電動航空機の開発動向（Ⅴ）

航空機

2022.12.212023.10.17

　燃料電池の航空機への適用は、2005 年頃からボーイングとエアバスがフィージビリティー･スタディーを開始している。全電動化航空機(AEA）構想の一環で、油圧・空気圧による駆動も電気系統で統一し、飛行の推力以外は全て電動化することで、燃費向上、低コスト化を実現するのが狙いである。

燃料電池航空機(1)
1. 国内における燃料電池の開発状況
2. 航空機への燃料電池の適用検討

燃料電池航空機(1)

国内における燃料電池の開発状況

　日本では1970年代の2度の石油ショックを経て、1981年に開始された通商産業省「ムーンライト計画」（1993年以降は「ニューサンシャイン計画」）で、水力・火力・原子力に次ぐ第4の発電方式と位置付けて、「燃料電池（Fuel Cell）」の開発が推進された。

　1990年代にはリン酸型燃料電池（PAFC：Phosphoric Acid Fuel Cell）が実用化段階に入り、産業用途で出力：100～200kWのオンサイト発電（熱電併給）が行われた。その後、大規模発電用途を目指して、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC：Molten-Carbonate Fuel Cell）の開発が進められた。

　2000年代に入ると、2002年に本田技研工業とトヨタ自動車が相次いで、固体高分子型燃料電池（PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell）と水素タンクを搭載した燃料電池車（FCEV）を発売したことで、再び燃料電池が脚光を浴びる。

　一方、PEFCの出力密度が大幅に向上し、長寿命化が達成されたことで、2009年には一般家庭を対象に定置用燃料電池システム（出力：0.7kW）の商品化が相次いだ。

　2010年には一般家庭を対象に、総合効率の高い固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）の定置用燃料電池システム（出力：0.7kW）が商品化されたが、その後、高出力の業務・産業用途（出力：5kW～）へのシフトが進められている。

航空機への燃料電池の適用検討

　一般に燃料電池は電解質の種類によって分類され、以下のように作動温度が異なり、高温タイプほど発電効率は高くなる傾向にある。また、液体電解質のPAFCとMCFCは大規模発電向きとされているが、固体電解質を使うPEFCとSOFCはコンパクト化が容易であり、移動体の電源として適している。

①アルカリ型燃料電池　　(AFC：Alkaline Fuel Cell、作動温度：～250℃)
②リン酸型燃料電池　　　(PAFC、作動温度：150～200℃）
③溶融炭酸塩型燃料電池　(MCFC、作動温度：600～700℃)
④固体高分子型燃料電池（PEFC、作動温度：～100℃)　　
⑤固体電解質型燃料電池　(SOFC、作動温度：700～1000℃)

　実際に、燃料電池車（FCEV、出力：110～130kW）には、固体高分子型燃料電池（PEFC）が採用されており、燃料容器として高圧水素ボンベ（使用圧力：70MPa～）が搭載されている。

　定置式燃料電池では、家庭用燃料電池「エネファーム」（出力：700W）には固体高分子型燃料電池（PEFC）、業務・産業用燃料電池（出力：5kW～）には固体酸化物型燃料電池(SOFC) が採用され、都市ガス（CH₄）やLPガスから水蒸気改質法による燃料改質器で水素を生成・供給する。

　航空機への適用に関しては、2005 年頃からボーイングとエアバスが燃料電池適用に関するフィージビリティー･スタディーを進めている。従来からジェットエンジンに連結された交流発電機、あるいは小型ガスタービンによる補助動力装置 (APU；Auxiliary Power Unit) の燃料電池への置き換えである。

　全電動化航空機(AEA：All Electric Aircraft)構想の一環で、油圧・空気圧による駆動も電気系統で統一し、飛行するための推力以外は全て電動化することで、機体システムとして燃費向上、低コスト化を実現するのが狙いである。
　具体的には、自動車で実用化されたPEFC（数十ｋWクラス）の航空機用非常用電源や機内分散電源への採用が進められいる。将来的には、小型・高効率のSOFC（数百kW～MWクラス）による補助電源あるいは主電源への採用が進むと考えられている。

　2008年4月に、ボーイングは、航空機史上初となる燃料電池航空機の有人飛行に成功している。翼幅が16.3mのオーストリアDiamond Aircraft Industries製の2人乗りモーターグライダー「Dimona」を使用し、スペインのマドリード南オカーナの飛行場で、SENASAにより飛行試験が実施された。

　Boeing Research & Technology Europe（BR&TE）製のPEFCと蓄電池（LIB）を搭載し、従来のプロペラに接続して電動モーターを駆動させた。離陸時や上昇時には蓄電池から電力を補給し、巡航時には燃料電池のみで巡航速度：100ｋｍ/hで、約20分間の直線飛行に成功している。