消費機器 第５章 コージェネレーションシステム・燃料電池・天然ガス自動車

都市ガスを使った発電・自動車利用の最新技術を扱う章です。コージェネレーション(ガスエンジン式・ガスタービン式)、燃料電池4種類(PEFC・PAFC・SOFC・MCFC)、地域冷暖房、天然ガス自動車までを学びます。

乙種・甲種兼用 / 全15節 / 学習目安: 30〜60分

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📍 はじめに

ガスは熱源だけでなく、電気も作れます。コージェネは発電と排熱を両方使うことで効率を80%以上に。燃料電池はさらにその先へ。最後の章では都市ガスの先端応用を整理します。

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📍 この章で学ぶこと(4ブロック・全15節)

各節の重要度を 乙種 / 甲種 で並べて表示します。

🟦 = 甲種で重要度が乙種より上がる節 / ★ = 重要度A節

ブロック1: コージェネレーション

節	タイトル	乙	甲
1-1	コージェネレーションシステムの概要	B	C
1-2	ガスエンジン式コージェネレーション	C	C
1-3	ガスタービン式コージェネレーション	C	🟦 B
1-4	コージェネレーションの優位性	C	C
1-5	コージェネレーションの設計・運転形態	★A	B
1-6	ガスエンジン式・ガスタービン式の比較	C	C
1-7	コージェネの技術開発（希薄燃焼・ミラーサイクル・低NOx）	C	C

ブロック2: 燃料電池コジェネ

節	タイトル	乙	甲
2-1	燃料電池コージェネレーションの概要と特長	C	C
2-2	燃料電池4種類の比較（PEFC・PAFC・SOFC・MCFC）	C	C
2-3	固体高分子形燃料電池（PEFC）の特徴	B	B
2-4	固体酸化物形燃料電池（SOFC）の特徴	C	🟦 B
2-5	燃料電池コージェネのシステム構成と燃料処理	B	C

ブロック3: 地域冷暖房

節	タイトル	乙	甲
3	地域冷暖房の概要と特長	C	C

ブロック4: 天然ガス自動車

節	タイトル	乙	甲
4-1	天然ガス自動車の特長と種類	C	C
4-2	天然ガス自動車の構造・安全装置・充填設備	C	C

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📚 テキスト解説

各節は次の構成で進みます。

– 🎯 一言で

– 📖 解説(乙種ベース)

– 🟦 甲種プラスα(必要な節のみ)

– ⚡ 焦点ポイント

– 📝 過去問のひっかけ例

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1-1. コージェネレーションシステムの概要

重要度: 乙B / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

電力と熱を同時供給。3方式（ガスエンジン・ガスタービン・燃料電池）。総合効率70〜85%。

コージェネレーションシステム（CGS）は一次エネルギー源から電力（または動力）と熱を同時に発生させるシステム。

都市ガスを用いる代表的な方式：①ガスエンジン式 ②ガスタービン式 ③燃料電池式

火力発電との比較

　・火力発電所：一次エネルギーの約40%のみ利用（残りは廃熱・送電ロス）

　・CGS：冷却水・排ガスの熱を回収利用→総合エネルギー効率70〜85%

「原動機を需要地に置き（オンサイト）、一定地域（コミュニティ）にエネルギーを供給することが最も有効」という考え方に基づく。

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1-2. ガスエンジン式コージェネレーション

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

発電効率30%以上。排熱は温水（または蒸気）で回収。5kW〜10,000kW。パッケージ型=ジェネライト。

作動原理空気と燃料の混合気をシリンダー内で圧縮→火花点火→爆発力→回転動力→発電機駆動

特長

　・発電効率30%以上（天然ガスはメタンが耐ノッキング性に優れ圧縮比を高くできる）

　・廃熱は温水として回収（中〜大型エンジンは排ガス系から蒸気回収も可）

　・エンジン寿命が長くメンテナンスが容易

　・発電規模：5kW〜10,000kW（家庭用1kWも）

排熱回収タイプの種類

　①温水回収タイプ：ジャケット冷却水＋燃焼排ガスから85℃前後の温水を回収

　②温水回収タイプ（パッケージ型）：エンジン・発電機・排熱回収装置等を一体化→業務用はジェネライト

　③蒸気・温水回収タイプ：ジャケット系→温水、排ガス系→高圧蒸気→蒸気二重効用吸収冷凍機の駆動が可能

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1-3. ガスタービン式コージェネレーション

重要度: 乙C / 🟦 甲B

📖 解説(乙種ベース)

空冷式→冷却水不要。廃熱を全量蒸気で回収。1,000kW以上（マイクロ：50〜300kW）。4サイクル種別。

作動原理圧縮空気＋燃料を燃焼→膨張力をタービンに噴射→回転動力→発電

特長

　・熱出力の割合が大きい（電気より熱の比率が高い）

　・廃熱を全量高圧蒸気で回収→プロセス利用や蒸気二重効用吸収冷凍機での冷房利用

　・空冷式→冷却水不要

　・軽量コンパクト（発電規模に対して）

　・運転音の主体が高周波→遮音が容易

　・発電規模：50kW以上（1,000〜数万kW級が一般的）300kW以下はマイクロガスタービン

システムの種類

　①シンプルサイクル：廃熱ボイラーから高圧蒸気回収

　②排熱助熱サイクル：排ガスを追いだき→多量の蒸気取り出し（熱需要大に適）

　③コンバインドサイクル：高圧蒸気→スチームタービンで発電→高い発電効率

　④チェンサイクル（熱電可変型）：廃熱ボイラーの蒸気をタービンに供給→電力出力向上

🟦 甲種プラスα

甲種では「ガスタービン式コージェネレーション」の本文の概念をより深く理解した上で、論述問題への応用が問われます。本文の数値・原理をしっかり押さえてください。

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1-4. コージェネレーションの優位性

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

省エネ・SOx発生なし・CO₂少・電力負荷平準化・エネルギーセキュリティ向上の5点。

省エネルギー性総合効率70〜85%で多目的利用（電力・空調・給湯・製造プロセス等）

環境保全性

　・天然ガスはSOx（硫黄酸化物）を発生しない

　・石炭基準100に対し：SOx＝0（天然ガス）、NOx＝20〜40、CO₂＝60

　・石油基準100に対し：NOx＝石油70、CO₂＝石油80

電力負荷平準化ピーク時稼働→系統電力の負荷低減

エネルギーセキュリティ

　・電源の二重化・安定化

　・BOS（ブラックアウトスタート）対応機なら停電時も電力供給可能

　・消防用の非常用電源としても利用可（常用防災兼用機）

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1-5. コージェネレーションの設計・運転形態

重要度: ★ 乙A / 甲B

📖 解説(乙種ベース)

電主熱従（ピークカット・ベースロード）と熱主電従の2方式。系統連系・逆潮流も頻出。

導入に向く建物の条件

　①年間を通じて安定した電力・熱負荷がある

　②電力負荷と熱負荷の時刻別発生パターンが類似

　③熱電比（熱需要/電気需要）が比較的高い

　④病院・コンピューターセンターなど電力・熱の多重化が必要

運転方式

　■電主熱従運転：電力負荷に合わせて発電し、廃熱を利用できるだけ利用

　　・ピークカット運転：契約電力を下げて基本料金削減・受変電設備も低減

　　・ベースロード運転：定格負荷近くで長時間運転→稼働率高く経済的

　■熱主電従運転：熱負荷に合わせて廃熱利用分だけ発電

系統連系と逆潮流

　・系統連系：商用電力の配電線網（系統）につないで運転

　・系統分離：系統から切り離して運転

　・逆潮流：一定条件を満たせば発電した電力を電力事業者に売電可能

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1-6. ガスエンジン式・ガスタービン式の比較

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

エンジン：5kW〜10,000kW・温水回収・電気割合高。タービン：1,000kW以上・蒸気回収・熱割合大。

システム比較表

項目 ガスエンジン式 ガスタービン式

最適規模 5kW〜10,000kW 1,000kW以上（マイクロ50〜300kW）

排熱回収方法 温水回収 or 温水・蒸気回収 蒸気回収（全量高圧蒸気）

システム効率 約70〜85% 約75〜80%

エネルギー特性 電気の割合が高い 熱出力の割合が大きい

冷却水 必要 不要（空冷式）

最適用途 ホテル・病院・スポーツセンター 地域冷暖房・大規模複合ビル・工場

　 等の民生用分野 蒸気多使用の産業用

脱硝法 希薄燃焼・三元触媒・尿素脱硝 水噴射・蒸気噴射・予混合希薄燃焼

・アンモニア脱硝・尿素脱硝

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1-7. コージェネの技術開発（希薄燃焼・ミラーサイクル・低NOx）

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

希薄燃焼：NOx低減＋高効率化。ミラーサイクル：膨張比＞圧縮比で高効率。三元触媒vsアンモニア脱硝。

高効率化技術（ガスエンジン）

　①希薄燃焼（リーンバーン）：理論空燃比より過剰な空気を混合→最高燃焼温度低下→NOx低減＋高効率化

　②ミラーサイクル：給気弁閉鎖タイミングを下死点前後にずらす→膨張比＞圧縮比を実現→

　　　　　　　　　 燃焼ガスを十分膨張させて熱効率向上→ノッキング抑制

　③マイクロパイロット着火：火花点火方式に替えてパイロットインジェクタから微量液体燃料を噴射

　　→副室内のガスを着火→出力向上・機械効率向上

低NOx化（脱硝法）

　　　　　　ガスエンジン式 ガスタービン式

燃焼改善： 希薄燃焼 水噴射・蒸気噴射・予混合希薄燃焼

排ガス処理：三元触媒・尿素脱硝 アンモニア脱硝・尿素脱硝

脱硝値：200ppm（O₂ 0%換算）以下まで低減可能

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2-1. 燃料電池コージェネレーションの概要と特長

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

水素＋酸素の電気化学反応で直接発電。総合効率90%超。NOx・SOxほぼゼロ。エネファーム。

燃料電池CGSは都市ガスから作った水素と空気中の酸素との電気化学反応で電気と熱を同時供給するシステム。

特長

　・電気化学反応→直接電気エネルギーを発生→エネルギー変換ロスが少なく高い発電効率

　・発電時の排熱を給湯・暖房などに利用→総合効率90%（LHV基準）超の商用機も登場

　・NOx・SOxをほとんど排出しない

　・振動・騒音が少ない

家庭用製品エネファーム（2009年PEFC型、2011年SOFC型商品化→2017年に全国20万台超）

最小単位単セル（燃料極アノード＋空気極カソード＋電解質）→積み重ねてセルスタック

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2-2. 燃料電池4種類の比較（PEFC・PAFC・SOFC・MCFC）

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

電解質・電荷担体・触媒・作動温度・発電効率を4種類で比較暗記。

燃料電池4種類の特性一覧

PEFC PAFC SOFC MCFC

電解質 高分子膜 リン酸水溶液 セラミックス 溶融炭酸塩

電荷担体 水素イオン 水素イオン 酸素イオン 炭酸イオン

触媒 白金系 白金系 不要 不要

作動温度 80〜120℃ 190〜200℃ 600〜1,000℃ 600〜700℃

発電効率（真発熱量基準）33〜44% 40〜48% 45〜60% 44〜66%

特徴 起動停止容易 最初に実用化 高効率 高効率・大容量

共通点燃料極反応：H2→2H⁺+2e⁻（PEFC・PAFC）/ H2+O²⁻→H₂O+2e⁻（SOFC）/ H2+CO3²⁻→H₂O+CO₂+2e⁻（MCFC）

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2-3. 固体高分子形燃料電池（PEFC）の特徴

重要度: 乙B / 甲B

📖 解説(乙種ベース)

電解質＝高分子膜（陽イオン交換膜）。作動温度80〜120℃。白金触媒。CO被毒→CO除去器必要。

PEFC（Polymer Electrolyte Fuel Cell）

電極反応

　・燃料極：H2→2H⁺+2e⁻

　・空気極：1/2・O₂+2H⁺+2e⁻→H₂O

　→水素イオン（H⁺）が電解質（高分子膜）を通って燃料極→空気極へ移動することで発電

特徴

　・電解質：固体の高分子膜（陽イオン交換膜）

　・作動温度：80〜120℃（低温動作）→起動・停止が容易

　・触媒：白金系

　・電力出力密度が大きい→コンパクト化しやすい

　・CO被毒：改質ガス中の一酸化炭素が白金触媒を被毒→CO変成器・CO除去器でCO濃度を10ppm程度以下に処理する必要あり

　・最も普及した家庭用燃料電池（エネファーム）の主流タイプ

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2-4. 固体酸化物形燃料電池（SOFC）の特徴

重要度: 乙C / 🟦 甲B

📖 解説(乙種ベース)

電解質＝セラミックス（安定化ジルコニア）。作動温度600〜1000℃。触媒不要。CO発電利用可。

SOFC（Solid Oxide Fuel Cell）

電極反応

　・燃料極：H2+O²⁻→H₂O+2e⁻

　・空気極：1/2O₂+2e⁻→O²⁻

　→酸素イオン（O²⁻）が電解質（セラミックス）を通って空気極→燃料極へ移動

特徴

　・電解質：安定化ジルコニア等のセラミックス

　・作動温度：600〜1,000℃（高温）

　・触媒：不要（高温なので触媒なしで反応進行）

　・改質反応に必要な高温熱をセルスタックの排熱でまかなえる→高い発電効率

　・一酸化炭素も発電に利用可能→燃料処理装置を簡易化できる

　・高温排熱でタービンとの複合発電が可能

　・材料が固体で形状自由度が高い

　・エネファームtypeSとして普及・業務用3kW級も市場導入

🟦 甲種プラスα

甲種では「固体酸化物形燃料電池（SOFC）の特徴」の本文の概念をより深く理解した上で、論述問題への応用が問われます。本文の数値・原理をしっかり押さえてください。

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2-5. 燃料電池コージェネのシステム構成と燃料処理

重要度: 乙B / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

燃料処理装置（脱硫器→改質器→CO変成器→CO除去器）＋本体（セルスタック）＋インバータ＋排熱回収装置。

システム4構成要素

①燃料処理装置：都市ガスを水素に変換

　・脱硫器：都市ガス中の付臭剤に含まれる硫黄分を除去（改質触媒の被毒防止）

　・改質器：水蒸気改質反応（吸熱反応）→都市ガス+水蒸気→改質ガス（水素＋CO等）

　　　　　　CmHn+mH₂O=mCO+(1/2・n+m)H2

　・CO変成器：CO+H₂O→CO₂+H2（シフト反応でCO低減）

　・CO選択酸化器（CO除去器）：CO+1/2O₂→CO₂（PEFC・PAFCで白金触媒保護）

②燃料電池本体（セルスタック）：単セルを積み重ねた発電装置

③インバータ：燃料電池本体からの直流電力→交流電力に変換。系統連系・電圧周波数同期機能

④排熱回収装置：排熱回収熱交換器を介して排熱を温水・蒸気として取り出す

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3. 地域冷暖房の概要と特長

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

建物群に対してエネルギープラントから地域配管で冷水・蒸気・温水を供給。5大特長を押さえる。

地域冷暖房とは、ある地域内の建物群に対して1ヶ所〜数ヶ所のエネルギープラントから地域配管を通じて冷水・蒸気・温水などを供給する冷暖房方式。

5大特長

①省エネルギー：個別ビルの低負荷運転時の効率低下を軽減できる

②都市環境の向上：熱源設備の集中化→大気汚染・騒音・振動対策を集中的に実施

③省力化・省スペース：受け入れ側建物では熱源設備・運転要員が不要

④設備費の軽減：集中化により個別方式に比べて全体の設備容量・コストが低減

⑤コージェネ・未利用エネルギーの導入：熱需要が大きく多様→CGS導入しやすい・排熱や河川水などの未利用エネルギーも活用しやすい

近年はスマートエネルギーネットワークの事例として注目されている。

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4-1. 天然ガス自動車の特長と種類

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

主流はCNG（圧縮天然ガス）自動車。長所：NOx1/3〜1/5・CO₂ 2〜3割減。短所：走行距離短。

現在使用されている天然ガス自動車のほとんどは圧縮天然ガス自動車（CNG自動車：20MPa）。

長所

　・排ガスがクリーン：NOx排出量はディーゼル車の1/3〜1/5、SOx・粒子状物質ほぼなし

　・CO₂排出量がガソリン車より2〜3割少ない（燃料中のC分が少なくH分が多いため）

　・低温でのエンジン始動性が良好（気体燃料のため）

　・オクタン価が高く耐ノッキング性に優れる

　・ガソリン車・ディーゼル車からの改造が容易

短所

　・走行距離が短い（燃料貯蔵容積効率がガソリンの1/3〜1/4）

　・車体重量が増加（燃料容器が重い）

種類（燃料貯蔵方式）

　①CNG自動車：気体のまま20MPaで貯蔵（主流）

　②LNG自動車：液体（-162℃）で超低温容器に貯蔵（日本では未実用化）

　③ANG自動車：吸着剤に吸着させて数MPaで貯蔵（試験研究段階）

CNG自動車のエンジン種別専用車・バイフューエル車・デュアルフューエル車・ハイブリッド車

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4-2. 天然ガス自動車の構造・安全装置・充填設備

重要度: 乙C / 甲C

📖 解説(乙種ベース)

安全装置6種（逆止弁・主止弁・過流防止弁・容器安全弁・燃料遮断弁ほか）。急速充填＝圧縮機＋蓄ガス器＋ディスペンサー。

燃料供給装置

　・ガス容器：スチール容器またはFRP容器（高圧20MPaで天然ガスを貯蔵）

　・減圧弁：高圧ガスを段階的に減圧

　・燃料混合装置：空気と天然ガスを混合（ミキサー方式・インジェクター方式）

　・燃料配管：外径6〜13mmのステンレス鋼製

安全装置

　・逆止弁：異常時にガス容器からの燃料ガス流出を防止

　・主止弁：燃料供給を遮断（運転席から閉止可・エンジン停止時に自動閉止）

　・過流防止弁：燃料配管折損時にガス容器からの多量ガス流出を防止

　・容器安全弁：火災等でガス容器の温度・圧力上昇時にガスを安全に放出

　・燃料遮断弁：エンジン停止時にエンジンへの燃料供給を遮断

充填設備

　■急速充填設備：圧縮機ユニット＋蓄ガス器ユニット＋ディスペンサーユニット

　　圧縮機：最高充填圧力（20MPa）より高い25MPa程度まで圧縮

　　蓄ガス器：カスケード方式（2〜3段）で効率的に運用

　■昇圧供給装置（小型充填機）：自動車と1対1で充填・蓄ガス器なし・数時間かかるが無人運転可

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🔢 消費機器の重要数値・設備の整理

コージェネレーション方式の比較:

方式	発電効率	総合効率	規模	用途
ガスエンジン式	35〜45%	75〜85%	中小	ビル・工場
ガスタービン式	25〜35%	75〜80%	大型	大規模施設・地域
燃料電池式	35〜55%	80〜90%	小型〜中型	業務・家庭

燃料電池4種類の比較:

種類	名称	作動温度	電解質	主用途
PEFC	固体高分子形	80〜120℃	プロトン交換膜	家庭・自動車
PAFC	リン酸形	200℃前後	リン酸	業務・初期実用化
SOFC	固体酸化物形	600〜1000℃	酸化物セラミック	業務・家庭(エネファーム高温型)
MCFC	溶融炭酸塩形	600〜700℃	溶融炭酸塩	大型業務

天然ガス自動車の主要分類:

– CNG車: 圧縮天然ガス(20MPa前後)、最も普及

– LNG車: 液化天然ガス、長距離トラック向け

– LPG車: 液化石油ガス(参考)

地域冷暖房:

– 中央プラントで冷温水・蒸気を製造、地域に配送

– 環境負荷低減・効率向上が目的

– 都市部の大規模再開発で多く採用

消費機器科目では、機器の方式・設置基準・安全装置の作動原理の組み合わせで誤答が作られます。本章で出てきた数値・方式・原理を一覧で整理しておくと、選択肢の引っかけに気付きやすくなります。

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📝 関連過去問

この章の知識が問われる過去問題リスト(全19問)。

ℹ️ 乙種・甲種は別の試験です。同じ問番号(例: 基問10)であっても、乙種と甲種では出題される問題内容は異なります。各年度・種別ごとの本文は 乙種過去問 / 甲種過去問 ページから確認してください。

乙種(10問)

– 令和7年: 消問23

– 令和6年: 消問23

– 令和5年: 消問23

– 令和4年: 消問23

– 令和3年: 消問23

– 令和2年: 消問23

– 令和元年: 消問23

– 平成30年: 消問23

– 平成29年: 消問23

– 平成28年: 消問23

甲種(9問)

– 令和7年: 消問23

– 令和6年: 消問23

– 令和5年: 消問23

– 令和4年: 消問23

– 令和3年: 消問23

– 令和2年: 消問23

– 令和元年: 消問23

– 平成30年: 消問23

– 平成29年: 消問23