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1969年7月20日は何の日?と言われても、今やピンとこない人が少なくないでしょう。でも「アポロ」という言葉がヒントだとしたらいかがですか?

そうです、この日はアポロ11号のミッションで人類が初めて月面に降り立った日です。月面を歩く宇宙飛行士の映像や、ニール・アームストロングの「これは一人の人間にとっては小さな一歩だが、人類にとっては偉大な飛躍である」という言葉を思い出す人も多いのではないでしょうか。しかし、この歴史的なミッションで宇宙船がどのようにして電力を得ていたのか。ご存じの方は多くないでしょう。

この課題に対するNASAの答えは「燃料電池」です。でした。月面に到達したあの宇宙船アポロのすべての装置は、3つの水素燃料電池によって電力供給されていたのです。この燃料電池モジュールは、それぞれ31個の燃料電池を積み重ねたものでした1。

それから現在まで50年以上経ちました。今や燃料電池は自動車からデータ・センターまでさまざまな業界と用途に使用されています。今回は固体酸化物燃料電池に対する学びを深め、まず下記4つの一般的な質問からエネルギーIQに関する知見を高めましょう。

質問1: 固体酸化物燃料電池とは?

簡単に言えば、すべての燃料電池はエネルギー変換器であり、エネルギーをある形態から別の形態に変換します。少し具体的に説明すると、燃料電池は、燃料に蓄えられた化学エネルギーを、燃焼を必要とせずに電気エネルギーと熱エネルギー(熱)に変換します。エンジンや発電所も同様に、エネルギーをある形態から別の形態に変換しますが、それらは燃焼に依存しているのでエネルギー変換の全体効率が低下します。

固体酸化物燃料電池は数ある燃料電池の一つで、天然ガスを燃料として電気、水、熱、および少量の二酸化炭素を生み出します。

質問2: 固体酸化物燃料電池とプロトン交換膜燃料電池の違いは?

水素燃料電池としても知られるプロトン交換膜(PEM)燃料電池と固体酸化物燃料電池は、基本的な動作原理は同じですが、多くの違いがあります。ここでは、これらの技術が現在使用されている方法に影響を与えている2つの違いについて説明します。

  • 燃料: PEM燃料電池は純粋な水素(H2)を燃料として使用します。一方、固体酸化物燃料電池は天然ガスやメタン、プロパンなどの炭化水素燃料を利用して発電できます。
  • 大きさ: PEM燃料電池と固体酸化物燃料電池の単体のセルどうしでは大きさに大差はありませんが、燃料電池モジュールを構成したときに大きさの違いが生まれます。一般的なPEM燃料電池のモジュールは固体酸化物燃料電池のモジュールよりも小さくなります。この理由から、PEM燃料電池はトラックやバス、電車、船舶といった幅広い輸送用途に適しています。


質問3: なぜ固体酸化物燃料電池が必要なのか?

固体酸化物燃料電池のメリットは用途によって異なりますが、どの用途でも共通のメリットが2つあります。

  1. 環境面と経済面でのメリットをもたらす高効率。固体酸化物燃料電池の電気効率は60%にも達します2。つまり、燃料に蓄えられたエネルギーの60%が有効な電気エネルギーに変換されるということです。これは石炭発電所の効率を大きく上回ります。さらにコジェネレーション用途では、燃料電池で発生した余剰熱を加熱に利用することで、全体の効率をさらに80%以上向上させることができます。また、燃料電池は局所に配置できるため、大規模な中央発電所からの分配損失に関連する非効率をなくすことができます。

    石炭を燃料として使用する従来の発電所と比較して、固体酸化物燃料電池は一般的に天然ガスを燃料として使用するため、この高効率は経済面でのメリットをもたらすだけでなく、環境への影響を最小限に抑えることにもつながります。また、固体酸化物燃料電池は硫黄酸化物や粒子状物質を排出しません。
  2. モジュール構造による拡張性。固体酸化物燃料電池では、個々の燃料電池を束ねて1つのスタックを形成しています。このスタックを複数、他の装置と組み合わせることでモジュールを形成しています。そして個々の発電モジュールを並列に配置することで、燃料電池発電システムを構築できます。このような燃料電池モジュールは、必要に応じてシステム全体に追加することもできます。つまり、ユーザーがビジネス・ニーズに合わせて発電に対する投資を調整できるので、財務的な柔軟性も生まれます。

マイクログリッドや燃料電池からエネルギー蓄積装置まで、私たちのエネルギーの未来には多様な技術と燃料があり、カミンズは、そのようなお客様の多様なニーズに応えるために、さまざまな電力ソリューションの革新と提供に取り組んでいきます。

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参考文献:
1 スミソニアン国立航空宇宙博物館(日付不明)。Apollo to the Moon, About the Spacecraft(アポロから月へ、宇宙船について)[ウェブページ]。https://airandspace.si.edu/から引用
2 アメリカ合衆国エネルギー省、エネルギー効率・再生可能エネルギー部(日付不明)。燃料電池技術の比較[表]。https://www.energy.gov/から引用

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