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特集論

燃料電池搭載深海巡航探査機
うらしま の開発

文

Development of Fuel Cell AUV "URASHIMA"
前 田 俊 夫＊1

石 黒 慎 二＊2

横 山 和 久＊3

広 川橋 本奥 田 幸 人＊6

Toshio Maeda

Shinji Ishiguro

潔＊4

Kiyoshi Hirokawa

谷彰＊5

Akira Hashimoto

Kazuhisa Yokoyama

Yukihito Okuda

俊 宏＊7

Toshihiro Tani

うらしまは燃料電池を搭載した世界初の自律型無人潜水機であり，平成 16 年６月駿河湾沖で220 km の連続長距離航走を達成した．この当社開発の完全閉ループ式の燃料電池システムを水中のビークルに搭載するうえでは様々な検討，工夫がなされている． うらしまは最新鋭の自律型無人潜水機として音響遠隔制御機能，重量トリム調整機能，調査観測機能等の様々な新規な機能を有している．海域試
験ではこれら諸機能とともに燃料電池による給電機能，自律航行制御機能等の優れた能力を確認した．

1．はじめ

テナの他，電源コンテナ，燃料電池船上設備がある．にビークルと船上との通信は，水中では光又は音響，地球温暖化の原因究明には北極海の海洋データの水上では長距離無線，船上では電波 LAN による通信取得・解析が不可欠と言われている．容易に近づくこが可能である． うらしまの航行モードには自律航とが困難なこの北極海の調査を有効に行えるツール

行モード，音響遠隔制御モード及び光ファイバケーブとして長距離航行可能な巡航型の自律型無人潜水機

ルによる光通信制御モード（U-ROV モードと呼称）（Autonomous Underwater Vehicle ：以下 AUV とすの３つがある．音響遠隔制御モード及び U-ROV モーる）の開発が望まれている． うらしまはこの北極

ドは母船からの遠隔指令で航行するモードであり，指海の海氷下を自律航行できる AUV 開発のための試験

令の通信手段が各々，音響もしくは細径光ファイバ機と位置づけられており，平成 12 年３月に（特）海洋（外径１ mm）を介しての光通信である．音響通信は科学技術センター（現（独）海洋研究開発機構）に納入

ビークルが母船の音響送受波器直下から± 30 度のコされた．その後，海洋研究開発機構とともに実海域のーン内に位置する必要があり，U-ROV モードは潜航潜航試験を進め，リチウムイオン電池を動力源とし開始から母船との音響通信が確立する間に使われるこて平成 13 年８月には AUV として世界最深の 3 500 mとが多い．通信監視機能が充実していることも潜航を，平成 14 年６月には 132.5 km の長距離自律航しま走を達成した．さらなる航続距離の延伸を目的として

3．ビークルの主要構成

動力源を燃料電池に換装する工事を平成 15 年３月に完工し， うらしまは航続距離 300 km の巡航型ビークルとして生まれ変わった．

ビークルの主要目を表１に，配置図を図１に示す．
（1）構造

本報ではこの世界初の燃料電池搭載深海巡航探査機
うらしま

うらしま の機体は純チタン製のフレームをベースとし，装置，浮力材を搭載し，外部を FRP 製フェの概要と海域試験結果について報告する．

2． うらしまうらしま

アリングカバーで覆うことにより構成されている．

システムの構成及び運用

浮力材は直径 40 〜 100 μｍの微小中空ガラスマイ

は AUV であり，航行中には基本的にクロバルーンを樹脂で固めた比重 0.5 のシンタクチ

は母船からの支援を必要としないが，母船随伴による監視が可能なよう考慮している． うらしま

システックフォームを使用している．
（2）推進操縦装置

ムはビークル及び母船上設備にて構成されている．母

うらしま

船上設備としては制御監視パネルを収納した制御コン
神戸造船所潜水艦部長
神戸造船所潜水艦部艦艇設計課主席＊3
神戸造船所潜水艦部艦艇設計課＊4
神戸造船所潜水艦部電武装設計課

うらの特徴の一つである．

は巡航型のビークルであり，直進前進を運動の基本としている．操縦は船尾の垂直舵，
技術本部長崎研究所次長
技術本部高砂研究所制御システム研究室＊7
長崎造船所火力プラント設計部燃料電池開発課＊1＊5＊2＊6

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水平舵を使用する．垂直スラスタは停止時（ホバリ可能である．ミッション終了後の浮上は浮上用バラング状態）の上下移動に使用する．

ストを投棄することによって行なわれる．

（3）重量・トリム装置及びバラスト装置（4）調査観測装置

潜航中，ビークルの重量・トリムを調整できる機能を持っていることは

うらしまある．これは行動範囲の広いの大きな特徴で

うらしま

海底調査のための観測装置として TV カメラ，スナップショットデジタルカメラ，サイドスキャンソにとってーナーを搭載している．巡航中の海洋観測のための海水温度，密度の変化により浮量バランスが変動す装置として塩分濃度，水温，溶存酸素を連続計測することが予想され，その状況でも安定した航走を可る CTDO 計及び多点採水装置を有している．多点能とするためである．前後傾斜角（トリム）の調整

採水装置は１セル当り 250 cc の海水を 200 セルまでは約 50 kgf の重錘を前後に±１ｍ移動させるトリムサンプリングすることができる．

調整装置によって行う．また，油ブラダに油を出し入れする浮量調整装置により約 60 kgf の浮量調整が4．燃料電池システム
4．1

表１項型

ビークル主要目

目

料

電池

水中のビークルで使用する動力源は小型・軽量であ

要式

燃

目

ること，取り扱いが容易であることが求められる． う

自律型無人潜水機（AUV）

らしまの動力源は固体高分子形燃料電池（Polymer

主要寸法

（m）

長さ×幅×高さ：約 10.7×1.3×1.5

空中重量（t）

約 10

Electrolyte Fuel Cell ：以下 PEFC とする）を使用し最大潜航深度（m）

3 500ている．PEFC は他の形式の燃料電池と比べて作動温

最大航続距離（km）

300

度が 60 〜 80 ℃と低いという特徴がある．温度が常温

水中速力（巡航）（kt）

約3に近いため発停が容易であり，防熱対策も可能な温度

トリム調整装置，浮量調整装置
浮上用バラスト装置，応急投棄バラスト装置

船体システムであり，小型・軽量なシステム構成にすることが可能である．当社は燃料電池システム
燃料電池：固体高分子形（PEFC）
定格４kW 120 V
酸素ガス容器 内圧 14.7 MPa
水素吸蔵合金システム
補助電源 常備用リチウムイオン２次電池

動力装置

うらしま 動力源として本燃料電池システム及び燃料電池スタックを開発した．本燃料電池は２基のスタックを直列に接続しており，定格出力は 120 V，４ kW である．図２にうらしまの燃料電池システムの構成，図３に写真を示す．

推進操縦装置前後スラスタ 1.8 kW×１
垂直スラスタ 0.6 kW×２
水平スラスタ 0.6 kW×１
垂直舵，水平舵

池はチタン合金製の耐圧容器内に収納されており，酸調査観測装置

TVカメラ，水中投光器
サイドスキャンソーナー
スナップショットデジタルカメラ，CTDO 計，多点採水装置（リチウムイオン電池動力時搭載）

航海装置

慣性航法装置，傾斜計，ドップラソーナー，
深度計，高度ソーナー，GPS 測位装置，音響ホーミングソーナー，前方高度計，
音響トランスポンダ，応急用トランスポンダ

うらしま

搭載の燃料電池システムは陸上のものと異なり，完全閉ループ式の燃料電池である．燃料電
素ガスは高圧（14.7 MPa）の酸素ガス容器から供給され，燃料である水素ガスは耐圧容器に収納された水素吸蔵合金から供給されている．酸化剤として空気ではなく純酸素を使用するという点も閉ループ式であるゆえの一つの特徴である．燃料電池スタックを通過し音響信号伝送送波器

GPSアンテナ

制御用耐圧容器

応急用トランスポンダ

燃料電池用耐圧容器
垂直舵

酸素ガス容器

音響信号伝送受波器
浮量調整装置用
耐圧容器

水素吸蔵合金用
耐圧容器

水平舵

音響ホーミングソ−ナー

前後スラスタカラーTVカメラ
前方高度計
垂直舵

油プラダ
速度検出器
トリム調整装置

垂直スラスタ（後）スナップショットデジタルカメラ

図１

ビークル配置図

常備用２次電池

垂直スラスタ（前）サイドスキャンソーナ−

応急投棄バラスト装置

浮上用バラスト装置

ビークルの配置図（側面）を示す．
三菱重工技報 Vol.41 No.6（2004-11）

60燃料電池
スタック

水素吸蔵合金
放熱管

熱交換器 水素加湿器

酸素ガス容器温 度（℃）
・電 流（A）

水素吸蔵合金耐圧容器

50：0.9 MPaG（圧力制御目標） 1.2：水素吸蔵合金温度：水素吸蔵合金圧力
1.0400.8300.6200.4：水素放出流量：燃料電池電流：海水温度

100：水素：酸素：MH循環水：FC循環水1

圧 力（MPaG）

3460.2

23時

間（h）

450.0

生成水タンク

図４ 水素吸蔵合金の圧力制御
燃料電池耐圧容器

図２ 燃料電池システム構成図

うらしま 燃料電池シ
ステムのガス・循環水の系統概要，構成を示す．

水素吸蔵合金の温度を循環水により制御することにより，ガス圧を一定の範囲に保持している．

母船間通信

電波
LAN

通長
信距
装離置電波

伝光送フ
装ァ置イバ装衛
置星
通信

伝音
送響
装信
置号

ハブ
演算用 CPUMC 68060
IO 用 CPUMC 68040

図３ 燃料電池

ビークル燃料電池耐圧容器に搭載した燃料電池本体の写真を示す．

た未反応ガスは系内で再循環され，生成された水は燃
料電池耐圧容器内にある生成水タンクに貯められる．

フラッシュメモリ
64 MB

ビークル
制御装置

RASボードDIOボード64/64 chAI ボード
16 ch

デセ
ジン
タサ
ル用
信号

舵・ト装リ
置ム
等

SIOボード計 32 ch

推進装
置等

観航
測海装装
置置

図５ 制御システム構成

ビークル制御システムの構成と外部インタフェースを示す．

PEFC にとって温湿度管理は非常に重要であるが，燃料電池スタックには一定温度の循環水を流し運転温図４に海中での水素吸蔵合金のガス圧制御状況の一度を保つとともにガス系については防熱とヒーティン

例を示す．水素ガスの使用に伴い，水素吸蔵合金圧力グにより温湿度管理を行っている．循環水系には耐圧は低下してくるが，圧力が低下すると循環水を流し水容器外部への放熱管があり，この流れをコントロール

素吸蔵合金の温度を上げ，水素吸蔵合金圧力を上昇さすることにより温度を一定に保っている．

せている．圧力が所定の値まで上昇すると循環水の流4．2

水素吸蔵合金

水素ガスについては安全性を考慮し，水素吸蔵合金（MH ： Metal Hydride）による貯蔵方式を採用した．水素貯蔵合金は吸蔵効率が良く，常温範囲（20れを停止する．この温度制御により水素吸蔵合金圧力を 0.85 〜 0.95MPaG の範囲に制御している．

5．自 律 制 御〜 60 ℃）で吸蔵放出できる AB5 型希土類系合金を使5．1 システム構成及び機能用している．

自律制御に用いられる制御システムの構成図を図５

水素吸蔵合金からの水素放出は吸熱反応であるが，に示す．ビークルの制御装置は演算用 CPU と IO 用その熱源として燃料電池の排熱を利用し放出のコント

CPU により構成されており，制御用耐圧容器に収納ロールをしている．

されている．ビークルの各アクチュエータ，センサは及び水素吸蔵合金はそれぞれの耐圧容器に個別の制御装置を有する分散制御システムとしている．
自律航走中は予め入力されたシナリオに基づき，ビークルは制御されるが，光または音響による船上からの指令は随時入力可能である．ビークルから船上へのデータ送信は常時行っており，ビークルの状態量（深度，針路，速力，姿勢角，座標等）や各機器の運転状

燃料電池電流（A）
・水素放出量（NL/min）
・ビークル速力（kt）

全てビークル制御装置により制御されるが，燃料電池態及び TV 画像，サイドスキャン画像をモニターでき

45040100

35200

30300

25400

20

：水素放出量：燃料電池雹流
：深度：ビークル速力

1510

うらしま

2004/6/10
11：00
時

自律航行機能700

900
2004/6/923：00となっている．
5．2600800

502004/6/9
11：00る．浮上状態では長距離無線による双方向通信が可能

500

深 度（m）

347

図６ 燃料電池運転状況

2004/6/10
23：00

刻

海域試験における燃料電池の運転状況データを示す．の自律航行は予め入力されたシナリオによって行われる．その実行は階層的な４つのタスク，（a）統括制御タスク，（b）航行パターン実行タスク，（c）

位置を予め計出（キャリブレーション）した音響トラ

運動制御処理タスク，（ d）アクチュエータ制御タスク

ンスポンダを基準とし，音響測位により位置補正を自によって行なわれる．統括制御タスクではシナリオの律的に行っている．

実行・進行を管理しており，航行パターン実行タスク
では針路変更・保持・深度変換・保持などの航行パター

7．まとめ

ンの実行を管理する．運動制御処理タスクでは航行パ

６月の海域試験では燃料電池が水中の動力源としてターンを実行させるための各アクチュエータの制御指有用であることは十分実証できたものと思われる．ま

令値を決定し，アクチュエータ制御タスクがスラスタ，た，43 時間の連続航走の間，自律制御システムは良舵及びトリム調整装置などの各アクチュエータを駆動

好に機能しシナリオどおりの航走を行うことができする．

た．

シナリオは航行コマンドをシーケンスに並べた形で構成しており，航行コマンドとしては所定のポイン

最後に， うらしま池システム

及び水中ビークル用燃料電の開発にあたり，開発当初から御指導戴トに向かう ， トランスポンダの信号により位置補正いている（独）海洋研究開発機構には深く謝意を表するを実行する ， 一定の深度（高度），方位で航走する ，ものである．

指定の位置で観測を実施する

6．海域試等が用意されている．

験平成 16 年６月９日〜 11 日に駿河湾の南北 25 km の２地点間を往復自律航走する長距離航走試験を実施した．深度 800 m，平均速力約 2.8 kt で連続 43 時間の自律航走を行ったところで台風の接近のため試験中断となったが，220 km 連続長距離航走を達成した．

参 考 文 献
（1）百留忠洋，深海巡航探査機 うらしま の現状と将来，日本マリンエンジニアリング学会誌
Vol.37 No.9（2002）p.23（2）青木太郎ほか，PEFC 深海巡航探査機 うらしま ，燃料電池シンポジウム予稿集（2003）p.90（3）Aoki, T. et al., Fuel Cell Underwater Vehicle"URASHIMA", ISOPE-2004 Conference
Proceedings（2004）

燃料電池は航走中，ビークルの速力変換等の負荷変動にスムーズに追従し，安定した作動を示した．水素吸蔵合金からの水素供給も良好であり，燃料電池システム全体としての良好な作動が確認できた．図６に試験時の燃料電池運転状況を示す．
自律航走は南北に設置した２つのトランスポンダを前田俊夫

石黒慎二

横山和久

橋本彰

奥田幸人

谷俊宏

広川潔

基準点として設定したコースを航走する形で行った．
通常ビークルは慣性航法装置にて位置を認識して航走するが，慣性航法装置は潮流などの加速度成分の小さな外乱のもとで長時間航走を行うと誤差が蓄積し実位置とずれが生じてくる．このため

うらしまは設置

三菱重工技報 Vol.41 No.6（2004-11）