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 トヨタ自動車は2021年4月22日、水素エンジンの開発に取り組むと発表した。エンジンの「脱炭素」を目指す。同年5月21~23日開催の富士24時間レースの参戦車両に搭載し、開発を本格化させる。トヨタは水素を利用した車両として、燃料電池車(FCV)を量産している。なぜ水素エンジンを開発するのか、そもそもガソリンエンジンとは何が違うのか、技術課題は何か。知っておきたい項目をまとめた。

Q1:なぜトヨタが水素エンジンを開発するの?
Q2:FCVに対する利点は?
Q3:排ガスはクリーンなの?
Q4:現在市販されている水素エンジンはあるの?
Q5:世界の開発動向は?
Q6:日本の研究水準は高いの?
Q7:技術的な課題は?
Q8:技術課題の解決にめどはあるの?
Q9:水素ロータリーエンジンの可能性は?
Q10:水素インフラはどうなるの?

Q1:なぜトヨタが水素エンジンを開発するの?

 世界各国がカーボンニュートラルに向けて動く中、欧州や中国において、二酸化炭素(CO2)排出量をライフサイクルで評価する新しい自動車環境規制の検討が進むことが背景にある。再生可能エネルギーの利用が基本となり、移動手段(キャリア)に用いるエネルギーとして「水素」に注目が集まっている。

トヨタが開発中の水素エンジンのイメージ(出所:トヨタ)
トヨタが開発中の水素エンジンのイメージ(出所:トヨタ)
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 水素エンジンはFCVと同様に原理的にはCO2を排出しない。一方でFCVと異なり既存のエンジンの延長線上にあり、FCVに比べて安価にできる可能性がある。

 さらに日本自動車工業会(JAMA)会長でトヨタ社長の豊田章男氏は、カーボンニュートラルの実現を目指すには電気自動車(EV)の一本やりではなく、エンジンを活用することの重要性を再三主張している。水素エンジンの開発は、JAMAの方向性とも合致する。

 なおトヨタは水素エンジンの開発では、小型スポーツ車「GRヤリス」の技術を生かす。エンジン排気量はGRヤリスと同じ1618ccで、直列3気筒インタークーラーターボ。競技中の水素には、福島県浪江町の「福島水素エネルギー研究フィールド」で製造されたものを使う。

Q2:FCVに対する利点は?

 パワートレーンとして安価にできる可能性があることに加えて、燃料となる水素を安くしやすい。FCV用の水素は純度が99.97%以上と高く高価だが、水素エンジン用では低純度のものが使える。水素の生成コストを下げられる。

Q3:排ガスはクリーンなの?

 水素エンジンの場合、高負荷運転時に燃焼反応の過程で窒素酸化物(NOx)が多めに排出される。ただ水素は可燃範囲が広いため、希薄(リーン)な混合気を安定して燃やせる。空気過剰率(λ)=2以上の希薄燃焼と大量排ガス再循環(EGR)の組み合わせで運転すれば、NOx排出量は数十~100ppmに抑えられるといわれる。

 潤滑油が少し燃えるので、CO2や炭化水素(HC)を数ppmほど排出するが、クリーンに近い排ガスといってよい。