水素エンジンに革新、驚異の熱効率54%

水素エンジンに革新、驚異の熱効率54% 続けマツダ・ロータリー
(最終回)カーボンニュートラル自動車の衝撃
古野 志健男
SOKEN兼デンソー
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00878/072500011/

※ マツダの「ロータリー・エンジン」が、「水素エンジン」として、再び脚光を浴びている…、という記事は読んだことがある…。

※ その後も、研究プロジェクトは、継続していたのか…。

※ ディーゼルエンジンで使われる「インジェクション(燃料噴射)方式」の技術だ…。

※ ここが「実用化」できると、現行の「エンジン車」+部品産業は、全て「救済」される…。

※ 現行のエンジン車に、「燃料噴射装置」取りつけるだけで、済むからな…。

※ ただし、「水素」は、「重油」や「軽油」と比較すると、格段に「燃えやすい」んで、記事にもある通り「過早着火(バックファイア)」の制御が技術的な課題となる…。

※ 上記の図だと、未だ空気と混合しない状態で、着火させる…、というアイディアのようだ…。

※ しかし、それだと、今度は「未着火(ミスファイア)」の問題が、発生するしな…。

※ そこら辺の「折り合い」を、探っていくんだろう…。

※ あと、それから、下記の記事にもある通り、「レンジエクステンダー(日産のeーPowerみたいに、”内燃機関”を、”動力”としてでは無く、「発電機」としてのみ使う方式。エンジンぶん回して、もっぱら「発電」して、その電気を「蓄電池」に蓄えて、モーター回して走る方式)」としての利用だと、「ロータリー・エンジン」と、至極相性がいい…、とも聞いた。

※ もっとも、果たして「水素(液体水素)」を「安価に、大量に」生産して、それを今のガソリン並みに、運搬・保管できるか、に掛かっている話しなんだが…。

※ 果たして、本当に「水素社会」なるものが、やって来ることになるのか…、ということに掛かっている…。

※ その「壮大な社会実験」を行う予定だったのが、「東京2020」だった…。

※ コロナ騒ぎで、そういう話しも、「全てポシャリ」になったのが残念だ…。

『再び脚光を浴び始めた水素エンジン――。技術面で最大の課題が、過早着火(バックファイア)†と冷却損失である。同時に解決する手段はあるのか。

†過早着火(バックファイア)=可燃範囲の広い水素と空気の混合気が、吸排気バルブなど高温部品に接すると、自着火してしまうこと。レシプロ型の水素エンジンがなかなか普及できない原因の1つになっている。

第1回「EVからディーゼルへ、欧州水素50兆円構想で狙うアジア封じ」
第2回「テスラ・トヨタ外し、欧州グリーン水素でディーゼル再生の真意」
第3回「ホンダが出した欧州炭素中立への答え、HEVは過渡期にあらず」
第4回「再び水素エンジン特許増加 BMW転出企業が狙うディーゼル超え」

 有力な手段と考えるのが、ディーゼルエンジンのような水素噴流火炎の拡散燃焼だ。水素ガスを予混合しないで筒内に高圧直噴し、圧縮自着火させる。あるいは、水素ガスを噴射しながら点火プラグで火を付けるなど、燃焼火炎が燃焼室や気筒壁面にできるだけ衝突しないようにすることが重要になる。

 技術的な難度は高いが、研究は盛んだ。熱効率40%くらいでよければ前回紹介した独Bosch(ボッシュ)の予混合過給リーンバーンコンセプトで十分だが、それ以上を狙うのであれば拡散燃焼を本気で検討する必要があると思う。

 最近の拡散燃焼の研究例で驚異的なのが、産業技術総合研究所が主体となり、川崎重工業らと確立した大型商用水素エンジンの新しい燃焼方式「PCC(Plume Ignition and Combustion Concept:過濃混合気点火)燃焼」である。高出力・高熱効率・低窒素酸化物(NOx)を実現する。内閣府の総合科学技術・イノベーション会議(CSTI)が主導した戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)の1つである「エネルギーキャリア」で実施された。

 燃焼室内に噴射された水素ガス噴流が拡散する前の塊に点火して燃焼させる。火炎の壁面衝突を抑えて、冷却損失を低減できる。点火による拡散燃焼といえるようなものだ(図1)。

図1 水素ガス噴流が拡散する前の塊に点火して燃焼

産総研や川崎重工らが開発した大型商用水素エンジンの新しい燃焼方式。産総研の資料を基に日経クロステック作成
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 NOx低減には、噴射と点火間隔の最適制御とEGR(排ガス再循環)で対応している。EGRを増やすと燃焼温度が下がり、NOxが減る方向。加えて、予混合ではないためにバックファイアが生じにくい。研究段階ではあるが、最大正味熱効率で54%、NOx排出量で20ppmに達した。これはすごいことである。ぜひ実用化にこぎ着けてほしい。 』

『水素生成にも革新、驚きの100%近い変換効率

 水素エンジンの最大の課題は、エンジンそのものの技術的な難度もさることながら、やはり水素生成と供給だろう。安く大量に水素を生成し、水素ステーションで安価に供給する方法は、いまだ確立していない。再生可能エネルギーからの生成法としては水の電気分解が最も知られているが、効率は低く大きな電気エネルギーがいる。

 加えて、水素ステーションの建設費(約5億円)や維持費が高く、水素製造コストを上乗せした販価となってしまう。ただ、現状の水素ステーションでは、政策上1000~1100円/㎏とガソリンHEV並みの燃費と同程度の価格に抑えられている。

図2 水素ステーションのコストは高い

岩谷産業が東京都港区に設置したイワタニ水素ステーション芝公園(出所:トヨタ)
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 産業界で大量に水素を生成する手段として、化石燃料やバイオマスに水を加えて高温に加熱分解して水素を取り出す方法が一般的である。ただし、CO2やNOxが発生する課題がある。

 もっとも製鉄所や化学プラントからは副産物として大量の副生水素が発生する。だが生成量が安定しないし、だいたい各社で再利用されているので、あまり期待できない。

 効率的な水素の生成法については、世界中で研究が進んでいる。最近、筆者が所属するSOKENが名古屋大学と共同で画期的な水素生成の論文を発表したので、紹介したい。

 電気化学セル(2次電池のようなもの)のアノードに廃棄バイオマスを溶かしたリン酸溶液を流し、そのセル両端にわずか約0.5Vという低電圧をかけるというものだ。なんと反対側のカソードから100%近い変換効率で水素が生成される。分解しにくいセルロースがいとも簡単に分解した。驚きである。もちろんアノードからCO2も生成されるが、簡単に回収して再利用できる。

水素ロータリーはバックファイアなし

 日本では、マツダが水素ロータリーエンジンを開発していた。前々回の「エンジン完全燃焼」コラムで少し触れたが、ロータリーエンジンは水素燃料と相性がよく、バックファイアが発生しないからだ。水素燃料を噴射する部屋と燃焼する部屋が異なるため、水素を噴射する部屋の壁温が低く、着火しない。

 マツダの水素ロータリーエンジンは、吸気ポートから空気を吸入した吸気室内に、ローターハウジングに設置されたインジェクターで直接水素を噴射する。その混合気をローターで混ぜながら燃焼室に移動し、2本の点火プラグで燃焼を開始する。燃焼ガスは排気室に移動して排出する。

 マツダは2009年、「プレマシーハイドロジェンREハイブリッド」を国内の官公庁や企業にリース販売した。水素ロータリーエンジン(RE)を専用発電機としたシリーズHEVだが、水素燃料がなくなっても走れるように、ガソリン噴射にスイッチできるデュアルフューエルシステムまで採用していた。

図3 ロータリーは水素エンジンに使いやすい

マツダがかつて開発した水素エンジン搭載車「プレマシーハイドロジェンREハイブリッド」。後ろも水素エンジン搭載の「RX-8ハイドロジェンRE」(出所:マツダ)
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 前々回は、BEV用レンジエクステンダーとしてロータリーエンジンは総合的に最適ではないと記したが、水素ロータリーならばありだ。もちろん水素ロータリーといえども冷却損失の課題を解決できるわけではなく、熱効率面では厳しいかもしれない。それでもCO2排出量がゼロであるならば、十分といえる。

関連記事:対向ピストンやガスタービンは不向き、BEV用発電エンジン

 21年発売予定のマツダ2のBEVに、ぜひともレンジエクステンダーとして水素ロータリーエンジンの復活を切に期待したい。今のマツダならば、それくらいやってくれるのではないか。もちろん、水素エンジンには課題が多く簡単ではない。それでも近い将来、大型商用車や電動車にとって欠かせないパワートレーンの1つと確信している。

古野 志健男
SOKENエグゼクティブフェロー兼デンソーフェロー
ふるの・しげお。1957年生まれ。滋賀県出身。78年福井高専卒、82年豊橋技科大電気電子工学専攻修了。同年トヨタ自動車工業(現・トヨタ自動車)入社、東富士研究所先行エンジン技術部。2000年エンジン制御システム開発部主査、05年第2パワートレーン開発部部長。12年、デンソー子会社の日本自動車部品総合研究所(現・SOKEN)常務、13年同社専務、20年同社エグゼクティブフェロー兼デンソーフェロー。14年~19年3月まで内閣府SIP革新的燃焼技術サブプログラムディレクター。日本自動車部品工業会技術顧問。』