水素エンジンとは？
水素エンジンとは？
水素エンジンとは水素を燃料とする内燃機関。水素の燃焼反応を運動エネルギーに変換して軸出力や推力を得る。理論上排気ガスに二酸化炭素などが含まれていなく水のみが排出されるので、化石燃料を使用するエンジンと比較して環境負荷が低いとされている。
ガソリンエンジンとの違い
自動車×水素と聞いてまず思いつくのが燃料電池自動車です。こちらは既に一部で市販されていて、水素と酸素を反応させて電気を起こす「燃料電池」を搭載した電気自動車（FCV）です。パワーソースとして水素を補給しますが、電気でモーターを回して駆動するプロセスはその他の電気自動車と大差ありません。
「水素エンジン」は基本的な構造がガソリンエンジンと同じで、燃料として水素を燃焼させる内燃機関になります。今まであった自動車エンジンの構成を大きく変更せずとも機能が実現できるとされています。ガソリンエンジン同様スパークプラグによる火花点火の他、圧縮加熱した空気内で燃料を自着火させるディーゼル方式も研究されています。
ガソリンや軽油など従来の化石燃料は炭素と水素からなる化合物「炭化水素（HC）」の混合物ですから、エンジン内で燃焼（酸素O2との反応）すると、大雑把な表現で熱エネルギー（動かす力）と二酸化炭素（CO2）と水（H2O）の3つに変化します。その様なガソリン車などの排気ガスに対して、水素（H）は燃焼すると熱エネルギー(動かす力)を得る他は主に水（H2O）しか発生しません。それが理由で温室効果ガスと言われているCO2の排出をしない、クリーンなエネルギーとして世間の風潮に適合するのです。
もちろん、どちらも完全な燃焼反応を求めることは難しいですし燃えカスは少々出ます。エンジンに取り込む空気に大きく含む窒素なども一緒に燃焼させるために、窒素酸化物（NOx）の発生もあります。それらは今まで通り触媒やフィルターなどの後処理装置で除去する事になります。
水素エンジンの課題
歴史を見ると比較的古くから開発がなされていているのですが、未だ実用化されていないのは「技術的課題」が多い為です。
水素は、製造・管理コストを考慮すると気体で扱うのが一般的です。水素はご存じ常温で気体。周期表のトップであるとても密度が小さく軽い元素です。まとまった「量」のエネルギー源として小さいスペースに貯蔵するには圧縮して密度を上げるか、冷やして液化する他ありません。そこでエネルギー源として水素を貯蔵、車両に搭載する燃料タンクの構造・製造が大きな課題のひとつになります。
例えば現在市販されている燃料電池車のタンクは水素を気体のまま圧縮させて常用圧力が70MPa（約700気圧）のたいへんな高圧を実現できており、これにより実用的な航続距離に大きく貢献しています。これがなければ燃料電池車の市販は無かったでしょう。それでもタンクは小さくなく、圧力に耐える為に基本は円筒形で車両に対するスペースの圧迫は否めません。
ガソリン乗用車の燃料タンクは車体の底部近くに扁平で自由な形状に成形されていて、そこに液体の燃料をユーザー単位で気軽に注いで補充できます。化石燃料が利便性と適度なエネルギー密度を持った、いかに都合の良い存在であったかが理解できます。
そして燃料電池車で培った70MPa水素タンクの技術はそのまま水素エンジンに転用できます。金属溶接部の水素脆化の問題や重量なども考えられて樹脂メインでできています。カーボンファイバー強化複合樹脂（CFRP）が最適解ですが炭素繊維は未だに高価ですし、強化繊維を積層し樹脂を硬化させる時間が掛かるため量産する際の生産スピードが課題です。
ちなみに従来のガソリン乗用車の燃料タンクは金型を使ったPE樹脂などのブロー成形が主流で、短時間で安価に量産できます。
水素貯蔵の別のアプローチのひとつとして水素を液化させると更に密度の高い状態にできます。しかし水素をその沸点－253℃以下の極低温に保つ必要があり、貯蔵容器の断熱構造や燃料供給ラインの耐低温性が求められます。空気すら冷えて固体化してしまう温度域なので機器の保守管理や取り扱い、充填する際の難しさがあります。燃料はみるみる気化しようとしますから、長期保管する自動車は燃料タンクに真空二重断熱容器（魔法瓶の様な構造）が必要になります。
液体水素は非常に気化しやすいのでエンジンへの燃料供給の際に気体と液体が入り交じり、流量の制御が困難になります。従来の液体燃料やガス燃料には無い概念です。そこでタンクの液体水素に圧力を掛けて、超臨界つまり液体と気体の境目のない流体にして燃料流量調整を行う事が適切であると判っています。ですが高圧かつ低温を保つタンク構造が理想となると車体の大幅な重量増に繋がってしまいます。
あるいはほぼ大気圧のタンクから液体水素をポンプで加圧して供給する方式があります。ガソリン等と違い、流体そのものの潤滑性が無い液体水素を圧送するポンプは作動条件が厳しいのが現実です。宇宙産業界では実績のある液体水素ポンプですが、そちらでは実質使い捨てです。あらゆる潤滑剤は凍ってしまい使用できない低温なので、部品の自己潤滑性や表面処理などに頼った高耐久・長寿命ポンプの開発が課題になります。
そして水素は金属を脆くさせる特性があるので各部品の水素脆化対策も課題になります。燃料供給系部品の材質に従来の鉄系素材などが使用できないとなると製造コストにも影響するでしょう。適切な材料の選択・供給とその加工法が重要になります。
他の気体燃料
水素自動車とは異なりますが他の気体燃料のケースにも少し触れておきましょう。
気体燃料を利用するエンジンは古くから既に路上に多く出回っています。天然ガスやLPガス（LPG）を使用したエンジンです。後者は主にタクシー業界に浸透し、高出力を得る設計はされていませんが実用的なパワーと燃料代の安さが特徴です。ガソリンエンジン車をベースにガス仕様に構造を変更するコンセプトで存在していて、排気ガスがクリーンで環境負荷も低いとされています。レシプロエンジンのクランクケース内で問題になるブローバイガスもガソリン車やディーゼル車と比較して攻撃性が低く、エンジンオイルなどの劣化が緩やかなのでメンテナンスサイクルが伸びるそうです。
近年登場した黒い「ジャパンタクシー」はLPGエンジンと電気モーターのハイブリッドです。エンジン自体の構造はガソリン車とそう変わらず、燃料供給・噴射装置とその制御などが違い、あとはやはり大きな燃料タンク（ボンベ）が荷室に備えられています。LPGは圧縮する事で常温のまま液化させる事ができますが、それを運ぶ燃料タンクは定期検査（地味に高価）が高圧ガス保安法で定められています。高圧ですからガソリンと比較して扱いが少し面倒なので、LPGを補給するLPGステーションの数も少なく、安全面からセルフ補給も難しくてレジャー・家庭用には向きません。そういった特徴から大きな需要が見込めずガスエンジン車はあまり開発が進んでいません。
同様に水素インフラの整備が大きくのしかかります。
水素ガスや液体の水素または水素吸蔵合金にしても、水素エネルギーは電気自動車の様に家庭でチャージする実用的な設備は開発されていません。燃料タンク問題と共に短時間で容易な補給が可能な水素ステーションの整備にどこまで投資ができるでしょうか。もとい水素の精製技術からして今のままでは水素自体を使用するコストが高すぎて話になりません。日本の技術者たちは日進月歩で開発を進めていると思いますが、この極めて困難な課題の解決が待たれるところです。
新時代の水素自動車への期待
燃料の性能として重要である質量当たりの発熱量を比較してみると、水素は非常に高くガソリンや軽油などの約3倍のカロリーがあります。しかし水素自体の密度が小さいために実際に自動車に搭載できる体積を比べてしまうと分が悪くなってしまいます。ガソリンの密度は0.75程ですが水素は液体にしても0.07と約1/10しかありません。したがって水素が３倍の熱量が得られる燃料であってもガソリンの4倍弱の量を搭載しないと同じエネルギー源を運搬できないのです。それは航続可能距離に直結します。しかも前述したように液体水素の扱いは容易ではありません。
全く新しい水素の貯蔵方法が現れない限り、現実的なのは「気体のまま圧縮させる」方法ですが、限られたスペースにどこまで高い圧力（タンクの性能）でエネルギー密度を高められるかがポイントです。
そして、燃料から得られる仕事の割合「熱効率」を相当に上げないと実用はできません。例えば効率の面で言うと現在の技術では同じ量の水素を使うなら、水素エンジン車よりも燃料電池車の方がまだ遠くへ移動できます。その逆転もひとつの目標となります。
水素は空燃比の幅がとても広いうえ燃焼速度が非常に速く、熱源による着火がしやすい特性があります。
燃焼速度の速さから機関内で熱エネルギーを運動エネルギーに変換しきる前に燃え尽きてしまう傾向があるそうです。また、混合気が燃焼室内の高温部で着火、そのまま吸気側に火炎が逆流するバックファイアが当初大きな問題となりました。後者の関係からポート噴射ではなく、吸気弁を閉じた後に燃料を供給する筒内直接噴射の技術が基本となります。近年ガソリンエンジンでも直噴のノウハウは増えましたし、HCCIなど新しい燃焼方式が登場しています。水素エンジンも内燃機関の基本である、燃焼室の中で燃料濃度をコントロールし異常燃焼を起こさず着火・火炎伝播を行うことが重要になります。ガソリンエンジン高性能化がプレイグニッションやノッキング等との戦いであったように、満足のいく出力を得る為にどのようにして水素の燃焼を制御するかが開発の重みです。
我が国の各自動車メーカー共に今までエンジンの熱効率をいかに上げるべく様々な燃焼方式の開発、シリンダーヘッドやピストンその他の造形あるいは機構の制御などを最適化し市場で戦ってきました。そして日本の水素関連技術は世界的に見て非常に高いと言われています。ハイブリッドユニットとの統合性も含め、内燃機関開発の強みを生かして新たな燃料と共に未来を迎える選択肢に全く価値が無いとは思えません。
実用的な量産車を具現化するには中々の課題がある水素エンジンですが、先進国で進むCO2禁忌のなかで、EVの他に新たな内燃機関の開発を垣間見る事ができるのは大変興味深いです。
フジで協力できること
株式会社フジではシリンダーヘッドおよびクランクケース、ピストンなどエンジン関係部品金型を累計で4000型以上を納入した実績があります。
「水素エンジンの金型」はぜひ、フジにお任せください。
1分でわかるフジ
設備一覧はこちら
事業紹介はこちら
資料ダウンロードページを開設しました。ご興味のある方はこちらへ！
