. In Courtesy of TIAX LLC
6

－48－

Stack
63%

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

FY 2006, DOE will commission and independent peer review of the assumptions and methodology used in thisanalysis to determine whether the result is valid. Although progress has been substantial, further cost
reductions are becoming increasingly challenging as we try to achieve $45/kW by 2010 on the way to the 2015
goal.

Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy in Planning StageIn early 2005, under the sponsorship of the
Manufacturing Interagency Working Group (IWG) of
the Committee on Technology, National Science andTechnology Council (NSTC), an effort began to focus
our nation’s manufacturing research and development(R&D) on three priority areas: Manufacturing for theHydrogen Economy, Nanomanufacturing, andIntelligent and Integrated Manufacturing Systems.
DOE has taken the lead on the first of these, and the
DOE Hydrogen Program has assumed responsibility
within the Department to plan this effort.
The Hydrogen Fuel Initiative focuses on
researching, developing, and validating criticalhydrogen and fuel cell technologies. As industry
Courtesy of Ballard Power Systems
prepares for its commercialization decisions on thesetechnologies around 2015, it is crucial that manufacturing processes be developed concurrently to (1) reducethe costs of hydrogen systems to levels competitive with petroleum-based systems, and (2) build the necessary
manufacturing infrastructure and supplier base to support the hydrogen economy. In July 2005, DOE beganplanning by holding a “Workshop on Manufacturing R&D for the Hydrogen Economy.” Participants fromindustry, government, national laboratories, and academia reviewed the current state of R&D and identified
manufacturing R&D needs for systems that produce, deliver, store, and use (e.g., fuel cells) hydrogen. The
findings of this workshop will be used to prepare an R&D roadmap for release by January 2006.

Hydrogen Program Gains Momentum with New Projects
The breadth and depth of research, development, and demonstration activities within the DOE Hydrogen
Program were significantly enhanced during FY 2004 and 2005 with the initiation of new competitively
selected projects totaling approximately $510 million ($755 million with private cost share), subject toappropriations. These projects will work to overcome critical technology barriers and to bring hydrogen andfuel cell technology from the laboratory to the showroom. New projects span the following technology areas:
•
•

•

•

Basic Science: Selected 70 projects ($64 million over three years) in basic research to address thefundamental science underpinning hydrogen production, storage, and end use.
Hydrogen Production and Delivery: Began funding 65 new hydrogen production and delivery projects($107 million over four years) in 2005, covering renewable, nuclear, and coal-based hydrogen production
and delivery technologies.
Hydrogen Storage: Initiated a National Hydrogen Storage Project ($150 million over five years) that
includes three Centers of Excellence, over 20 independent projects addressing applied research, andincorporating new basic research projects.
Fuel Cells: Initiated five projects that address critical fuel cell cost and durability issues for transportation,
consumer electronics, and other applications ($13 million over three years).

7

－49－

DOE Hydrogen Program••

FY 2005 Progress Report

Technology Validation: Established a national vehicle and infrastructure “learning demonstration” project($170 million for four teams over six years) to measure progress and help guide research and development.
Education: Created three Hydrogen Technology Learning Centers, held pilot “Hydrogen 101” Workshops
for state and local governments in six states, and launched middle school and high school curricula andteacher professional development programs ($5 million over five years).

Basic Research Addresses the Program’s Key Technical Challenges
The Basic Energy Sciences (BES) office within the DOE Office of Science is a
critical member of the DOE Hydrogen Program team, providing fundamental researchin the most technically challenging areas facing the Program. This basic work
complements the applied research and development projects conducted by the Offices
of Energy Efficiency and Renewable Energy; Fossil Energy; and Nuclear Energy,
Science and Technology. In May 2005, Secretary of Energy Samuel W. Bodman
announced the selection of over $64 million in BES research projects addressinghydrogen and fuel cell technologies in the following five areas:
•
•
•
•
•

Novel Materials for Hydrogen Storage
Membranes for Separation, Purification, and Ion Transport
Catalyst Design at the Nanoscale
Solar Hydrogen Production
Bio-inspired Materials and Processes

These five technical focus areas were identified during DOE’s May 2004 workshop sponsored by BES on“Basic Research Needs for the Hydrogen Economy.” The 2005 awards include over 50 preeminent researchorganizations in 25 states, and typically are funded for three years. A more detailed description of the research
as well as listings of the projects awarded in each of the five categories is found in Section II of this report.

Hydrogen-from-Coal Projects Awarded by the Office of Fossil Energy
In FY 2005 the Office of Fossil Energy announced the award of 32 clean coal research projects to advancePresident Bush's goal to develop a coal-fired zero emissions power plant. This initiative will also advanceother energy-related policy initiatives in hydrogen and climate, including the FutureGen zero-emissions power
plant of the future. Secretary Bodman stated, “Coal is our most abundant fuel resource. It's important that we
find ways to use it in a cleaner, more efficient way in order to provide the energy needed to continue our
economic growth and job creation. All of these projects are an investment in our Nation's energy andeconomic security, present and future.” Among the objectives of the research specifically related to hydrogenand fuel cells are (1) improved and new methods of producing pure hydrogen in coal gasification, and(2) hydrogen handling and safe storage.

Projects Awarded for Nuclear Hydrogen Research in FY 2005
The nuclear hydrogen initiative focuses primarily on hydrogen production technologies that utilize hightemperature nuclear reactors to produce hydrogen. In support of the DOE Hydrogen Program, this initiative
within the Office of Nuclear Energy, Science and Technology awarded three projects during FY 2005 related tothe production of hydrogen via high-temperature processes (thermochemical and high-temperatureelectrolysis). These awards were to (1) Clemson University for “The Sulfur-Iodine Cycle: Process Analysis
and Design Using Comprehensive Phase Equilibrium Measurements and Modeling,” (2) Johns Hopkins
University for “Silicon Carbide Ceramics for Compact Heat Exchangers,” and (3) University of Wisconsin for“Salt Heat Transport Loop: Materials Corrosion and Heat Transfer Phenomena.” This important research

8

－50－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Reportpaves the way for demonstration of large-scale, emission-free production of hydrogen with nuclear energy, andeventually integrating a hydrogen production demonstration with a Generation IV nuclear reactor.

Learning Demonstration Kicks into High Gear in 2005
The National Hydrogen Learning Demonstrationcommenced this year with a kick-off event at the National
Hydrogen Association Annual Hydrogen Conference 2005 in
Washington, D.C. Over the course of five years the four
selected teams will work to assess the status of hydrogen
infrastructure and fuel cell vehicle technology against timephased, performance-based targets. Everything from fuel cell
durability and efficiency to vehicle range and fuel cost will betested under a variety of climate and use conditions,employing several hydrogen infrastructure options.
Data acquired through the vehicle and infrastructuretechnology demonstration projects will be used to refocus
research and development, benchmark technology status, andraise public awareness of hydrogen technology. Each project
includes a comprehensive safety plan, an activity to assist in
Secretary of Energy Samuel Bodman and Under
developing codes and standards, and a comprehensive,
Secretary David Garman kick off the National Hydrogen
integrated education and training campaign. Teams are
Learning Demonstration in Washington, D.C.
DaimlerChrysler and BP, Ford and BP, General Motors andShell, and Chevron and Hyundai-Kia, and also are supported by hydrogen suppliers, fuel cell suppliers, electricutility and/or gas companies, fleet operators, system and component suppliers, small businesses, universities
and government entities. The new Energy Policy Act of 2005 strongly supports the Learning Demonstration
effort as an important element of the Program’s push toward a 2015 commercialization decision.

H2A Models Support Transparency in Program Analysis Activities
The National Renewable Energy
Laboratory, in collaboration with industry,
led the Hydrogen Analysis (H2A) group in
developing a hydrogen production costmodel. The H2A model addresses the needfor consistent analysis methodology andtransparent reporting independent ofhydrogen production pathway. This cash
flow analysis tool, which assesses theminimum hydrogen cost (including a profit
factor) for a variety of hydrogen production
pathways, will be used by the Program, its
contractors, and stakeholders to evaluate
technologies on a common basis, to assess
technology tradeoffs, and to aid systems
analysis efforts. The H2A forecourt andExample H2A Distributed Natural Gas Hydrogen Production Cost Sensitivity
central hydrogen production models have Analysis
been peer reviewed and beta tested using
several hydrogen production pathways,

9

－51－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

including coal, natural gas, biomass, electrolysis, and forecourt receiving and dispensing. An H2A model
assessing hydrogen delivery options has also been developed and beta tested and will be issued in FY 2006.
The H2A group is composed of members from national laboratories, industry, and academia. In addition,it has sixteen Key Industry Collaborator (KIC) companies which have supported the analysis and model
development, providing key recommendations and peer review functions. The production models are
currently available through http://www.hydrogen.energy.gov/h2a_analysis.html, so that all interested parties
can utilize them.

Hydrogen Program Participants Demonstrate Ability to Innovate
One measure of the innovation and robustness of a research anddevelopment program is the numbers of patents applied for andgranted. Each year, the DOE Hydrogen Program tracks the numberof patents that are filed by or awarded to projects sponsored by the
Program. During FY 2005, eight patents were issued to Hydrogen
Program projects, including one international patent. In addition, alarge increase in the number of patent applications occurred in 2005(48) compared to the previous year (22). With over 100 new
projects starting in 2005, the Program can expect these numbers tocontinue to be strong over the next several years. Congratulations
to all researchers whose work is critical to the Program’s successand is being acknowledged via the patent process.

DOE Hydrogen Program Launches New Website
A new DOE website launched in 2005 provides a
focal point for all Department of Energy activities
under the President’s Hydrogen Fuel Initiative. The
website includes news, documents, announcements,
and descriptions of technologies. It contains
convenient links which take the user directly to thehydrogen and fuel cell areas within the office-specificwebsites of the Offices of Energy Efficiency and
Renewable Energy; Fossil Energy; Nuclear Energy,
Science and Technology; and Science. The site isdeveloped and maintained by the Systems Integration
office of the Program, and its URL is
www.hydrogen.energy.gov.

10

－52－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

2005 Annual Merit Review and Peer Evaluation Held in Arlington, Virginia
The DOE Hydrogen Program held its annual review in May in
Arlington, Virginia. This was the largest review to date, with Principal
Investigators (PIs) of 300 projects providing oral briefings or poster
presentations. A panel of 150 technical experts covering all aspects ofhydrogen and fuel cell technologies conducted peer reviews of 200 of
those projects. The findings and recommendations of the peer
reviewers are used by the project PIs to guide their future work, and by
the Technology Development Managers at DOE to make programmaticand funding decisions for the upcoming fiscal year. Those projects thatwere not peer reviewed were typically ones that had just started in thesix months preceding the May meeting. Hydrogen Program projects
from the Offices of Fossil Energy and Nuclear Energy, Science andTechnology were also part of the process for the first time. This gave
the hydrogen community and its stakeholders the opportunity to see thefull breadth and depth of the DOE program in one venue. The Office of
Science, whose hydrogen and fuel cell-related awards were announced
the same week as the review, provided an overview of its emerging
program and will be more fully involved in the 2006 meeting as its projects begin to make progress. The
proceedings and final report from the 2005 review can be found on the Program’s website at
http://www.hydrogen.energy.gov/annual_review05.html. The 2006 meeting is scheduled to be held May 16-19
in Washington D.C.
We are pleased to present the U.S. Department of Energy’s Hydrogen Program Annual Progress Report for
Fiscal Year 2005. The accomplishments of 286 projects currently sponsored by the Hydrogen Program arepresented herein. Preceeding each technology area (e.g., storage, fuel cells, etc.), DOE Technology
Development Managers provide an overview that summarizes the progress made in each area. We welcome
suggestions for improving the ability of the Hydrogen Program to impact the realization of a hydrogen
economy.

Steve Chalk, Program Manager
DOE Hydrogen Program

11

－53－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

12

－54－

参考資料 １

2. Progress Report: 2005 Annual Progress Report

Basic Research

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

II Basic Research
The Basic Energy Sciences (BES) office within the DOE Office of Science
supports the DOE Hydrogen Program by providing basic, fundamental research inthose technically challenging areas facing the Program, complementing the appliedresearch and demonstration projects conducted by the Offices of Energy Efficiency
and Renewable Energy; Fossil Energy; and Nuclear Engineering, Science andTechnology. In May 2005 Secretary of Energy Samuel W. Bodman announced theselection of over $64 million in BES research and development projects aimed atmaking hydrogen fuel cell vehicles and refueling stations available, practical andaffordable for American consumers by 2020.
A total of 70 hydrogen research projects were selected to focus on fundamental science and enable
revolutionary breakthroughs in hydrogen production and storage, in addition to new fuel cell technologies.
Participants in the projects include more than 50 research organizations in 25 states. The organizations include
academic institutions, industry, and national laboratories.
The projects address five technical focus areas identified during
the Department of Energy’s May 2003 workshop on “Basic
Research Needs for the Hydrogen Economy.” The key finding ofthat workshop was summarized as follows: “Bridging the gaps that
separate the hydrogen- and fossil-fuel based economies in cost,
performance, and reliability goes far beyond incremental advancesin the present state of the art. Rather, fundamental breakthroughs
are needed in the understanding and control of chemical andphysical processes involved in the production, storage, and use ofhydrogen. Of particular importance is the need to understand theatomic and molecular processes that occur at the interface ofhydrogen with materials in order to develop new materials suitablefor use in a hydrogen economy. New materials are needed formembranes, catalysts, and fuel cell assemblies that perform at muchhigher levels, at much lower cost, and with much longer lifetimes.
Such breakthroughs will require revolutionary, not evolutionary,advances. Discovery of new materials, new chemical processes,
and new synthesis techniques that leapfrog technical barriers is
required. This kind of progress can be achieved only with highly
innovative, basic research.”
The BES initiatives are part of a comprehensive, balanced portfolio of basic and applied research,technology development, and learning demonstration projects aimed to significantly advance President Bush’s
Hydrogen Fuel Initiative. The projects were selected through an open, merit-reviewed, competitive solicitation
process. The $64 million will be provided to the awardees by the Department over three years, subject toCongressional appropriations.
Following are brief descriptions of the five technical areas addressed by the BES program, along with the
project titles and organizations of the 70 awards.

15

－55－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

A. Novel Materials for Hydrogen Storage (17 projects, $19.8 million overthree years)
On-board hydrogen storage has been identified by boththe National Academy of Sciences and the DOE as a key
technology for the successful implementation of a hydrogen
economy. However, significant scientific challenges remain,
highlighting the need for further basic research. Within thehydrogen storage topic, 17 projects will be awarded to 10
universities and 6 national laboratories (Table 1). A broad
range of research in hydrogen storage is covered by theseselected projects, including complex hydrides;
nanostructured and novel materials; theory, modeling, and simulation; and state-of-theart analytical and characterization tools to develop novel storage materials and methods.
Table 1. Novel Hydrogen Storage Materials
Institution

Project Title

Massachusetts Institute ofTechnology

Theory and Modeling of Materials for Hydrogen Storage

Washington University

In Situ NMR Studies of Hydrogen Storage Systems

University of Pennsylvania

Chemical Hydrogen Storage in Ionic Liquid Media

Colorado School of Mines

Molecular Hydrogen Storage in Novel Binary Clathrate Hydrates at Near-Ambient
Temperatures and Pressures

Georgia Institute of Technology

First-Principles Studies of Phase Stability and Reaction Dynamics in Complex Metal
HydridesLouisiana Tech University

Understanding the Local Atomic-Level Effect of Dopants In Complex Metal Hydrides
Using Synchrotron X-ray Absorption Spectroscopy and Density Functional Theory

University of Missouri, Rolla

In-Situ Neutron Diffraction Studies of Novel Hydrogen Storage Materials

University of Georgia

Integrated Nanoscale Metal Hydride-Catalyst Architectures for Hydrogen Storage

Tulane University

Molecular Design Basis for Hydrogen Storage in Clathrate Hydrates

Southern Illinois University

First Principles Based Simulation of Hydrogen Interactions in Complex Hydrides

Massachusetts Institute ofTechnology

High Throughput Screening of Nanostructured Hydrogen Storage Materials

Pacific Northwest National Laboratory

Control of Hydrogen Release and Uptake in Condensed Phases

Brookhaven National Laboratory

Atomistic Transport Mechanisms in Reversible Complex Metal Hydrides

Ames Laboratory

Complex Hydrides - A New Frontier for Future Energy Applications

Lawrence Berkeley National
Laboratory

A Synergistic Approach to the Development of New Classes of Hydrogen Storage
Materials

Oak Ridge National Laboratory

Atomistic Mechanisms of Metal-Assisted Hydrogen Storage in Nanostructured
Carbons

Savannah River National Laboratory

Elucidation of Hydrogen Interaction Mechanisms with Metal-Doped Carbon
Nanostructures

16

－56－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

B. Membranes for Separation, Purification, and Ion Transport (16 projects,$12.3 million over three years)
Novel membranes are needed to selectivelytransport atomic, molecular, or ionic hydrogen andoxygen for hydrogen production and fuel cellapplications. The 16 projects selected, which include 13
universities and 3 national laboratories, address
integrated nanoscale architectures; fuel cell membranes;
and theory, modeling, and simulation of membranes andfuel cells (Table 2).
Table 2. Membranes for Separation, Purification, and Ion Transport
Institution

Project Title

University of Utah

Computer Simulation of Proton Transport in Fuel Cell Membranes

Clemson University

New Proton-Conducting Fluoropolymer Electrolytes for PEM Fuel Cells

Carnegie Mellon University

Rapid Ab Initio Screening of Ternary Alloys for Hydrogen Production

Rensselaer Polytechnic Institute

Sol-Gel Based Polybenzimidazole Membranes for Hydrogen Pumping Devices

Lehigh University

Porous and Glued Langmuir-Blodgett Membranes

University of Pennsylvania

The Development of Nano-Composite Electrodes for Natural Gas-Assisted SteamElectrolysis for Hydrogen Production

Case Western Reserve University

Theory, Modeling, and Simulation of Ion Transport in Ionomer Membranes

University of Tennessee

A Unified Computational, Theoretical, and Experimental Investigation of Proton
Transport through the Electrode/Electrolyte Interface of Proton Exchange
Membranes Fuel Cells Systems

Vanderbilt University

Template-Assisted Fabrication of Well-Defined Diffusion/Catalyst/Ionomer
Networks

California Institute of Technology

Polymer Functionalized Zeolite Proton Exchange Membranes (PFZ-PEM) for
Medium Temperature (<299°C) Fuel Cells

University of Rochester

Composite Fuel Cell Membranes Containing Aligned Inorganic Particles

University of North Carolina, Chapel Hill

Proton Exchange Membranes for Next Generation Fuel Cells

Cornell University

Novel Intermetallic Catalysts to Enhance PEM Membrane Durability

Lawrence Berkeley National Laboratory

Nanocomposite Proton Conductor

Los Alamos National Laboratory

Fundamentals of Hydroxide Conducting Systems for Fuel Cells and Electrolyzers

Pacific Northwest National Laboratory

Charge Transfer, Transport, and Reactivity in Complex Molecular Environments:
Theoretical Studies for the Hydrogen Fuel Initiative

17

－57－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

C. Catalyst Design at the Nanoscale (18 projects, $15.8 million over three years)
Catalysis plays a vitalrole in hydrogen production,
storage and use.
Specifically, catalysts areneeded for converting solar
energy to chemical energy,
producing hydrogen fromwater or carbon-containing
fuels such as coal and biomass, increasing efficiency in hydrogen storage kinetics,
and producing electricity from hydrogen in fuel cells. Nanoscale catalyst designs
will be explored through 18 projects involving 12 universities and 5 national
laboratories (Table 3). Research areas include innovative synthetic techniques; novel characterization
techniques; and theory, modeling, and simulation of catalytic pathways.
Table 3. Catalyst Design at the Nanoscale
Institution

Project Title

University of Pittsburgh

Multiscale Tailoring of Highly Active and Stable Nanocomposite Catalysts

Tufts University

Nanostructured, Metal-Ion Modified Ceria and Zirconia Oxidation Catalysts

Massachusetts Institute of Technology

Instability of Noble Metal Catalysts in Proton Exchange Membrane Fuel Cells:
Experiments and Theory

University of Wisconsin

Atomic-Scale Design of a New Class of Alloy Catalysts for Reactors Involving
Hydrogen: A Theoretical and Experimental Approach

University of California, Santa Barbara

Nanostructured Metal Carbide Catalysts for the Hydrogen Economy

University of Wyoming

eNMR for In-Situ Fuel Cell Catalyst Characterization

Yale University

Novel Reforming Catalysts

Texas A&M University

Theory-Guided Design of Nanoscale Multi-Metallic Catalysts for Fuel Cells

Johns Hopkins University

Nanoengineered Mesoporous Metals with Monolayer Thick Precious Metal Catalyst
Skin

University of Illinois

Reversible Dehydrogenation of Boron Nanoclusters

Texas Tech University

Strategies for Probing Nanometer-Scale Electrocatalysts: From Single Particles toCatalyst-Membrane Architectures

Arizona State University

A Surface Stress Paradigm for Studying and Developing Catalyst and Storage
Materials Relevant to the Hydrogen Economy

University of Illinois

Cathode Catalysis in Hydrogen/Oxygen Fuel Cells

Argonne National Laboratory

Fundamental Studies of Electrocatalysis for Low Temperature Fuel Cell Cathodes

Stanford Linear Accelerator Center

Development and Mechanistic Characterization of Alloy Fuel Cell Catalysts

Brookhaven National Laboratory

Metal Oxide-Supported Platinum Monolayer Electrocatalysts for Oxygen Reduction

Sandia National Labs- AlbuquerqueDesign of Novel Nano-Catalysts for Improved Hydrogen Production

Oak Ridge National Laboratory

Nanoscale Building Blocks for Multi-Electron Electrocatalysis: The Oxygen
Reduction Reaction in Fuel Cells and Oxygen Evolution in Water Electrolysis

18

－58－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

D. Solar Hydrogen Production (13 projects, $10 million over three years)
Efficient and cost-effective conversion of sunlight to hydrogen by splitting water is a major enabling
technology for a viable hydrogen economy. Hydrogen production via solar energy conversion will be studied
through 13 projects at 8 universities, 1 industry company, and 3 national laboratories (Table 4). The projects
address nanoscale structures; inorganic and organic semiconductors and other high-performance materials; andtheory, modeling, and simulation of photochemical processes.
Table 4. Solar Hydrogen Production
Institution

Project Title

Colorado State University

A Combinatorial Approach to Realization of Efficient Water Photoelectrolysis

California Institute of Technology

Sunlight-Driven Hydrogen Formation by Membrane-Supported
Photoelectrochemical Water Splitting

University of Arizona"Electrochemically Wired” Dye-Modified Dendrimers and Semiconductor
Nanoparticles in Sol-Gel Thin Films: Toward Vectorial Electron Transport in Hybrid
Materials and Solar-Assisted Hydrogen Production

University of California, Santa Cruz

Hydrogen Generation Using Integrated Photovoltaic and Photoelectrochemical Cells

Pennsylvania State University

Dye-Sensitized Tandem Photovoltaic Cells

Purdue University

Biomineralization Inspired Electrochemical Fabrication of High Performance
Photoelectrodes for Solar Hydrogen Production

Pennsylvania State University

Photoelectrochemistry of Semiconductor Nanowire Arrays

University of Washington

Real-Time Atomistic Simulation of Light Harvesting and Charge Transport for Solar
Hydrogen Production

Nanoptek Corporation

Bandgap Tailoring of Thin-Film Photocatalysts by Coating onto Stress-Inducing
Nanostructured Templates

Virginia Polytechnic Instituteand State University

Photoinitiated Electron Collection in Mixed-Metal Supramolecular Complexes:
Development of Photocatalysts for Hydrogen Production

Brookhaven National Laboratory

Catalyzed Water Oxidation by Solar Irradiation of Band-Gap-Modified
Semiconductors

Pacific Northwest National Laboratory

Fundamental Investigations of Water Splitting on Model TiO2 Photocatalysts Doped
for Visible Light Absorption

National Renewable Energy
Laboratory

Ultra-High Efficiency Solar Hydrogen Production via Singlet Fission in Molecules andExciton Multiplication in Quantum Dots

19

－59－

DOE Hydrogen Program

FY 2005 Progress Report

E. Bio-inspired Materials and Processes (6 projects, $7 million over three years)
Fundamental research into the molecular mechanisms underlying biological hydrogen production is the
key to our ability to adapt, exploit, and extend what nature has accomplished for our own renewable energy
needs. Bio-inspired materials and processes for hydrogen production will be investigated through 6 projects at
5 universities and 1 national laboratory (Table 5). Research includes enzyme catalysis; bio-hybrid energy
coupled systems; and theory, modeling, and nanostructure design.
Table 5. Bio-Inspired Materials and Processes
Institution

Project Title

Pennsylvania State University

A Hybrid Biological/Organic Half-Cell for Generating Dihydrogen

University of Washington

Hydrogenases of Methanococcus Maripaludis

North Carolina State University

RNA Mediated Synthesis of Catalysts for Hydrogen Production and Oxidation

University of Georgia

Fundamental Studies of Recombinant Hydrogenases

University of Pennsylvania

Modular Designed Protein Constructions for Solar Generated H2 from Water

National Renewable Energy Laboratory

Structural, Functional, and Integration Studies of Biocatalysts for Development of
Solar Driven, Bio-Hybrid, H2-Production Systems

20

－60－

参考資料 １

3. Hydrogen Cost: DOE Hydrogen Program Record

Basic Research

－61－

Originator: Roxanne Garland
Approved by: JoAnn Milliken
Date: December 21, 2005

DOE Hydrogen
Program Record
Record #: 5013
Date: December 15, 2005
Title: Hydrogen Cost Goal
Item: $2.00 - $3.00/gge

－62－

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Gasoline (Untaxed), $/gal.
Gasoline Price, Untaxed ($/gallon)

1.29

FCV fuel economy
relative to a gasoline
ICEV (2.4)

Model for Hydrogen Cost Goal
(Equivalent $/mile for consumer)

3.5

4

FCV fuel economy
relative to a gasoline
HEV (1.66)

4.5

Note: FCVs are assumed to be 1.66 times more efficient than gasoline HEVs (The Hydrogen Economy: Opportunities,
Costs, Barriers, and R&D Needs, Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen
Production and Use, National Research Council and National Academy of Engineering, 2004, p. 66) and 2.4 times
more efficient than gasoline ICEVs (Ibid, p. 26). EIA projected gasoline price of $1.29 in 2015 is based on the high "A"case (Annual Energy Outlook 2005, Energy Information Administration, January 2005).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Calculation

Hydrogen Cost, $/gge.

2

－63－

April 19, 2005

Presented to the FreedomCAR and Fuel Partnership Executive
Steering GroupBy the Fuel Pathways Integration Tech TeamDon Gardner
Fred Joseck

Reference:
Hydrogen Cost Goal

－64－

Was not based on comparison to a competitive benchmark

Timeframe is not consistent with the partnership’s 2015 commercialization
decision point••• Represented a snapshot in time based on distributed natural gas reforming• The current hydrogen cost target of $1.50 / gge (untaxed, 2001$) for 2010 was
developed in 2002.

Why Re-Examine the Hydrogen Cost Target?

Hydrogen Cost Goal

4

－65－

• Reassessment based on major changes in technology or external
drivers• Developed through a well defined, transparent process• Defined by comparison to evolved baseline or next-best technology• Guide R&D programs by enabling prioritization and focusing ofoptions• Provide a "yardstick" for assessing technology performance

General Principles for Cost Goals

5

－66－

• R&D guidance provided in two forms• Evolved gasoline ICE defines a threshold hydrogen cost used to screen
or eliminate options which can’t show ability to meet target• Gasoline-electric hybrid defines a lower hydrogen cost used to prioritize
projects for resource allocation• Evolved gasoline ICE and gasoline-electric hybrids are benchmarks• Consumer fueling costs are equivalent or less on a cents per mile basis• Goal is pathway independent

Application of Principles

Hydrogen Cost Goal

6

－67－

0

1

2

3

4

5

6

Projects

H2 Pathway
Threshold Cost

H2 Pathway
Prioritization Cost

2015 Hydrogen (H2) Goals

Hydrogen Cost Goal

Hydrogen Cost (untaxed), $/gge

Hydrogen
Cost Goal
Range

7

－68－

≤

Value

(EIA Gasoline Pricein 2015)[
SourceFuel Economy H2FCVFuel Economy
Competitive Vehicle]

1

1 Ratio of FCV fuel economy to competitive vehicle• Hydrogen Cost Goal Range = $2.00 – 3.00/gge.

Results8

Gasoline price projection$1.26 / gal
EIA Annual Energy Outlook, 2005
for 2015(untaxed, 2005 $)Ratio of FCV fuel economy
2.40
NRC H2 Economy Reportto evolved gasoline ICE
Ratio of FCV fuel economy
1.66
NRC H2 Economy Reportto gasoline hybrid

Input

H2 Cost($ / gge)

Mechanics

Hydrogen Cost Goal

－69－

0

1

2

3

4

5

6

Projects

H2 Pathway
Threshold Cost

H2 Pathway
Prioritization Cost

2015 Hydrogen (H2) Goals

Hydrogen Cost Goal

Hydrogen Cost (untaxed), $/gge

Hydrogen
Cost Goal
Range

9

29

2020

2015

37

44

27

34

41

2025

30

39

48

• The value in the box is the corresponding crude price in $/bbl• Note: Prices are in 2005 dollars
10• Reference case - not used;
relatively and stable prices,
little economic case forchange• “Hi A” case – used; greater
increase in future (20202025)• “Hi B” case – not used; too
far from best projections(Reference case)• EIA “Hi A” case => $1.26/gal (untaxed, $34/bbl)

1.6
1.5
37
1.4
1.3
1.2 34
1.1
1 25
0.9
2010

EIA Hi B World Oil Price
EIA Hi A World Oil Price
EIA Reference

Source: EIA Annual Energy Outlook 2005, p. 216

Assumptions for Cost Model: EIA Gasoline
Price (Untaxed) Projections

Gasoline Price (untaxed),$/gal.

－70－

－71－

•JOG will work on communications plan

• The Hydrogen Cost Goal will be changed in the Partnership Plan

Next Steps if Receive Approval:

is a major change in technology, markets, and/or other external drivers.

• The Hydrogen Cost Goal should be reevaluated in the event there

to prioritize the R&D projects (highest resource allocation).

11

 The Hydrogen Prioritization Cost of $2.00 will be used as a guideline

factor used to screen R&D projects

 The Hydrogen Threshold Cost of $3.00 will be a guideline and one

as a range (untaxed in 2005$)/gge for 2015.

• The Hydrogen Cost Goal should be revised expressed

Recommendation to ESG:

Hydrogen Cost Goals

－72－

Backup Slides

12

－73－

27

Reference
Case

1.07

1.26

1.40

2015 Gasoline
Price(untaxed),$/gal.

2.57

3.02

3.36

HydrogenThreshold
Cost, $/gge.
(Gas ICEV)

1.78

2.09

2.32

HydrogenPrioritization
Cost, $/gge.
(Gas HEV)The Lower Hydrogen Threshold Cost is based on a Vehicle Fuel Efficiency Improvement
Factor of 1.66 from the NAS.

The Hydrogen Threshold Cost is based on a Vehicle Fuel Efficiency Improvement Factor of
2.4 from the NAS.

34

41

2015 World
Oil Price,$/bbl

High “A”
World Oil
PriceHigh “B”
World OilPrice

EIA Case

Summary of EIA Cases &Hydrogen Cost

13

－74－

Note:
The source of this information is the EIA Annual Energy Outlook 2005 on page 216.

High B World Oil PriceWorld oil prices remain high and are $48.00 per barrel in 2025,
compared with $30.31 per barrel in the reference case.

High A World Oil Price
Reference case assumptions except that the world oil prices are$39.24 per barrel in 2025, compared with $30.31 per barrel in thereference case.

EIA Reference Case
Baseline economic growth (3.1 percent per annum), world oil pricefalling to about $25 per barrel by 2010 and rising to $30.31 per barrel,
and technology assumptions.

EIA Case Descriptions

14

H2 Cost

Cost1 H2

Any Fuel
System=[](EIA Gasoline Pricein 2015)

2015

=≤

]

Any Fuel
System

3 NRC fuel economy ratios cited; able to reference[

Fuel Economy H2FCVFuel Economy
Competitive Vehicle

15

2015

]

3

Fuel Economy Competitive
2015
VehicleEIA Gasoline2 Price

Fuel Economy mi/gge[

Fuel Cost $/gge

2 EIA Price is untaxed; able to reference

2015

≤

Fuel Economy H2FCV¢/miHydrogen Cost Goal Methodology

1 Untaxed－75－Fuel Economy

=

2.40

[NRC H2 Economy
Report, p.26]

Fuel Economy

=

1.66

1 1%/yr improvement in fuel economy assumed in both cases

H2FCV
Gas HEV[NRC H2 Economy
Report, p.26;
derived using Gas
HEV to Gas ICE
ratio of 1.45]• 2: Gasoline hybrid-electric vehicle (HEV)H2FCV
Gas ICEV• 1: Gasoline internal combustion engine (ICE) vehicle –no hybridization

Assumptions for Hydrogen Cost Method:
Fuel Economy Ratios for Competitive
Options1－76－

16

参考資料 １

4. Demand: Hydrogen Demand in 2040 for FCVs

Basic Research

DOE Hydrogen Program Record
Record #:Title:

5008

Date: December 28, 2005

Hydrogen Demand in 2040 for FCVs

Items:- 64 million metric tons of hydrogen would be needed to power 300 millionhydrogen fuel cell vehicles in 2040.
- 300 million FCVs would be 80% of the vehicle fleet of 375 million vehicles
projected for 2040

Data/References:
The following values were based on the VISION Model: Description of Model Used to
Estimate the Impact of Highway Technologies and Fuels on Energy Use and Carbon
Emissions to 2050. Singh M., A. Vyas, and E. Steiner, Argonne National Laboratory,
December 2003, ANL/ESD/04-1 (www.transportation.anl.gov/pdfs/TA/299.pdf).
1- 375 million vehicles projected for 2040 in the U.S. Vehicles refer to light duty vehicles
as defined in the model.
2- 300 million FCVs is based on the model's assumption of the following FCV market
sales rates: 4% in 2018, 27% in 2020, 78% in 2030, and 100% by 2038.
3- 13,000 miles per light duty vehicle in 2040. (Also from Transportation Energy Data
Book: Edition 23-2003, Table 7.4 (7-4).
4- 24.3 miles per gallon for conventional light duty vehicles in 2040.
5- 2.5 is the assumed ratio of FCVs miles per kg (or gge) of hydrogen to miles per gallonof gasoline for conventional vehicles.

Calculations:
300 million Fuel cell vehicles x 13,000 miles per vehicle per year = 3,900 billion miles
driven per year
24.3 miles per gallon for conventional vehicles x 2.5 factor for fuel cell vehicle in 2040 =60.75 miles/kg of H2 for a fuel cell vehicle.

1－77－

3,900 billion miles divided by 60.75 miles/kg of hydrogen = 64 million metric tons ofhydrogen required.

Originator: Fred Joseck, Mark Paster
Approved by: JoAnn Milliken

Date:

January 3, 2006

Title:

Hydrogen Demand in 2040 for FCVs

2－78－

参考資料 １

5. MARAD ET Program: Maritime Administration

Energy Technologies Program－79－

Office of Shipbuilding and Marine Technology
Maritime Administration

Daniel J. GorebyApril 08, 2004

Shipboard Energy Technologies
Conference

Presented to

Maritime Administration
Energy Technologies
Program1

－80－• “Why an Energy Technologies program?”• Brief overview of the program plan
• Ferry retrofit projects• Cargo ship projects• Fuel Cell and laboratory projects• Emission measurement protocol activities• Website and contact information• Theme for today’s Workshop

Presentation Contents

2

－81－

Why A Maritime Energy
Technologies Program?

3

－82－

U.S. Ozone
Nonattainment Areas• Ozone Nonattainment• Public pressure– Ferries use hwy diesel• CARB regulation– New category 3 eng’s (2002)• NOx, HC, CO, and PM

4– New category 1, 2 eng’s (1999)• EPA regulations– NOx and Sulfur limits in 2004

• Maritime in spotlight• MARPOL Annex 6

Recent Emission Pressures

On-Road Mobile

Other Mobile

Marine Shipping

0
1999

10

20

30

NOx Tons per Day

2015

77.55

Stationary Sources

2010

74.05

40

2005

75.23

Areawide

77.64

Growing Marine Emissions
Santa Barbara NOx Example

50

60

70

80

90

Slide Courtesy of SBCAPCD

－83－

5

－84－

Program Overview

6

－85－

• Disseminate energy technology and related
policy information to the maritime community• Investigate and demonstrate the potential for
new technologies and fuels to improve marine
power plant efficiency and to reduce air
emissions

Program Objectives

7

－86－

– Newsletter, conferences, website, and presentations• Industry outreach– Technology evaluations, incentives & emission measuring• Supporting studies– Fuel cells, high efficiency gas turbines• Advanced technologies– Natural gas, biodiesel, hydrogen, synthetic diesel• Alternative fuels– Emulsified fuel, water injection, SCR, particulate traps• Diesel retrofits– Existing vessel data and measurement techniques• Baseline performance testing

Program Plan

8

SCX Ferries－87－

Ships Systems Engineering Station

SAN FRANCISCO

Partners

MIDAS

PRIME, Inc.

Center for Advanced Ship
Repair and Maintenance

CASRM

9

－88－

Ferry Retrofit Projects

10

－89－

2003

SCX Ferries

Modified Hydrofoil Design

MV WAVERIDER - San Diego– SCX Ferries, DOE, West
Virginia University• Partners– DD 12V92 TA, 2 Stroke– 1050 HP at 2300 RPM– Long runs at cruise speed• Engine Type & Ops– Combustion Air Water
Injection System (WIS)– 15 PPM Sulfur Diesel• Technologies

Water Injection System (WIS) &Ultra Low Sulfur Diesel (ULSD)

11

－90－

2002

Blue and Gold Fleet

MV OSKI - San Francisco Bay

12– Water Transit Authority• B&G Fleet, Walthers
Engineering, UC Berkeley• Partners– (2) DD 12V- 71– Tour Vessel• Engine Type & Ops– Combustion air water inject• Renewable• SO2 & C02 friendly– Biodiesel - B100 & B20• Technologies

Biodiesel andWater Injection System (WIS)

－91－

2001

Hampton Roads Transit Auth.

Elizabeth River Ferry II - Norfolk• HRTA, USCG, NAVSEA, West
Virginia University,
Department of Energy, Mar.
13
Chemists & Environ. Cons.

– Partners• Cross river, heavy idling– Operations• (2) CAT 3406 spk ign- gas (NA)
• (2) DDC 6V 71 (NA)– Engine Types• MV Echols - Natural Gas• MV ERF II - Diesel– Two sister ferries

Sister Ferries
Natural Gas - Diesel Comparison

－92－

Scheduled 2003 - 2004
MARAD - Advisory Board

Staten Island Ferry

14• Contractors - MJ Bradley & WVU• Sponsors - PANY&NJ, NYC DOT• Partners - EPA• SCR for NOx >70% reduction• DOC for PM• 15 PPM Sulfur Diesel?

• Eventually all 7 SI ferries– (2) Cat 3516 Engine (TC)• Pilot Project - Austen Class

Selective Catalytic Reduction &Diesel Oxidation Catalyst

－93－

NY Waterway
Seastreak
New York Water Taxi
Scheduled 2003 - 2004
MARAD - advisory role

Environment Canada, NESCAUM, ESI

15• Sponsors - NYC DOT, FHWA, & FTA• Partners - EPA, Ferry Operators• Contractors - Seaworthy Systems,– Identify NY ferry fleet– Data log vessel operations– Ultra Low Sulfur Diesel testing– Down select technologies– Install, demo, & test
– Deploy technologies to fleet• NYSERDA - Program Manager• $6.8 M Program

NYC Harbor Private Ferry
Emissions Reduction Program

－94－

Cargo Ship Projects

16

－95－

• NOx, PM, HC, CO and CO2• Testing both underway and at pier• Presentation today– Maersk Lines, MAN B&W, University ofCalifornia Riverside, CARB

• Sponsor - Port of LA w/MARAD assist• Parties Involved -– Containership from L.A. to Tacoma• MV SINE MAERSK,

Maersk Vessel Baseline
Emission Testing

17

－96－

• Cooperative Research
Approach w/Operators– 25% NOx Reduction– Better Fuel Economy• Main Engine & Auxiliaries• California Coast & Ports• Promising Technologies

18– MARAD, EPA, Ports LA & LB,
CARB, Air Quality Districts• Potential Sponsors

Large Vessel
Diesel Engine Retrofit

－97－

Fuel Cell and Laboratory Projects

19

－98－

•Scheduled 2004

•Laboratory tests of
DDC 12V-71N

20– MARAD, Navy, CARB, DOE, WVU,
others• Sponsors - $1M– F-76, JP-5, ULSD, B-20, andFischer Tropsch Diesel• Fuels– Air humidification, ferrocene fueladditive, combustion chamber &injector modifications, electricallyregenerated particulate trap andmini-sac injectors• Technologies - Individual & comb.

NAVSEA Diesel Engine Pilot
Retrofit Program－99－• 22 passenger water taxi for Newport Beach, CA• 15 kW battery propulsion sys w/3kW PEM Fuel Cell

– Phase 2 - Duffy Electric Boats & Seaworthy Systems• Sodium Borohydride Water Taxi (DOT - Phase 1)• Envisions design & build of 149 passenger water shuttle• Dual 200kW propulsion system w/75kW fuel cell

– Hawaii Electric Vehicle Demonstration Project• Arizona War Memorial Shuttle• Design & build of a 49 - 100+ passenger ferry• 400 kW power from fuel cell, solar, and battery– S.F. Bay Water Transit Authority commissioning• Treasure Island Ferry

DOT Hydrogen and Fuel
Cell Ferry Projects

21－100－USMMA Renewable Energy
Fuel Cell Laboratory22

－101－

Emission Measurement Protocol
Activities23

－102－– University of California Riverside• Large Vessel Emission Test Protocol– MAN B&W with CARB Guidance• Maersk Container Ship Testing– West Virginia University• Staten Island Ferry Protocol– SNAME MEETS Conference - MARAD & 7 Authors• Views on a Universal Measurement Protocol– James Corbett of UDEL

• Vessel Engine Emission Measurement Guide

Emission Measurement
Protocol Activities24

－103－

Contact Information25

－104－– Daniel.Gore@MARAD.DOT.GOV– (202) 366-1886• Re: Presentation or program– Regina.Farr@marad.dot.gov– (202) 366-1924• For no-cost newsletter subscription:– Link to “Energy Technologies”• Website - www.marad.dot.gov/nmrec/

Website and Contact Info26

－105－

Theme For Workshop

27

－106－– Emission reduction pressures will increase– Cooperative R&D possible with MARAD and others• Facilitate future vessel owner involvement– Several monitoring organizations presenting• Address emission measuring protocols– Several equipment designers presenting• Provide emission reduction technology info

– MARAD national program assisting regional
interests• Describe Energy Technologies Program

Workshop Theme28

参考資料 １

6. ETpdfFall02: ENERGY TECHNOLOGIESBasic Research

U.S. D EPARTMENT OF T RANSPORTATIONM ARITIME A DMINISTRATIONO FFICE OF S HIPBUILDING AND M ARINE T ECHNOLOGYE NERGY T ECHNOLOGIESN EWSLETTER N O . 02

F ALL 2002

I NTRO DUCTIO N
This issue provides
updates on a numberof our major program
activities, including theestablishment of new
research partnerships
with the Naval Sea
Systems Command(NAVSEA) and SCX
Ferries, Inc. Also provided are the results ofcompleted technology
demonstrations
regarding fuel cells, a
nitrogen oxides (NOx)reduction technology,
and biodiesel fuel.

See page 3 of theNewsletter for a featured article by Mary
Culnane of the San
Francisco Water Transit Authority (WTA).
Steady progress toward the developmentof a zero-emission fuelcell ferry is described
therein.

ergy Information Administration's Annual
Energy Review 2000.
It provides data on thesource of energy andits production (domestic or imported). It
also shows that transportation consumes
almost 27 percent of
the Nation's energy.

The diagram on page
5 depicts the U.S. national energy supply
and consumption as
published by the En-

For subsequent issues, we continue toinvite and encourage
informative
articlesfrom our readers.

Inside this issue:

Fuel Cells

2

Zero-Emission
Ferry

3

Navy Testing4

Water Injection
and Biodiesel

4

Energy Chart

5

MARAD AND SCX F ERRIES S IGN R ESEARCH A GREEMENTThe Maritime Administration (MARAD) entered into a Cooperative Research Agreement with SCX Ferries,
Inc. The agreement,
signed on September
10, 2002, will examine
the performance of nitrogen oxides (NOx)and particulate matter(PM) emission control
systems aboard a hydrofoil ferry serving the
San Diego, CA, commuting area.
SCX is conducting a
one-year hydrofoil ferrycommuter demonstra-tion from Oceanside to
San Diego under an

The company is also
seeking to extend the

WESTFOIL
arrangement with thePort of San Diego and
the California Department of Transportation (CALTRANS).

demonstration to points
in the Los Angeles area
as a method of relieving
traffic congestion fromthe I-5 corridor.

Revised 02/03－107－

The M/V WESTFOIL,
the vessel to be usedin the project, isequipped with a newhydrofoil, ride control
and waterjet propulsion systems. It is 85
feet in length and capable of carrying 149
passengers. The vessel will be leased from
Pacific Marine, Inc., of
Honolulu, HI, andHornblower Marine,
Inc., will be responsible for its daily operations. The WESTFOIL
has four Detroit Diesel
12v92 TA engines(Continued on page 2)

E NERGY T ECHNOLOGIESP AGE 2F UEL C ELLS —A BOARD S HIP ?
What will it take to get fuel cells aboard ships? A
first step in the process is to determine whether afuel cell-based, electrical-power generating system can actually respond to highly variable shipboard electrical or propulsion loads.
Accordingly, MARAD and SurePower Corporation entered into a Cooperative Research Agreement to test and observe a fuel cell system’s response to simulated marine power loads. The
SurePower system incorporates two 200 kW
phosphoric acid fuel cells and a flywheel energy
storage unit.
Seaworthy Systems, Inc., was enlisted to develop
the testing protocol. Some creativity was involved as fuel cells are not addressed by marine
regulatory agencies or classification societies.

Additionally, fuel cells figuratively combine theprime mover and generator into a single unit.
A combination of American Bureau of Shipping(ABS) and Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE) requirements for power systems installed aboard ships were ultimately utilized. These tests are summarized in the below
table.
The tests demonstrated that the system met all
regulations as they apply to rotating, alternating
and direct current generators, with the exception of the 300% overload test. The latter negative outcome may have resulted from monitoring equipment limitations. It is intended that are-test can be conducted in 2003.
POC: carolyn.junemann@marad.dot.gov

Fuel Cell Tests Performed
Test No.

Description

Organization

1.1

Operational Reliability, 60 min, 100% load

ABS

1.2

Operational Reliability, 30 min, 110% load

ABS

1.3

Operational Reliability, 4 hours, various loads

2.1

Voltage Stability, +/-2.5% VAC of rated voltage - 0-100% load

ABS/IEEE

2.2

Voltage Stability, 150% load, starting

ABS/IEEE

2.3

Voltage Stability, 300% load, momentary

ABS/IEEE

3.1

Frequency regulation during load change - 100%-0%-50%-100%

3.2

Frequency regulation during load change - 0%-75%-100%-25%-0%

4.1

Parallel Operation, load sharing stability(Continued from page 1)

ABS

ABS
IEEE
ABS/IEEE

Testing Laboratory. This mobile lab will be utilized to perform the emission measurements
early next calendar year.

SCX Ferrieseach rated at 1050 BHP at 2300 RPM.
The SCX agreement with the Port of San Diegorequires the installation of emission control systems aboard the vessel. The company is currently considering using a combination of water
injection systems for NOx reduction and a low
sulfur diesel fuel for sulfur oxides (SOx) and PM
reductions.
The Department of Energy has agreed to assist
in the research program by committing the services of West Virginia University’s Mobile Source

Should the ferry operation prove successful,
SCX may build new vessels. Liquefied naturalgas (LNG) will be one of the fuels considered
for the new hydrofoil design. As part of the present Cooperative Research Agreement, MARAD will sponsor a study assessing the potential supply and comparative costs of using LNG
in the proposed SCX operating areas.
POC: sujit.ghosh@marad.dot.gov－108－

daniel.gore@marad.dot.gov

E NERGY T ECHNOLOGIESP AGE 3

FEATURED ARTICLE
S AN F RANCISCO Z ERO -E MISSION F ERRYThis article was contributed by: Mary Culnane, San Franisco’s Bay
Area Water Transit Authority (WTA) and Chris McKesson, John
J. McMullen Associates (JJMA).

As with the transit bus units, the ferry would
carry a roof-mounted “tank farm” of hydrogen cylinders, amounting to some 80,000
standard cubic feet of gas. This tank farmwould encompass a volume of 20 feet by 20
feet by 3 feet.

San Francisco’s Bay Area Water Transit Authority (WTA) is actively developing a fuel cell powered ferry in order to move toward a zeroemissions future. The envisioned vessel will
showcase the marine application of fuel cells for
propulsion and provide an opportunity to gain essential operational experience. The vessel is intended to serve Treasure Island, approximately
three miles from the San Francisco city front.

An issue not yet fully addressed is regulatory
approval of a hydrogen fuel system. The
U.S. Coast Guard has approved natural gas
fuel for ferries in some cases, and it is hopedthat the same design techniques used fornatural gas would result in approval of hydrogen. In this connection, it should be
noted that both gases are lighter than air andboth have been carried in liquefied and compressed forms (although at present only
compressed hydrogen is being considered
for the ferry).

WTA awarded a contract to John J. McMullen
Associates (JJMA) to develop design drawings
for the vessel. JJMA’s stated intent is to keep thepoints of innovation to a minimum, insofar as thatis consistent with the fuel cell concept. Thismeans that it will not develop a specialized hull
design, but will instead attempt to develop a propulsion package that is compatible with a numberof suppliers’ “catalog” ferry designs.

WTA’s fuel cell ferry design project is scheduled for completion in early to mid 2003. Atthat time, WTA will hopefully be positioned toobtain funding for construction of a true zeroemission ferry and to lead the way in exploring a possible new future for ferry propulsion.

Further, JJMA intends to use an off-the-shelf fuelcell in its design. Following acceptance of thedesign, WTA will procure the vessel in a conventional bid process, and the major fuel cell components will be owner furnished.
The design is focused on fuelcell “engines” being developed for use in transit buses.
For example, two 200 kW bus“engines” would be sufficient
to drive a 49-passenger ferryat about 12 knots, even after
accounting for the weight ofthe system.
Another, potentially larger,
issue is the matter of fuelstorage. Again, following aphilosophy of “minimum innovation”, the current thought is
to simply carry compressedhydrogen gas to fuel the cell.

HydrogenZero Emission Fuel Cell Technology
For Ferryboats

Electric Motor Propeller
Fuel Cell

Battery

Emissions:
OxygenWater Vapor
Heat

－109－

E NERGY T ECHNOLOGIESP AGE 4

N AVY E MISSIO N T EST P ROGRAM
MARAD has joined forces with NAVSEA-Philadelphia in a Navy Emission Test Program. Commencing January 2003, the testing of five fuels and six emission reduction technologies (see below)
will be conducted by the Ship Systems Engineering Station’s Marine Engine Test Laboratory. All
equipment and fuels will be tested on a reconditioned, naturally aspirated, two-stroke, 12V-71, Detroit Diesel engine.
Program objectives are to assess performance and criteria pollutants generated by the various fuels andabatement technologies under controlled laboratory conditions. Subsequently, a shipboard evaluation will
be conducted to assess reliability and durability of one or two combinations of optimal technologies. Particular attention will be given to NOx and PM emissions. The engine model is very common within the
workboat fleets of the Navy, Army, other federal agencies, and commercial maritime industry. Results will
be disseminated to all interested fleet operators.
Fuels to be Tested
F-76(Similar toDiesel No. 2)

JP-5(Military
Aviation)

Synthetic(FischerTropsch Diesel)

Diesel(Ultra Low
Sulfur)Biodiesel(Soy Based
Methyl-Ester)

Equipment to be Tested
Fuel Catalyst
Additive

Air
Cylinder Power
Humidification
Assemblies
SystemMini-Sac
Injectors

ActiveRegenerated
Particle Filter

Centrifugal
Soot Collector

The test plan incorporates a total of 25 configurations utilizing International Organization for Standardization (ISO) 8178 propulsion, generator, and auxiliary engine test cycles. Performance data
will be collected in addition to emission measurements of NOx, PM, hydrocarbons (HC), carbon
monoxide (CO) and opacity. Particulate matter will be broadly characterized both physically in termsof size and chemically in terms of composition.
Other partners for the testing program include the Office of Naval Research, California Air Resources Board, South Coast Air Quality Management District, Environmental Protection Agency, andDepartment of Energy.
POC: robert.behr@marad.dot.gov and daniel.gore@marad.dot.gov

F ERRY E NGINE C ONTINUO US W ATER I NJECTIO N AND
B IODIESEL T EST R ESULTS
In June 2002, Blue and Gold Fleet and the San
Francisco WTA released the results of emission
testing conducted on the 400-passenger ferry
MV OSKI. The OSKI is powered by twin two
stroke, 12V-71, Detroit Diesel engines. The testing established NOx and PM emissions forbaseline operation with low sulfur diesel fuel, fora 20% blend of biodiesel, for 100% biodiesel,and for a continuous water injection system withboth low sulfur diesel and 100% biodiesel fuel.

The biodiesel fuel was a soy based methyl-ester
type. Biodiesel is a renewable energy sourcethat reduces greenhouse gases and particulatematter. However, biodiesel often increases NOx
emissions. In order to reduce NOx, a continuous
water injection system was installed to inject
finely atomized water droplets in the engine’s
intake air system. Water injection reduces maximum combustion temperatures and consequently reduces NOx emissions.
(Continued on page 6)－110－

－111－*Marine transportation percentage as derived by MARAD
from the Transportation Statistics Annual Report 2000.

(Marine 1.33)*

N EWSLETTER N O . 02
P AGE 5

(Continued from page 4)

Ferry Engine Test Results

Phone: (202) 366-1924
Fax: (202) 366-7197

Newsletter comments and distribution
inquiries point of contact
regina.farr@marad.dot.gov

C HECK OUT OUR
WEB SITE

http://www.marad.dot.gov/
nmrec
CNG — compressed natural gas
CO — carbon monoxide
CO2 — carbon dioxide
HC— hydrocarbons
NOx — nitrogen oxides
O2 — oxygen
PM — particulate matterSOx — sulfur oxides
THC — total hyrdrocarbon

E NERGY
T ECHNOLOGIESN EWSLETTER . . .
serves as a forum to convey
timely articles of interest. You
can find this and additional information on our web site at
marad.dot.gov/nmrec

NOx (g/bhp-hr)

400 Seventh Street, SW
Washington, DC 20590
1-800-986-9678
x61924

40
30
20
10
0

23 bhp37 bhp75 bhp210 bhp

LS (Low Sulfur) Diesel

LS Diesel w/Water Inject

B100

B100 w/Water Inject

PM (g/bhp-hr)

U.S. D EPARTMENT OF T RANSPORTATIONM ARITIM E ADM INISTRATIONO FFICE OF S HIPBU ILDING AND M ARINET ECHNOLOGY

The following bar charts provide brake specific NOx and PM emissions for each condition tested. At the data points tested, B20 produced a NOx increase ranging from 2-11% and the B100 increase
ranged from 5-20%. The water injection system, which was only
operated at higher powers, reduced NOx by averages greaterthan 20%. B100 generally reduced PM emissions by over 50%.

B20 Blend

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
23 bhp37 bhp75 bhp 210 bhp

Exhaust gas composition was measured with an Enerac Model
300 portable emission analyzer. PM was measured by weighing
the accumulation of particulate on a quartz filter with no dilution
tunnel. Formal fuel performance tests were not conducted, but
the operator stated there was no noticeable change in consumption when the continuous water injection system was applied.
Blue and Gold, a ferry operator in San Francisco Bay, managed
the project with MARAD as a co-sponsor. The water injection
equipment was purchased from MA Turbo/Engine Ltd. of Vancouver, British Columbia. The biodiesel fuel was purchased fromWorld Energy, Inc. Testing and test reports were by Walther Engineering.
POC: daniel.gore@marad.dot.gov

Technology Demonstrations
We welcome the opportunity to publish on our web site the status
and/or results of demonstration projects in which you are engaged.
If you are willing to share such information with our readers, pleasecontact MARAD’s Office of Shipbuilding and Marine Technology.
POC: regina.farr@marad.dot.gov－112－参考資料 １

7. MARAD_toDOT: Maritime Hydrogen and

Fuel Cell Initiatives

－113－

Presented to DOT Hydrogen Working Group
October 7, 2003
by: Daniel J. Gore
Program Engineer
Office of Shipbuilding and Marine Technology
Maritime Administration

Maritime Hydrogen and Fuel Cell
Initiatives

－114－l Navy fuel cell projects (if time allows)

l Conclusion and discussion

Fuel Cell Ferry, ARIZONA War Memorial Passenger Shuttle,
Sodium Borohydride Water Taxi, and Marine Power Generation
Regulatory Compliance Testing2– DOT Projects - Merchant Marine Academy Lab, Treasure Islandl Maritime hydrogen and fuel cell projects

l Fuel cell review

l Brief overview of the program planl “Why a marine Energy Technologies program?”

Presentation Contents

－115－WHY A MARINE ENERGYTECHNOLOGIES PROGRAM?

－116－

U.S. Ozone
Nonattainment Areasl Public pressure

4l Ozone Nonattainment Areas– Ferries use highway diesell CARB regulation– New category 3 engines (2002)– New category 1, 2 engines (1999)l NOx, HC, CO, and PM

l EPA regulations– Forecasted to be ratified in 2004

– NOx and Sulfur limitsl MARPOL Annex 6l Maritime in spotlight“ Why a Program?”
Recent Emission Pressures

On-Road Mobile

Other Mobile

Marine Shipping

0
1999

10

20

30

NOx Tons per Day

2015

77.55

Stationary Sources

2010

74.05

40

2005

75.23

Areawide

77.64

50

60

70

80

90

Why a Program?
Growing Marine Emissions
Santa Barbara NOx Example

Slide Courtesy of SBCAPCD

－117－

5

－118－PROGRAM OVERVIEW

－119－

information to the maritime communityl Disseminate energy technology and related policy

7

technologies and fuels to improve marine power plant
efficiency and to reduce air emissionsl Investigate and demonstrate the potential for new

Overview
Program Objectives

－120－– Newsletters, conferences/workshops, website, and presentationsl Industry outreach– Technology evaluations, incentives and emission tradingl Supporting studies– Fuel cells, high efficiency gas turbinesl Advanced technologies– Natural gas, biodiesel, hydrogen, synthetic diesell Alternative fuels– Emulsified fuel, water injection, SCR, particulate traps

l Diesel retrofits– Existing vessel data and measurement techniquesl Baseline performance testing

Overview
Program Plan

8

Mariflite Ferries－121－

Ships Systems Engineering Station

Overview
Partners

9

MIDAS

PRIME, Inc.

Center for Advanced Ship
Repair and Mantenance

CASRM

Overview
Some Recent Activities

10– Exploring agreement to measure emissions and compare to trucks

l Developing Project - Transport Canada Short Sea Shipping– Marine Engine and Emission Inventory Literature Search– Emission Measurement Protocols

l Studies -– Staten Island ferry– New York City commercial ferries– San Diego commercial ferryl Ferry Retrofit Projects -– Agreement with Matson Navigation, dialogue with Maersk Lines– Sponsors are Port Authorities and California regulatorsl Large West Coast Vessel Retrofit Project -－122－

－123－

Fuel Cell Review

－124－

H2 O + Air
Steam

CO2 + H2 + H2 O
Fuel Flow

Fuel
Processor

Fuel

Fossil

H2

H

H
+
H

+
H

Load

Electricity

2H2 O

ExhaustN2 + CO2 + H2 O

Air

N2O2

Oxidant Flow

H O
2

O
2

O
2

Cathode(+)
O2 + 4H+ + 4e-

Electrolyte
Matrix
Anode(-)
2H+ + 2e-22Outp ut

Generic Fuel Cell Operation

Fuel Cell Review
Generic Operation12

－125－

1800oF
180oF

Solid

Planar Solid Oxide (SO)Proton Exchange Membrane (PEM) Solid

1800oF

1200oF

Solid

LiquidMolten Carbonate (MC)450oF

Cell Temp

Tubular Solid Oxide (SO)LiquidPhosphoric Acid (PA)Electrolyte

Fuel Cell Review
Potential Maritime Types

13

38 - 40%

45 - 55%

45 - 55%

45 - 55%

38 - 40%

Efficiency

－126－

14– vessel operators may perceive danger (“kaboom” factor)– USCG regulations, ABS (classification society) rules

l Vessel safety– compressed, cryogenic, hydride, fossil fuelsl Vessel storage– capital expense, fuel storage, fire marshal, and operationl Fueling stationelectrolysis, high cost compared to other fuels– trucked to site, local natural gas reformer, local

l Hydrogen origin

Fuel Cell Review
Hydrogen Project Issues

－127－

Projectl Visualsl Description and objectivesl Partner and funds
l System details and challenges
l Future goals and schedule

Maritime Hydrogenand Fuel Cell Projects

－128－.9 kW Wind Generator

Future Fuel Cell Boat

Electric Cart

16

Cadets and Hydrogen Bottles

Solar Panels

5 kW Fuel Cell

Hydrogen & Fuel Cell Projects
USMMA Laboratory

－129－

energy transportation laboratory including:l 5 kW hydrogen PEM fuel cell system
l 10 kW and 1.4 kW photovoltaic systems
l 1 kW wind generatorl Batteriesl Hydrogen generatorsl Compressed hydrogen storage (2400 psi)l Vehicle battery chargers
l Control systems
17– Academy (Kings Point, NY) has developed a renewablel Description

Hydrogen & Fuel Cell Projects
USMMA Laboratory

Hydrogen & Fuel Cell Projects
USMMA Laboratory– USMMA - $80,000 funds plus student labor– Plug Power, Inc - $25,000 in equipment and services

18– Long Island Power Authority (LIPA) - $80,000 funds and servicesl Partners and cost sharing to date

– Retrofit boat with hydrogen and PEM fuel cell

– Replace all public work vehicles with electric, rechargeable type

– Educate next generation transportation engineers– Develop zero emission, renewable energy, transportation centerl Objectives－130－

－131－

Hydrogen & Fuel Cell Projects
USMMA Laboratory

19

Hydrogen & Fuel Cell Projects
USMMA Laboratory

Commercial backup power market, need $17,000

LIPA to fund $22,000, need $10,000 more

– Partner, partner, partner– New PEM electrolyzer (for making hydrogen) - need $87,000l

LIPA to fund $50,000, need $22,000 morel New electric carts to replace leased trucks (payback two years)– New 10 kW photovoltaic system for public works buildingl– New 10 kW wind generator systeml

20– Replace 5 kW Plug Power fuel cell with new P.P. Gencore sys.

l Future goals– Primarily funding, staffing and getting the word outl Challenges－132－－133－

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Treasure Island Ferry21

－134－– Fuel vessel twice a day

22– Allow Treasure Island developer to operate as commuter ferry– Expose potential market for fuel cell technology– Build commercial zero-emission ferry for non-attainment areal Objective– Minimum 12 knot speed– Compressed hydrogen delivered to site by truck– Solid hydride for hydrogen storage– 400 kW power from fuel cell, solar, and battery– Design and build a 49 - 100+ passenger ferryl Description - S.F. Bay Water Transit Authority commissioning

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Treasure Island Ferry

－135－

l

l

l

l

l

UTC or ANUVU - PEM fuelcells
ChevronTexacoOvonic - H2
system (storage)
Air Products - H2 fuelTexacoOvonic - Batteries

Potential Public / Private
Partnerships

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Treasure Island Ferry23

－136－FHWA $100K, designer is JJMA

– Future operating contract still to be negotiated24– Trade off for power distribution and fuel storage complicated– Funding tight for design development and constructionl Challengesl

FHWA $2.5M, via FTA region officel WTA $625K local share– Phase II detail design and constructionl– Phase I feasibility designl Partners and funding

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Treasure Island Ferry

－137－

Power systems to be government furnished– Sept 2005 - Fuel cell ferryboat sea trialsl– Sept 2004 - Construction contract awarded– Apr 2004 - Boat building RFP “hits the street”– Sept 2003 - Federal construction money available

l Future goals and schedule

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Treasure Island Ferry

25

－138－

Hydrogen & Fuel Cell Projects
ARIZONA War Memorial Shuttle26－139－– First vessel for demo and potentially more

– Fuel once a day (hydrogen from propane or electrolysis)– Navy to operate 362 days/year, 10 hours/day– Replace existing aging diesel shuttles

27– Build zero-emission ferry to serve ARIZONA War Memoriall Objective(HEVDP) managing project with following conceptual features:– Design and build a 149 passenger water shuttle– Dual 240 kW propulsion system with 75 kW fuel cell generator– 5000 psi hydrogen fuel storage system– Advanced 128 kWhr battery system with energy managementl Description - Hawaii Electric Vehicle Demonstration ProjectHydrogen & Fuel Cell Projects
ARIZONA War Memorial Shuttle

－140－RSPA AVP program, designer is Brookins Boatworks of Hawaii

National Park Servicel State of Hawaiil Pearl Harbor Naval Stationl Hawaii-based boat and propulsion system manufacturerslDesign integrationl Fuel supply and stationl Challengesl28

FTA $4.8M (TEA 21) via Office of Naval Research regional office– Other partnersl– Phase II detail design and constructionl– Phase I feasibility designl Partners and funding

Hydrogen & Fuel Cell Projects
ARIZONA War Memorial Shuttle－141－

from contract award– Build and operate three additional vessels– Four vessels cost estimated at $10M

29

– Anticipate design completion and first boat in water one year

– DOT $4.8M obligated in September 03

l Goals and schedule

Hydrogen & Fuel Cell Projects
ARIZONA War Memorial Shuttle－142－

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Sodium Borohydride Water Taxi

30

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Sodium Borohydride Water Taxi

31

– Explore market opportunities- sensitive area (Newport Beach, CA)– Use liquid hydride fuel cell to extend vessel endurance to 21 hours– Operate vessel 10 - 12 hours per day in commercial service– Demonstrate viability of recyclable liquid hydridel Objective– 8.5 knot maximum speed– Uses liquid “Hydrogen on Demand” sodium borohydride system– 15 kW battery propulsion system w/3kW PEM fuel cell

– 22 passenger water taxil Description - Duffy Electric Boats & Seaworthy Systems building:－143－

－144－

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Sodium Borohydride Water Taxi

32

－145－$75,000 from Center for Commercial Deployment of Transportation
Technologies (CCDOTT) Program (California State University,
MARAD and NAVSEA)– Sodium borohydride price/gallon is very high– No infrastructure for sodium borohydridel Challengesl33$200,000 ? From CCDOTT, Seaworthy Systems is designerl Cost share (boat construction) from Duffy Electric Boatsl Millenium Cell Sodium Borohydride system & ANUVU PEM Fuel Cell

– Phase II detail design and constructionl– Phase I feasibility studyl Partners and funding

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Sodium Borohydride Water Taxi

－146－lDuffy Boats to operate water taxi with fuel subsidy fromSouth Coast Air Quality Management District– Phase III “one year” operation commences soon

– Trials and endurance operation by October 03– Vessel constructed by September 03

l Goals and schedule

Hydrogen & Fuel Cell Projects
Sodium Borohydride Water Taxi34

－147－NaturalNatural
Gas
Gas

Air
Air

Power
SectionUsableUsable Hea
Heatt&&
Clean
Clean Water
Water

HydrogenHydrogenRich
Rich Gas
Gas

Steam
Steam
DC
DC
Pow
Power
er

Power
Conditioner

Fuel Cell Plant; Natural Gas Fueled

Cut-away View- 200 kW Phosphoric Acid

Fuel
Processor

Clean
Clean Exhaust
ExhaustPower Generation Reg. ComplianceHydrogen & Fuel Cell Projects

AC
AC
Pow
Power
er

35

－148－– MARAD $25,000 and SurePower $50,000 cost sharel Partners and fundinglVoltage regulationl Frequency regulationl Parallel operation

ABS, IEEE) for power generation; specifically:

36– Prove Fuel Cell System can meet marine regulations (USCG,l Objective– Necessary AC to DC and DC to AC power inversion controls– Fly wheel power storage for load increases– Two 200 kW phosphoric acid fuel cells

l Description - SurePower Fuel Cell Power Plant includes:

Power Generation Reg. ComplianceHydrogen & Fuel Cell Projects

－149－

37•Minimal fault clearing current•Lim ited step load capability•Lim ited ability to handle transients•Minimal load unbalance capability•No over load capacity•Can’t Black Start* Fuel Cell with on board reformer

The Fuel Cell Is Not
a Stiff Generating
Source *The Challenge!

Power Generation Reg. ComplianceHydrogen & Fuel Cell Projects

－150－

Power System SchematicPower Generation Reg. ComplianceHydrogen & Fuel Cell Projects

38－151－

39– Efficiency penalty caused by extra power control equipment– System successful complied with all regulationsl Results

Power Generation Reg. ComplianceHydrogen & Fuel Cell Projects

－152－

Conclusion and Discussion

－153－

41

impressive and worthy of MARAD/DOT support– Action - Seek partnership with DOT Center for Climate
Change. Ideal greenhouse gas reduction laboratory.
– Action - Assist USMMA in marketing achievementsl Low speed ferries in sensitive environments are well suitedfor hydrogen and PEM fuel cell applicationsl High visibility projects in Hawaii and San Franciso Bay are
funded by various DOT agencies– MARAD requested supportive funding in 2005 budget– Does DOT collectively wish to more formally advertise?

l USMMA Renewable Energy Transportation Lab isConclusions and Discussion

－154－l Fuel Processor for 500 kW PEM Fuel Celll 625 kW Molten Carbonate Ship Service Fuel Cell Plant

Navy Projects

－155－

26.5’ x 8.3’ x 11’

Diesel Fuel Processor

PowerElectronics

Land Based Demo in FY 04

43

53% Fuel-to-Electrical Efficiency

Fuel Cell

NAVY 625kW Molten Carbonate
Ship Service Fuel Cell System

－156－

PEM = Proton Exchange Membrane

Land based Demo in FY 04

NAVY500kW Integrated Diesel Fuel Processor
for PEM Ship Service Fuel Cell

44

－157－

00

SSFC Concept Design,
Risk Reduction Testing

ONR/NAVSEAAdvanced
Technology
Development

IPS
Transition
Full Scale

Fleet
Introduction

FY

02

04

Fabrication, andTesting of 500KW ATR
Integrated Fuel
Processor

03

05

06

09

10

Ship Platform Managers

08(Adv. Reform, Sulfur Tolerance, Adv FC
Marinization)

Design, Fabrication, andTesting of FC Demonstrator

11

45

Planned
Proposed

LegendDesign, Fabrication, Operation and Testing of Full
Scale Ship Service Fuel Cell07

2nd Generation Fuel Cell Program

Design, Fabrication, and Testing of 625KW MCFC
Demonstrator

500KW IFP
Design01

Program Timeline/Transition

Navy Shipboard Fuel Cell Program参考資料 １

8. FUELCELLTODAY: Fuel Cells andMarine Applications

FUEL CELL TODAY
Opening doors to fuel cell commercialisation

Fuel Cells and Marine Applications
Kerry-Ann Adamson, Fuel Cell Today – 2005

Following on from the Fuel Cell Planes primer the next transport segment that we
focus on are marine applications, both inland and ocean-going craft. This market
segment covering everything from luxury cruisers, to yachts, to small inland waterpleasure craft is one that, due to its potential to be a high early adopter market, has
not received the attention that a growing number believe it deserves.
One reason for the lack of attention paid to this area may be that we still refer to anumber of segments, including marine applications, as niches, with the classicalgrowth curve of new products indicating that niches are often limited, bounded bysize. Once though, we start to look at the potential and size of the marine market
then we see that it is slightly disingenuous to refer to it as a niche. Unlike aviation
applications, which still have a number of issues to cover, including a substantial
amount of fundamental R&D and re-engineering of aircraft, marine adoption could
come a lot sooner, with some companies already having a commercial product, and,could show a high rate of diffusion, with the technology employed in the sector
potentially being able to breakout and move into other segments. This last point
provides another reason why this is not a traditional niche market.

Three ship types that HDW Fuel Cell Systems are working to integrate with
fuel cell technology

1

www.fuelcelltoday.com－159－

There are a number of reasons why we could see a high rate of adoption in thisapplication; interestingly these are coming overwhelmingly from the consumer andgovernment side, and not from industry. These drivers include:•

Increasing concern and legislation to reduce marine based harbour pollution,•a history of early adopters, for example the use of GPS systems ,•the increase in the top-end luxury cruising market,•

the movement in the USA and Canada to create electric only lakes,

Introduction
Basic propulsion for marine craft normally comes from an engine driving a crank
shaft, turning a propeller. In many craft when the entire engine output is used on thepropellers,for

propulsion,agenerator

is

then

used

to

provideelectricalrequirements. Depending on the size of the vessel these electrical requirements canbe substantial in their own right. For large marine craft the engines and generators
have traditionally been heavy duty diesel powered machines which are robust,reliable and work in testing conditions. Unfortunately they can also produce a now
unacceptable level of pollution, are very noisy, heavy, and can take up a large
amount of room.
Marine-based emissions come typically from these two areas, the propulsion of thecraft and the provision of the ancillary electrical requirements. These can also be split
into two use phases: first docking or harbouring, and the second actual use.

Estimating marine emissions is not as straightforward as light duty vehicle emissions,due in the main to the large variety in marine craft, their usage and the engines
employed. A recent study developed for the EU [1], in its development of a directive
covering emissions of Oxides of Sulphur from marine applications1 , looked atpollution from a range of ocean-going vessels. The table overleaf has been extracted
from this report.

1

Air pollutant emissions from ships are covered by Annex VI of the Marine Pollution Convention, MARPOL

73/78, of the International Maritime Organisation. This contains provisions on special SOx Emission
Control Areas (Baltic Sea, North Sea & English Channel) and NOx emissions standards for ships’ engines.
The EU strategy seeks to implement the SOx Emission Control Areas set out in Annex VI, and to press fortighter NOx standards. More information and a number of documents can be downloaded fromhttp://europa.eu.int/comm/environment/air/transport.htm#3.

2

www.fuelcelltoday.com－160－

Table 1: Emission Levels from Selected Marine Craft
NOx

At SeaOil Tanker
Container
Passenger
Ship
Fishing
VesselIn PortOil Tanker
Container
Passenger
Ship
Fishing
Vessel

SO2

CO2

HC

PM

kg/tonne fuel(g/l)

kg/tonne fuel(g/l)

kg/tonne fuel(g/l)

kg/tonne fuel(g/l)

kg/tonne fuel(g/l)

75 (65)89 (77)62 (54)54 (47)54 (47)54 (47)3179 (2764)
3179 (2764)
3179 (2764)

2.5 (2.2)
3.0 (2.6)
2.2 (1.9)

65 (57)53 (46)3179 (2764)

2.1 (1.8)

55 (48)62 (54)50 (43)54 (47)54 (47)54 (47)3179 (2764)
3179 (2764)
3179 (2764)

6.3 (5.5)
6.7 (5.8)
4.4 (3.8)9.6 (8.3)
6.7 (5.8)
7.7 (6.7)

59 (51)54 (47)3179 (2764)

1.8 (1.6)

3.6 (3.1)

To help put this in context during 2002 within the European Union shipping area
alone over a hundred thousand metric tonnes 2 of marine diesel oil was consumed[1]. Although this table only provides information on four types of vessel, all ofwhich are classed as ocean-going, and under two conditions, it can be seen fromthese indicative figures that here is a transport segment that needs to be addressedin terms of emissions, and other forms of pollution not mentioned here, and that is
not as dispersed as the light duty vehicle market 3 .
The rest of this report splits the market up into two segments of recreational craft,
both inland and ocean-going, and commercial and military, ocean-going vessels.

Recreational Craft
This broad section covers all craft from small pleasure cruisers to ocean capableyachts. The recreational craft industry is not only growing but becoming moreaccessible to the average consumer. World-wide the largest market is the USA,worth over ten million euros annually, and, maybe surprisingly, the second largest
being Italy, worth nearly one and a half million Euros annually. Although the power
requirements are substantially reduced compared to large ocean-going craft thepower set-up is the same, with diesel engines and a generator powering a battery
bank.
2
3

1 metric tonne = 1150 litres marine diesel oil

A recent sample calculation done by the Californian Air Resources Board, in the USA, equated thepollution level from 1 cruise ship in port for 1 day to that of 12,400 cars being used for 1 day.

3

www.fuelcelltoday.com－161－

MTU CFC presented this PEM fuel cell powered sailing boat in October 2003. The boat is
powered by a 20kW unit, jointly developed with Ballard, which enables a range of 225km at a
speed of 6km/h.

Although there are cases of pleasure craft having propulsive power from the fuel cell,as with the aerospace industry fuel cells are mainly being researched and targeted as
APUs, providing the power to the battery bank which in turn powers the electricalequipment. As the power requirements of pleasure craft tend to be low (see tablebelow, reproduced with kind permission from Max Power) the corresponding level of
output from the fuel cell also does not need to be particularly high, which helps tokeep the size and therefore cost down as well.

Table 2: Typical Yacht Electrical Power Consumption When SailingTime OnAmp

24 hours

Consumption
over 24 hours
Ah (12v)

1

0.2

24

5

(2.4) 1(1.2) 1(60) 1
50
25

0.2
0.1
5
4.2
2.1

24
24
0.2
24
8

5
2
1
50
17

(60) 1(12) 1
200

5
1

20
3
0.6

30
3
10
5

Consumption
Watt
Navigation
InstrumentsGPS
VHF Standby
Transmitting
Refrigerator
Tricolour
Navigation Light
and Anchor Light
Autopilot
Radio
Cabin Lighting
Other

(2.4)

1. Calculated using the rule Watts = Amps x Volts

The total consumption over the 24 hour period is 1.5 kWh or 128 Ah (12V), with theaverage power being 64 Watts or 5.3 Amps.

4

www.fuelcelltoday.com－162－

Obviously some of these requirements at shore will alter if the boat is “plugged in” toan on-land power point. What this table does give though is an impression of thepower levels required.
There are a growing number of companies operating in the area of integrating fuelcell systems into boats. As we already cover companies working in this area in ouryearly survey on Niche Transport Applications, 2005 update due in the late summer,
here we provide overviews of only two companies, both of which are due to make asplash in the marine fuel cells this year.

HaveBlue (USA), are working not only on fuel cells but also employing an on-boardhydrogen production system for power provision when the tanks are empty. Thishydrogen comes from either shore based power, or onboard wind / solar system. So
far their prototype, XV1 sailboat demonstrator, has been launched and is due forextensive trials during 2005. The current 2005 cost of the fuel cell and fuelproduction system is, according to HaveBlue, US$300,000 - $500,000, which ispredicted to be substantially reduced over the next six years. Commercial models are
expected in 2006. HaveBlue’s current fuel cell is a Hydrogenics 10kW HyPM PEM unit.

The HaveBlue XV1 Sailboat and a Schematic of the Layout

Max Power’s (France) MFC-100, developed in collaboration with Smart Fuel Cell,runs off high purity methanol and can provide 1.2kW, or 100 Ah, of power per day.
The current retail cost of the power pack is 5000€ and the methanol costs
approximately 50€ for 5 litres. Both can be bought direct from the company. The fuelcell has already been tested in the DaimlerChrysler North Atlantic Challenge in the SY
Mamelie, where only 30 litres of methanol where consumed over 3500 nautical miles.

5

www.fuelcelltoday.com－163－

The unit, which weighs only 7kg, is the marine equivalent of “plug and play”
technology.

Max Power’s Marine Fuel Cell

For information on the other companies involved in this area I refer you to the Fuel
Cell Today 2004 Niche Transport Survey.

Drivers in the Pleasure Craft Market

There are two main drivers in the pleasure craft market: legislation and economics.

Legislation – In the United States and Canada a number of lakes and other in land
waterways are now classified as electric only. In Canada this classification can only
be applied to lakes smaller than 30 hectares, due to concerns over the feasibility ofcrossing larger lakes with an electric only motor. In Quebec there are currently 163
lakes under this classification. In the United States a growing number of lakes, sized
between 12 – 160 hectares have been turned into electric -only. Unlike in Canada
where the regulation comes solely from federal level, in the USA a developer,
community or government can work to have a lake classified in this manner. In Ohioalone over 2500 hectares of waterways are electric -only. When you remember thatthe largest market in the world for pleasure craft is the USA this gives a good
indication of a fairly substantial market.

Economics – As in most areas where the direct adopter is the consumer, cost is a
key factor. Although the actual off the shelf price of a diesel generator, not including
installation, is either equivalent to or cheaper than the current fuel cell models, whenusing a life cycle analysis it is expected that fuel cells will soon become more
economically attractive

6

www.fuelcelltoday.com－164－Commercial and Military Ocean-Going Vessels

Not only are private owners of boats becoming more aware of the potential benefitsof marine based fuel cells, but so are local governments, private companies and themilitary. Unlike the pleasure craft industry, the commercial marine industry is slightly
behind in terms of fuel cell applications, with only one area having an actual
progra mme in place. This does not include the military which is very active in thisarea. Here we look at four potential application areas that are already looking toemploy fuel cell technology.

Water Taxi and Ferries
In a large number of cities and towns worldwide, water taxis and ferries operate on adaily basis, working set routes, with known transport times and well understood fuelneeds. These are amongst the reasons that enabled the San Francisco Bay Area
Water Transit Authority to decide to design, build and run a hybrid Fuel Cell Ferry,with US$2.5 million in federal funding, from a total project budget of US$4.6 million.
The 149 passenger demonstration ferry is due to be built during 2005 and will run
between San Francisco and Treasure Island. The ferry's 240 kW Anuvu fuel cell will
utilise a metal hydride battery to absorb and store hydrogen, and will be used toprovide primary propulsion. The project is also looking into a renewable energy
infrastructure to produce the hydrogen.

Cruise Ships
With the resurgence and growth in popularity of cruising the number and size of topend luxury cruise ships is expanding.

The Royal Caribbean’s, Radiance of the Seas –one of the new generation of super-sized cruise ships.

7

www.fuelcelltoday.com－165－

At 140,000 gross tonnes “Adventure of the Seas” is a prime example of the newgeneration of “super-sized” ships. Built to accommodate over 3500 passengers and1000 crew, this behemoth has an electrical power requirement of over 30 MW, withthe propulsion requiring an extra 42 MW.
The luxury cruise ships can charge anything up to half a million dollars for a roundthe-world trip, per passenger, but for this the guests expect and demand the highestof quality. Diesel fuelled generators, though robust, produce unwanted noise,
vibrations and an “aroma” which could be felt, heard and smelt. Fuel cells on theother hand operate under vibrationless, noiseless and aroma free conditions,
attributes that make their adoption into the luxury cruise ship market, some say,
only a matter of time.

HDW, a German marine company working on many marine based fuel cellapplications, including submarines, is working in this area.

Research Vessels
Scientific research vessels often by their very nature travel to areas of the globe
which are environmentally sensitive. For this reason alone, interest is high inapplying fuel cell technology to these ships, to reduce, or ameliorate, their ecofootprint.
As well as designing the underwater research vessels to employ fuel cell technology4 ,institutes and companies are looking to place them directly on board the ships. There
are already a small number of research vessels, including the soon to be delivered
deep-sea research vessel Pourquois-Pas?, with electric propulsion. Alstom Marine isa leader in developing the field of electric propulsion. It is a logical step to see that
fuel cells could be usefully employed to produce some, if not all, of this electricalrequire ment.
Military

The US Military has had an active fuel cell ship programme for a number of years
already. Whilst most navies, such as the German, Greek, Italian and South Korean,
4

There are already a number of small research submersibles that have been fitted with fuel cells.

8

www.fuelcelltoday.com－166－are focusing on submarines for early applications, the US Navy is also looking into
warships with fuel cell APUs and / or back-up for primary propulsion. There are anumber of reasons for this, not least amongst them economics. One calculation
provided by Edward House, of Naval Sea Systems Command, shows a potential
annual fuel saving of over US$400,000, based on reduced diesel fuel consumption
through higher fuel cell efficiency. Another reason for the interest in fuel cell power
generation is the potential to have a number of separate units on board, eachproviding a level of redundancy in case of attack.
The Shipboard Service Fuel Cell Programme includes a number of R&D elements withthe table below showing the targets for 2005 and 2010.
Table 3: Goals of the US Navy Shipboard Service Fuel Cell Programme

Unit Volume(ft3/kW)
Unit Weight(lb/kW)
Fuel Efficiency(%) @ 50% load
Acquisition Cost($/kW)
Scaleable to:(MW)

Gas Turbine
Generator Set

Ship Service
Generator Set

Ship Service
Fuel Cell
2005

1.1

2.84

2

High
Performance
Fuel Cell
2010
1.7

27.2

36.4

40

30

16

32

40

70

1600

480

1500

1200

3

20

During 2005 we can expect an at sea demonstration of a ship service fuel cell fromthis programme, potentially using a FuelCell Energy designed and tested 625kW
stack. The extremely tight programme time-line is looking for a start of ship-board
introduction by 2006. Naturally Fuel Cell Today will keep you updated on thisprogramme.

Discussion
Germany and the USA certainly seem to be at the forefront of this application withdesigns for a myriad of underwater and above water fuel cell ships. Unlike in a
number of areas being proposed for the fuel cell treatment, marine applications areseeing adoption and diffusion into the market now, with a number of high profile test
events and product launches slated for 2005/2006. Although the technology is still

9

www.fuelcelltoday.com－167－

expensive, the benefits it provides to the marine community are high enough toencourage early stage adoption. It is markets such as these which compared to someothers, are being quiet and fairly unassuming about, that are driving to drive fuel cell
technology forward.
Personally I am looking forward to going to my first conference on-board a fuel cell
powered cruise ship!

Further References
1. "Quantification of emissions from ships associated with ship movements between
ports

in

the

EuropeanCommunity" Entec

UK,

availablefrom

http://europa.eu.int/comm/environment/air/background.htm#transport.

There are a number of in-depth reports available from the internet on marine fuelcells and their potential. Here is a sample of what is available:•

Bourne, C, Nietsch, T, Griffiths, D, Morley, J, “Application of Fuel Cells in Surface
Ships” , 2001 published by ETSU and available at:

http://www.dti.gov.uk/energy/renewables/publications/pdfs/F0300207.pdf•

FCSHIP “Fuel Cells in Ships – Synthesis of open problems and Roadmap for future
RTD”, 2004. Note that this is a summary report published by the EU sponsored
project FCSHIP. Available at:

http://www.na-me.ac.uk/fcship/FCSHIP%20RTD%20Roadmap.pdf•

FCSHIP, “Life Cycle Analysis results of fuel cell ships”, 2004. Available at:

http://www.hyweb.de/Wissen/pdf/FCSHIP_4-5_LBST_05-2004.pdf•

U.S. Congress, Office of Technology Assessment, “Marine Applications for Fuel
Cell Technology—A Technical Memorandum”, 1986 OTA-TM-O-37 Washington,
DC: U.S. Government. (ed - Interesting historical document).

About the author
Kerry-Ann Adamson is the Deputy Editor of Fuel Cell Today and has interests in thesocio-economics of distributed generation and alternative fuels / technologies forvehicles. Kerry-Ann can be contacted via kerry-ann.adamson@fuelcelltoday.com.

10

www.fuelcelltoday.com－168－

参考資料 １

9. DCFC: DIRECT CARBONATE FUEL CELL

FOR SHIP SERVICE APPLICATION

DIRECT CARBONATE FUEL CELL FOR SHIP SERVICE APPLICATION
G. Steinfeld, R. Sanderson, H. Ghezel-Ayagh and S. Abens
Energy Research Corporation
3 Great Pasture Road
Danbury, CT 06811
INTRODUCTION
Compared to gas turbines and combustion engines, fuel cells possess the potential formuch higher efficiency, near negligible emissions, quiet operation, and modularity. In
1997, the Office of Naval Research (ONR) initiated a three-phase advanced development
program to evaluate fuel cell technology for ship service power requirements for surface
combatants. The program is designed to demonstrate that commercially developed fuelcell technology can operate on Navy logistic fuel in a naval shipboard environment. As
part of ONR’s program, Energy Research Corporation (ERC) is conducting a conceptual
study of a marine fuel cell power plant based on its direct carbonate fuel cell technology
which is in the early commercialization phase for land-based applications. The current
Phase I study is focused on a 2.5 MW Ship Service Fuel Cell (SSFC) power source for
future surface combatants.
TECHNICAL APPROACH
ERC’s technical approach is based on adapting the company’s commercial Direct Fuel Cell
(DFC) technology for marine applications. This fuel cell system utilizes alkali metal
carbonates as the electrolyte and operates within a stack temperature of 1100-1200°F
where internal reformation of hydrocarbon fuels is feasible. Because the process waste
heat is captured by the endothermic fuel reforming reaction, the DFC stack provides
overall power plant efficiency of approximately 50%.
DFC technology is unique in that it can operate directly on hydrocarbon fuels following
desulfurization and conversion to methane. The approach to processing of the NATO F-76
marine distillate fuel is based on hydro desulfurization followed by adiabatic prereforming
to a methane-rich gas which can be reformed internally by the fuel cell.
2500 kW SSFC DESIGN
The baseline design concept for the 2500 kW SSFC is four independent 625 kW modules
delivering power in parallel to the ship service 450 volt bus. Each 625 kW module has two
stacks of direct carbonate fuel cells in series providing 450-600 volts dc to the power
conditioning system which converts the DC to AC power. A simplified process schematicis shown in Figure 1 for this module. The fuel processing system desulfurizes the NATOF-76 and converts it to a methane-rich gas useable by the fuel cell. The required steam
is generated using waste heat from the fuel cell cathode exhaust. The water required forsteam generation is recovered from the fuel cell anode exhaust.

－169－

The equipment for each of the independent 625 kW power plant modules is contained
within its own enclosure, which provides a closed environment for safety and attenuationof noise from the pumps and blowers in the system. Each 625 kW module contains two
fuel cell stacks, power conditioning equipment, a fuel processor, thermal management andcontrols. The projected efficiency of the SSFC power plant over the range of power plantload is shown in Figure 2. The efficiency in a power plant that uses direct carbonate fuelcells is exceptionally high because all the energy required in the fuel conversion process
is provided by the waste heat generated in the fuel cells. The efficiency of a commercial
2500 kW gas turbine generator set at ISO conditions is shown for comparison.
STEAM

EXHAUSTA

FUEL
CELL C
STACK

ZnO

HDS

'
PREREFORMERWATERRECOVERYCATALYTICOXIDIZER

NATO
F-76
FUEL

H2

FUEL
CONDENSERELECTROLYZER

AIR

WATER

Figure 1. SSFC POWER PLANT PROCESS FLOW DIAGRAM (SIMPLIFIED)
Each Module is Fully Autonomous

60

SHIP SERVICE FUEL CELL
50
40

COMMERCIAL GAS TURBINE
GENERATOR SET

30
20

ALLISON 501

10
0
0

20

40

60

80

100

120

POWER PLANT LOAD,%

Figure 2. SSFC EFFICIENCY COMPARED TO A GAS TURBINE
SSFC Peak Efficiency Exceeds 50%－170－

ACKNOWLEDGMENT
This work is sponsored by the Office of Naval Research. The technical effort is conductedunder the direction of the Naval Surface Warfare Center’s Carderock Division underContract N00167-97-C-0080.
REFERENCES
Abens, S.G., and Kumm, W.H., “Evaluation of Reformation of Diesel Type Fuel in an
MCFC Stack”. Proceedings of the 35th International Power Sources Symposium, Cherry
Hill, NJ. June, 1992.
Steinfeld, G., Skaanderup-Larsen, J., Kurpit. S.S., “Diesel Fuel Processing for Phosphoric
Acid Fuel Cells”. Proceedings of the 21st IECEC Conference, San Diego, CA, August 2529, 1986.
Abens, S.G., Steinfeld, G., “Direct Carbonate Fuel Cell Power Plant Operating with Logistic
Fuels”. Proceedings of the 32nd IECEC Conference, Honolulu, HI, July 27-August 1, 1997.
Steinfeld, G., Sanderson, R., Ghezel-Ayagh, H. and Abens, S., “Concept Development ofa Ship Service Fuel Cell”, 1998 Fuel Cell Seminar Abstracts, Palm Springs, CA, November
16-19, 1998.

－171－参考資料 １

10. SFCProgram: U.S. Navy Shipboard Fuel Cell

Program−173−

29-30 January 2002
The St. Regis
Washington, DC

Edward House
Naval Sea Systems Command
Philadelphia, PA, USA

U.S. Maritime Administration Workshop on Maritime
Energy and Clean Emissions

U.S. Navy Shipboard Fuel Cell
Program“BA5590”

102

Home
Electricity

103

UUV/MCM

104

UAV

Fuel Cell Markets*Arthur D. Little, Inc, Cambridge, MA, reference #44335.

MEMS

101

Fuel cell power system
markets could soon exceed$3 billion worldwide*

100

−174−

105

FUEL CELL

Power(Watts)107

Stationary Power

106

SSFC

−175−

Full PowerEFFICIENCY, %(LHV)

High-Temp Fuel Cell

Fuel Cell/Turbine Hybrid

0.1

Coal/Steam

1
10
100
SYSTEM SIZE (MW)Microturbines

Gas Turbines

Low-Temp Fuel Cell Diesel Engines

0
0.01

10

20

30

40

50

60

70

80

1000

COMPARISON OF EFFICIENCIES FOR
ELECTRIC POWER PLANTS

Navy Shipboard Fuel Cell Program−176−

450
1200

1800

Phosphoric
Acid (Liquid)
Potassium
Lithium
Carbonate(Liquid)
Zirconium
DioxideCeramic(Solid)Molten Carbonate(MC)

Solid Oxide (SO)[Tubular, planar,monolithic]

Phosphoric Acid (PA)

200

180

Polymer
Membrane(Solid)Potassium
Hydroxide(Solid)Alkaline (AFC)Proton Exchange
Membrane (PEM)

Cell Temp(°F)

Electrolyte

SS

40,000S,COCO, CO2

S, CO

Cell
Contaminant

40,00040,00010,00040,000Lifetime
Projected(Hrs)

Fuel Cell Types

45-60

45-55

35-40

<40

35-40

Single-Cycle
Electrical
Efficiency(%)

−177−= 50,000 gallons; ($.98/gallon)

Ship Service
Fuel Cell

AOE6 Diesel
Generator Set

DDG51 Gas Turbine
Generator Set(3,000 Operating Hours)

Annual Fuel Consumption

Navy Shipboard Fuel Cell Program$210,028

214,315 Gallons$315,268

321,703 Gallons$628,636

641,465 Gallons

−178−

SSFC

414
349

512

DDG51 AOE 6
GTG
SSDG

735

CO2

SSFC DDG51
GTG~.0004

6.0

X

NO

AOE 6
SSDG

12.9

(gm/HP Hr @ 100% Power)

SSFC

1.23

EMISSION COMPARISON
X

1.52

DDG51 MO2478
AOE 6
GTG 31000
SSDG

2.18

SO

Navy Shipboard Fuel Cell Program−179−High
SevereOperating Environment

40,000 Hrs

Life, MTBO

Dynamic Response

Navy Distillate

High

Ships

Fuel TypePower Density

Design Issues

ModerateHigh< 5 Years

Gasoline/H2/
Methanol

High

Land
Transportation

Fuel Cell Design Comparison

Navy Shipboard Fuel Cell Program

BenignLow

40,000 Hrs

Natural Gas/
Coal Derived

Low

Utility−180−l FUEL CELL POWER PLANT INCLUDES:l FUEL PROCESSINGl FUEL CELL STACKl DC-TO-AC POWER CONVERSIONFUEL CELL POWER PLANT

Navy Shipboard Fuel Cell Program−181−

Viable Commercial Marine Market leads to CONTRACTORCOST SHARED Phase II SSFC Demonstration Program• DOE/Industry also project future higher power, ultra-high efficiency fuel cell
power systems adaptable for marine high power propulsion applications• Independent USCG marine market survey validates conclusions.

- Diesel-fueled commercial and military surface ship markets represents
a significant potential market; circa 2005.

- Diesel-fueled fuel cell ship service generator system forcommercial marine applications (98% of total market) will be in the 200 kW to
1 Mw range; military applications (2%) in the 500 kW to 2.5 Mw range.

• Marine Market Surveys for fuel cell power sources by MTI for PEM
systems and FCE for MC systems conclude:- Ship Service fuel cell generators for both commercial andmilitary marine markets compete economically with small turbinesand marine diesels in terms of life cycle cost.

Significant Market Survey Results

Ship Service Fuel Cell Program

SM

−182−

Program Summary

Ship Service Fuel Cell Program

State of the Art: Industry is developing fuel cell technology for stationary
and non-marine transportation applications operating on non-logistics fuels.
Commercial units expected between 2001 and 2005, with stationary systems
available before automotive systems. Little effort in diesel reforming.

Objective: Develop shipboard fuel cell power systems with acquisition
cost, weight, and volume comparable to other market options, for future
Navy ships and craft.

Approach: Develop fuel cell power systems and components to enable
commercial fuel cell equipment to be used in the unique Naval shipboard
environment.

−183−

−184−● Marine Environment
ü Cell Life
ü Environmental Contaminantsü Shock & Vibration
ü Ship Motions● Duty Cycle/Transient Response● Reliability and Maintainability● Power Density, Cost & System Efficiency● Fuel Typeü Logistic & Alternate Fuel reforming

Technical Challenges

Navy Shipboard Fuel Cell Program

1.1
27.2
16%
1600
-

Unit Volume(ft3/kW)
Unit Weight(lb/kW)
Fuel Efficiency(at 50% load)
Acquisition Cost($/kW)
Scalable to:
(MW)

3

1500

40%

40

2

SSFC
Goals
2005

20

1200

70%

30

1.7

HPFC
Goals
2010

SSFC: Ship Service Fuel Cell Program
HPFC: High Performance Fuel Cell Program

-

480

32%

36.4

2.84

DDG-51 AOE-6
GTG
SSDG

Goals

Ship Service Fuel Cell Program

GTG: Gas Turbine Generator
SSDG: Ship Service Diesel Generator−185−

−186−
Prereformer
HDS Reactor

Fin Tube Exchanger AssemblyControl Console

DC/AC Power Conditioner

PHASE I: Complete FY00
PHASE II:• 2.5 MW SSFC Conceptual Design• 625kW SSFC module detailed design• Sub-scale risk reduction demonstrations• 625kW SSFC module fabrication• Cell salt air tolerance• Factory testing• NATO F-76 diesel fuel reforming• Dynamic simulation model• Fuel contaminant removal and cell sensitivity (sulfur)• IPS program transition planned – ship impact/cost studies• Cell shock and vibration
underway• Analytical model• LABEVAL (FY04)• Marine/Navy market surveys
PHASE III:• At-Sea demonstration (FY05)

FuelCell Energy 625kW 450V, 3φ , 60 HZ, MC SSFC Power System

ZnO Reactor

Electrolyzer

Anode Exhaust Regenerator

Fuel Cell Stacks

S&T Demonstration / Accomplishment

Ship Service Fuel Cell ProgramPHASE II:• 500kW IFP preliminary design• 500kW IFP detailed design• 500kW IFP fabrication• 500kW IFP factory testing• Dynamic simulation model

McDermott Technology 500kW SSFC Integrated Fuel Processor (IFP)

S&T Demonstration / Accomplishment

Ship Service Fuel Cell Program

PHASE I: Completed• 2.5 MW PEM SSFC Conceptual Design• Sub-scale risk reduction demonstrations• Cell salt air tolerance• NATO F-76 diesel fuel reforming• Fuel contaminant removal and cell sensitivity(sulfur, CO, ammonia, amines)• Cell shock and vibration• Analytical performance model• Marine/Navy market surveys

−187−

IPS
Transition
Full Scale

Fleet
Introduction

FY

00

ONR Applied
Research

SSFC Concept Design,
Risk Reduction Testing

ONR/NAVSEAAdvanced
Technology
Development

−188−

03

04

05

06

07

09

10

11

Planned
Proposed

LegendDesign, Fabrication, andTesting of HPFC
Demonstrator(Adv. Reform, FC Hybrid Model, Sulfur Tolerance, High Temp FC Marinization)

High Performance Fuel Cell Program

At SeaEvaluation
625KW
Demonstrator

08
Ship Platform Managers

Design, Fabrication, Operation and Testing of Full
Scale Ship Service Fuel Cell

Fabrication, andTesting of 500KW ATR
Integrated Fuel
Processor

02

Design, Fabrication, and Testing of
625KW MCFC Demonstrator

500KW
IFP
Design01

Program Timeline/Transition

Ship Service Fuel Cell Program

−189−

Naval Fuel Cell Development Center

−190−

−191−

ØConstruction: FY02ØDesign: FY01ØLOCATION: Building 633

ØFOOTPRINT: 8200 FT2ØCOST: $10.6M

ØSCOPE: - construct acomplete facility for testing
propulsion and auxiliarygas turbines in the 30,000
HP range & fuel cells bothalone and in hybrid cycle
tests

GT MILCON P-104
PROJECT SUMMARY

Control
Room

Fuel Cell
ModuleGas Turbine
ModuleLoad Absorber

Waterbrake

50 Ton Crane

Hybrid Gas Turbine/ Fuel Cell Test Site

Milcon P-104 Test Cell

−192−

Ship Design Flexibility• Modular Approach Applicable to all Ship Power Requirements• Applicable to Multiple Platforms• Facilitates All-Electric Ship with Integrated Power System and Zonal
Electrical Distribution System• Reduces Intake and Exhaust Ducting Volume by 60%• Permits use of alternate non-petroleum fuels

Performance• Fuel Cells inherently Meet Future Air Emission Limits (96% Reductionin NOx, CO and HC)• Enables reduction of Radar Cross Section and Infrared Signature

Affordability• Ship Service Fuel Savings of ~30% (>$1M / yr / Navy Ship)• Workload savings due to Unattended Operation and Reduced PMS

Transition Benefits

Ship Service Fuel Cell Program−193−

RADM G. Gaffney, II
Chief of Naval Research

RADM M.T. Coyle
Deputy Commander for Engineering

R.S. Begura
Director, Office of Fossil Energy

partnership.

Fenton Carey
Associate Administration for Research,
Technology & Analysis• Demonstrate the effectiveness of focused interagency

marine fuel cell requirements.

John E. Graykowskir
Maritime Administration
Diana H. Josephson
Deputy Undersecretary for OceansManagement & Atmosphere• Reduce duplicative efforts - coordinate/cooperative on• Actively involve industry in the development efforts.

• Transfer the technology to the public.

diesel fuels to fulfill national transportation needs.

• Foster the use of Fuel Cells for ship applications utilizing

MISSION STATEMENT:RADM John T. Tozzi
Assistant Commandant for Systems

Original Signatories MOU Approval 2 February 1998

参考資料 １

11. marine_app: Marine Application of Fuel Cells

Program－195－

－196－

－197－

参考資料 １

12. future: Future for Fuel Cells on the High Seas?

Program－199－

Matt Chin and JC Sanders

Naval Applications
for Fuel Cells

Fuel Cells on theHigh Seas

－200－– Surface ships (usually in conjunction with
Molten Carbonate fuel cells)– Submarines• Proton Exchange Membrane– Large Surface Ships• Molten Carbonate

Fuel Cell Types
used on Ships

－201－• Operation Temperature: 650 degrees C• Electrolyte: Salt Carbonates• Fuel: Syngas or Hydrogen, and• Additional: CO2 due to CO3 ion usage• Catalyst: Nickel• Power output: ~2MW units available

Molten Carbonate
Fuel Cells

－202－

Molten Carbonate
Fuel Cells

－203－• Operation Temperature: 100 degrees C• Electrolyte: Polymer• Fuel: Hydrogen• Catalyst: Platinum• Power output: 50-250 kW units available

PEM Fuel Cells

－204－PEM Fuel Cells

－205－• High efficiency vs. gas turbine and diesel powered
naval vessels (40% vs. 16%-12%)• Reduced emissions of all types• Low vibration and sound levels• Improved thermal efficiencies• Reduced cost for fuel (30% less for Navy)• Ship design flexibility (modular units)• Permits the use of alternative fuels

Fuel cell advantages forsurface ships

－206－• High efficiency vs. diesel powered
submarines (40% vs. 16%-12%)• Low thermal profile compared to SSNs
• Low vibration and sound levels• Reduced radar cross section• Does not require air breathing like diesel subs
• Only has to come up every several weeks

Fuel cell advantages forsubmarines

－207－– Fuel Cells = Increased efficiencies = Longer timeout to sea– Fuel Cells = Reduced emissions = Reduced
Profile (Harder to detect)• Surface Ships– Fuel Cells = Silence = Increased Stealth– Fuel Cells = No air required = Longer dive times• Submarines

Practical Applications

Courtesy of Edward House:

Power Plan Efficiencies

Office of Navy Research－208－

－209－• Germany – Working prototypes and service
models of fuel cell submarines• Canada – Prototype for fuel cell submarine• United States – Prototypes and plans forboth subs and surface ships• United Kingdom – Prototypes and plans forsubs and surface ships

Developers andResearchers

－210－• Fuel Type (Logistics and Fuel Reforming)• Cost and System Efficiency for Units• Reliability and Maintainability• Duty Cycle and Transient Response• Fuel Cell Life and Contamination• Fuel Cell Sensitivity to shocks and motion

Challenges to development

－211－• Method for extracting hydrogen from diesel
not yet perfected• Infrastructure for storing not yet established• Unknown how fuel will react to shock

Challenges – Fuel Type

－212－• High cost of raw materials• Hydrogen is expensive to process• Platinum catalyst- very expensive• Fuel is more expensive than other fuels

Challenges – System Costs

－213－• Many existing sources of hydrogen containsulfur and other contaminants• Need to protect from salt water spray• Anything other than hydrogen will foul PEMs

Challenges – Contamination

－214－• Power Output: 1kW – 2MW (per unit)• Internal Size and Structure: Flexible andmodular (Can be placed throughout ship)• Fuel Type: Various (Hydrogen, Methanol, Diesel,
Synthetic, Gasoline, etc.)• Cost: High (New Technology)• Maintenance: High (Due to lack of robustness)• Types of vessels: Submarines, Destroyers,
Cutters

Fuel Cell
Power Plants

－215－••••

Fuel Cell based Systems – The future of ships?
Diesel Electric – Workhorse of the world navies.
Gas Turbine – Successor to the Diesel Electric.
Nuclear Powered – Power overwhelming!

Current Types of Power Plants used on Ships

Power Plant Comparisons

－216－

Germany’s HDW U214

Fuel Cell Submarine

－217－

Fuel Cell Ship

United States Navy DDX

－218－• Power Output: 1.5kW – 30MW
• Internal Size and Structure: Large Housingneeded for battery block and motors, distributed
system• Fuel Type: Diesel• Cost: Low (Well established systems, simpler)• Maintenance: Low (Very robust system)• Types of vessels: Submarines, Destroyers,
Cruisers, Frigates, Command ships

Diesel ElectricPower Plants

－219－USS Blueback

Diesel Electric Sub

－220－USS Leahy (Cruiser)

Diesel Electric Ship

－221－• Power Output: 25kW – 100MW• Internal Size and Structure: Large Housingneeded for engines, centralized system• Fuel Type: Propane, natural gas, synthetics, diesel• Cost: Medium• Maintenance: Low• Types of vessels: Destroyers, Cruisers, Frigates

Gas Turbine
Power Plants

－222－US Oliver Perry Class Frigate

Gas Turbine Ship

－223－• Power Output: 10MW – 300MW• Internal Size and Structure: Large Housingneeded for reactor and shielding, centralized
system• Fuel Type: Uranium enriched rods
• Cost: Expensive• Maintenance: Low (Fairly robust system)• Types of vessels: Submarines, Aircraft Carriers,
Cruisers

Nuclear Power Plants

－224－USS Nimitz (Aircraft Carrier)Nuclear Powered Ship

－225－USS Ohio (SSBN)

Nuclear Powered Sub

－226－

735

Gas Turbine

Data from: Office of Naval Research (2003)

NOTE: Measurements are in (grams)/(hp*hour)

Based off of diesel fuel.

512

414

Diesel Electric

Fuel Cell

CO2 Output:

Power Plant Comparisons

－227－

6.0

Gas Turbine

Data from: Office of Naval Research (2003)

NOTE: Measurements are in (grams)/(hp*hour)

Based off of diesel fuel.

12.9<0.001

Diesel Electric

Fuel CellNOX Output:

Power Plant Comparisons

－228－

2.18

Gas Turbine

Data from: Office of Naval Research (2003)

NOTE: Measurements are in (grams)/(hp*hour)

Based off of diesel fuel.

1.52

1.23

Diesel Electric

Fuel CellSOX Output:

Power Plant Comparisons

－229－

641,465

Gas Turbine

Data from: Office of Naval Research (2003)

1 gallon ~ $1.00 US for NavyNOTE: Measurements are in gallons/dollars

Based off of diesel fuel.

321,703214,315

Diesel Electric

Fuel Cell

Annual Fuel Consumption/Costs:

Power Plant Comparisons

－230－

II.

I.

•
•
•
•

•

•

May utilize AIP fuel cell systems in future designs

Submarines

US Navy DD(X) Destroyer Program (Land Attack)
US Navy CG(X) Cruiser Program (Detection/Interception)

212A Class attack submarine (Germany, Italy)
Type 214 attack submarine (Greece, S. Korea)
Refit 209 Class attack submarine (Greece)
Type 800 Dolphin Class attack submarine (Israel)In the World•••

Surface Ships

In the United States

Future for Fuel Cells on theHigh Seas?

－231－

Actual vessel deployment in some countries

•

•
•
•

Two fully funded programs by US Navy
Adaptation for multiple sea platforms
Ongoing research in various countries
Sales of commercial units in Germany•

Outlook for Fuel Cells: Pretty Good!

Future for Fuel Cells on theHigh Seas?

この報告書は競艇の交付金による日本財団の助成金を受けて作成しました。

米国における新エネルギーを利用した動力機関に関する
技術開発動向調査2007 年（平成 19 年）3 月発行
発行

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日本舶用工業会

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ISBN978-4-9903018-6-6