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米国における船舶のクリーン推進システム開発プロジェクトに関する調査

 事業名 造船関連海外情報収集及び海外業務協力事業
 団体名 シップ・アンド・オーシャン財団  


4. 燃料電池と水素燃料
4−1 燃料電池と船舶
(燃料電池の概要)
 燃料電池は電極と電解質により電気化学的に電気を発生する装置であり、バッテリーと似ているが、最大の相違点はバッテリーが電気を蓄えられるのに反し、燃料電池は常時外部から2種の物質、燃料と酸化剤を加えなければならない点である。燃料は水素であるが、高価なヒドラジンやより安価な化石燃料改質水素ガス、酸化剤も純粋酸素から空気まで開発の歴史の中で種々の物質が使われてきた。第4−1図はディーゼル油に水蒸気を送って水素ガスを発生する改質器を使った燃料電池の原理図である。燃料電池は電解液の中で水素と酸素がより安定した水となる時の化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すもので、反応の結果出てくるものは電気と高温水である。燃料電池は内燃機関のように燃料を燃焼して熱エネルギーに変え、その動力で発電して電気を得るという余分な工程を含んでいないので、その分だけ効率が良い。また、排気も使用燃料により若干異なるが、基本的にクリーンである。NOxの生成は皆無ではないが、極端に少ない。燃料電池システムは更にポンプとコンプレッサー以外には可動部分がないことから、システムのメンテナンス性能は高く、また、騒音の発生が少なく、艦艇には適したシステムである。しかしながら負荷変動に耐え得る大型の燃料電池が無いこと、燃料の供給及び貯蔵の問題等から、今のところ燃料電池の利用は発電と自動車が中心であり、船舶への適用は試験的なものに限られている。
 
■開発の歴史
 燃料電池に近い装置を最初に作ったのはハンフリー・デイビー卿で、1802年、炭素陽極と陰極反応体として硝酸水溶液を使っている。しかし、巷間燃料電池の元祖と言われているのはウイリアム・グローブ卿である。1839年、水素及び酸素を閉じ込めたチューブを硫酸水溶液中に立て、プラチナ・フォイル電極を各チューブに漬けてそれらを結んだところ電流が流れることを発見した。しかし、その出力は低く、グローブ卿はその後この研究を進展させていない。その後1889年にLudwig Mond と Charles Langer は、まずグローブ卿の研究を再現し、純粋酸素の代わりに空気を、純粋水素の代わりに石炭から生成した不純水素ガスを使用した。彼等は硫酸をしっくいのようなものに染み込ませたものを電解液の代わりに使い、反応面積を広くした。しかし、彼等も研究を途中で放棄している。その理由はプラチナ触媒が高価なことと石炭から出てくる一酸化炭素である。その他、いくつかの研究が19世紀中に行われているが、19世紀末から20世紀始めにかけての内燃機関や発電機の発展により、燃料電池への関心は薄れていった。
 
■溶融炭酸塩型燃料電池
 1921年、Baurは溶融炭酸塩型燃料電池MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)を開発し、今日のMCFCの元祖となった。彼は炭素陽極と酸化鉄陰極を使って1,000℃で作動させているが高温腐食に悩まされた。
 
■アルカリ型燃料電池と高分子膜型燃料電池
 1932年には、Francis T.Baconが石炭或いは他の化石燃料から水素を供給し、酸化剤として空気を使う技術の開発に取り組んだ。ベーコンはグローブ卿のように電解質に酸を用いるとプラチナのような高価な触媒が必要となるので、アルカリ電解質を用いることとした。アルカリ電解質に対しては安価なニッケル触媒で充分であるが、ニッケルの触媒効果を高めるため205℃で作動させている。これが現在でも使われているアルカリ型燃料電池AFC(Alkaline Fuel Cell)のはしりである。AFCは、水酸化カリウム電解質が燃料及び大気中の二酸化炭素を吸収して固形炭酸カリウムが電極に発生し、性能が劣化するという欠点を持っている。ベーコンは圧力を高めることにより燃料電池の反応性を増加させ、また、メンテナンス等の問題を解決し、1959年、いわゆるベーコン・セルを完成しAllis−Chalmersのトラクターを動かした。最近主流の高分子膜型燃料電池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)は、AFCから発展したものである。
 
(燃料電池の実用化とその課題)
 燃料電池の実用化ニーズは宇宙船用動力源から始まった。NASAは1962年、アポロ宇宙船にプラット・アンド・ホイットニー(P&W)が製造したベーコン型燃料電池を搭載し、1964年のジェミニ宇宙船にはGEがベーコン型アルカリ溶液電解質を高分子膜に置き換え製造した初のPEMFCを使用した。しかし、GEのPEMFCは故障が多かったため、1969年の月面着陸アポロ11号にはP&WのAFCが搭載されている。ところがAFCは前述の性能劣化の問題が表面化し、燃料電池の研究は燐酸型PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)、MCFC、固体酸化物型SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)、PEMFCへと移っていく。
 現在最も開発が進んでいるのはPAFCで、メガ・ワット級の発電装置に使われている。PEMFCの開発度も高いが自動車用の開発が主力である。MCFCやSOFCの開発はやや遅れているが、米海軍やUSCGはMCFCの艦艇への利用を考慮中である。但しSOFCが海軍やUSCGの考慮の対象となるのは5−10年先と考えられている。近年燃料電池の開発が進み、発電の分野では商品化され自動車の分野でもバスや乗用車の市販が進みつつある。船舶への適用も真剣に考えるべき時代に入ってきている。
 
 さて、燃料電池が実用化されるかどうかは、全てそのコストにかかっている。現在、燃料電池が商業船舶に搭載された例がない(小型の水上タクシー等を除く)ので、初期コストや運航コストの推定はかなり巾の広いものとなるが、大型商業用の燃料電池は現時点でkW当たり$1,000−1,500となっており、大型蒸気推進プラントと同じオーダーになっている。今後大量生産が開始されれば、この価格は急速に下がるものと思われる。第4−1表は燃料電池各形式とディーゼル発電機及びガスタービン発電機の効率、出力当たりの重量及び容積を比較したものである。効率は、どの形式をとってもディーゼル発電機やガスタービン発電機より高い。kW当たり重量及び容積については、PEMFCとSOFC(Planar)が優れているものの、その他の燃料電池についてはディーゼル発電機及びガスタービン発電機と同じということができる。
 
(燃料電池の船舶への適用)
 ある試算によれば、MCFCプラント推進船は中速ディーゼルエンジン2基の電気推進船に比し出力85%(MCR)で、17%の燃料節約となるという。また、燃料電池は低出力域でもあまり効率が落ちないので、その効果を入れると燃料消費量は更に少なくなるものと考えられる。また、MCFCやSOFCのような高温燃料電池では出てくる熱水や高温ガスで蒸気タービンやガスタービンを回すことも可能であり、システム全体として効率を高めることは可能であるが、これは3−1節で述べたように、コンバインド・サイクルとして利用されているディーゼルエンジンやガスタービンについても同じである。高温燃料電池のコンバインド・サイクルの開発は今後とも活発に行われるであろう。ウェスティングハウスは同社のSure Cell SOFCの高温ガスをターボ・コンプレッサーで加圧し、ガスタービンを回すコンバインド・システムを開発中である。
 
 燃料電池では使用する燃料とその種類により、燃料電池のタイプも定まってくる。米国で計画されているコミューターフェリーのように路線バスの延長線上にある船舶を除けば、船舶がその燃料として純粋水素を使用することは考えにくい。しかしながら、上記のような船舶については、小型で開発が進んでおり、低温で作動するPEMFCやAFCが使用されるものと考えられる。
 一方、より長距離を航行する船舶については、燃料の供給や保管の問題から、メタノールや天然ガスを燃料として使用することになると考えられるが、この場合はメタノールでの作動が確立されているPAFCが当面第1候補となる。例えば、LNGタンカーの蒸発ガスでPAFCを作動させ主推進用に用いることは技術的に十分想定される。しかし、仮にPEMFCのメタノール或いは天然ガスでの作動経験が積み重ねられて技術が確立された場合には、出力密度が高いPEMFCの適用がより合理的であろう。
 しかしながら、単位容積当たりの熱量を考慮すれば、最も望ましい燃料は蒸留石油燃料である。1986年、米国陸軍及び空軍は、蒸留石油燃料をPAFCに適用する場合は燃料改質器が必要であり、そのためにエネルギーを必要とするので、全体効率がディーゼル発電機よりも悪くなるとの研究成果を発表している。同じ理由から、蒸留石油燃料をPEMFCに適用した場合の効率も良くない。従って、蒸留石油燃料を使用する場合は、改質器のために余分なエネルギーを使わないMCFC或いはSOFCが有望となる。
 但し、蒸留石油燃料を使用する場合であっても、推進システムの重量や容積削減が重要な要素である高速船等(高速フェリーや港内艇)にはPEMFCが最も適している。PEMFCは小型で配置上の自由度が高く、騒音も有害排気も少ないので、高速客船向きであるといえる。いずれにせよ、燃料電池が一般商船に使用されるには更なるコストダウンと技術の完成が必要である。
 
第4−1図 燃料電池作動原理図
(拡大画面:23KB)
 
 
第4−1表 燃料電池と内燃機関の比較
Power System Efficiency Weight Power
Density
Volume Power
Density (1)
(Ib/kW) (kg/kW) (ft3/kW) (m3/kW)
PEFC 39-42% 6.0-11.9 2.7-5.4 0.19-0.3 .005-.009
SOFC(Planar) 42-60% 9.6-13.5 4.4-6.1 0.28-0.81 .008-.023
SOFC(Tubular) 45-60% 20-30 9.1-13.6 0.60-1.2 .017-.034
MCFC 40-55% 40-60 18.1-27.2 0.98-2.1 .028-.060
PAFC 38-42% 30-46 13.6-20.9 0.93-1.5 .026-.043
Diesel Generator 31% 31.4 14.2 0.86(2) 0.024(2)
Gas Turbine Generator 26% 26.9 12.2 0.94(2) 0.026(2)







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