内閣府 総合科学技術・イノベーション会議（ＣＳＴＩ）が推進する戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）「エネルギーキャリア」（管理法人：科学技術振興機構【理事長 濵口 道成】）において、産業技術総合研究所、岡山大学、東京都市大学、早稲田大学の研究グループは、試験用小型エンジンを用いた基礎実験で、水素燃料の優れた燃焼特性を活用した新しい燃焼方式を確立し、世界初となる高熱効率・低ＮＯｘを実現できる火花点火水素エンジン注１）の開発に成功しました。この研究開発は、化石燃料への依存を低減し二酸化炭素（ＣＯ２）排出を削減するため、水素燃料の用途を拡大する一環として行われました。
本開発技術の目標として、（１）正味熱効率注２）５０パーセント（低位発熱量ベース注３））（大型発電用エンジンに用いられている気筒あたり３３．９リットル、出力６００キロワット（ｋＷ）の機関に換算）以上とすること、（２）ＮＯｘ排出値は、後処理装置を用いずに大気汚染防止法による規制値よりさらに厳しい大都市圏自治体条例の規制値（２００ｐｐｍ：Ｏ２０パーセント補正値）以下とすることの２点を設定し、それぞれ上回る性能（正味熱効率５４パーセント、ＮＯｘ排出値２０ｐｐｍ）となりました※）。
なお、本研究は川崎重工業、海上技術安全研究所（海技研）、前川製作所と共同で行ったものです（図１）。
開発した水素エンジンの出力は、これまでに類を見ない図示平均有効圧力注４）（１．４６メガパスカル（ＭＰａ））を達成し、大型発電用や船舶用エンジンの燃料に使用できることを確認しました。今後、再生可能な一次エネルギー源からの製造が可能な水素エネルギーを活用することにより、地球温暖化防止や大気環境保全にも貢献することが期待されます。
本成果は、以下の事業・研究課題・研究開発テーマによって得られました。
戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）
課題：「エネルギーキャリア」
研究開発テーマ：「水素エンジン技術開発」
研究責任者：餝 雅英（川崎重工業株式会社）
研究期間：平成２６年９月～平成３０年３月
日本のエネルギー政策において、化石燃料への依存を低減しＣＯ２を削減することは重要な課題です。この課題解決のために基幹エネルギーの１つとして水素を使用する計画が進められています。このような水素社会の到来に備えるため、すでに製品化されている自動車用や定置発電用の水素燃料電池に加えて、水素の用途を幅広く拡大する研究開発や実証も重要な課題であり、国をあげての取り組みが行われています。
本研究開発テーマでは、高出力に加えて高い熱効率とＮＯｘの低減を同時に実現することで、水素を１０メガワット（ＭＷ）級の大型発電用エンジンへの適用だけではなく船舶用エンジンや中・小型の定置用発電用エンジンへの展開も計画し、研究を行ってきました。
これまでも水素エンジンの研究は行われていましたが、水素燃料の燃焼特性が優れているにもかかわらず熱効率が低く、高負荷運転時にＮＯｘの生成が多いことが問題でした。そこで東京都市大学が提唱する、燃焼室に噴射した水素燃料噴流が分散する前の塊の状態で燃焼させる過濃混合気点火燃焼方式（ＰＣＣ燃焼）注５）を採用し、燃焼室壁面近傍での燃焼を減らすことに成功しました（図２）。さらに、燃焼ガス温度の低い希薄混合気で、燃料の塊からＮＯｘの生成が増加しないように水素濃度を制御し、噴流の形状と点火までの時間を最適化してＮＯｘの生成を減らすことにも成功しました。また、排気再循環（ＥＧＲ）注６）でＮＯｘの生成を抑制する方法を組み合わせ、試験用小型単気筒エンジンを用いて、熱効率は５４パーセントと、現在の天然ガスを燃料とする世界最高効率の発電用大型エンジンを凌駕する性能を達成しました。その際のＮＯｘの排出量は、大都市圏の自治体条例の規制値の１０分の１以下を満たすことができ、ＣＯ２と微粒子物質の排出がゼロに近い水素エンジンのクリーンさを向上させ、ゼロ・エミッションの実現に一歩近づきました（図３）。
さらに産総研では、冷却損失を軽減させるように設計した燃焼室を使用し、ＥＧＲと給気の過給注７）による低ＮＯｘ、高熱効率化を達成しながら、図示平均有効圧力がこれまでの水素エンジンでは類を見ない１．４６メガパスカル（ＭＰａ）という高出力を実現しました（図３）。噴射時期をＰＣＣ燃焼条件に設定することやエンジンの設計最適化によって、より高い熱効率や出力の達成が期待できます。
以上のように、水素エンジンの高性能化には水素燃料噴流の分散状態が重要であり、本研究グループでは、制御された噴流塊の様子を把握するため、２つの新しい診断技術を開発して適用しました。その１つが、ＳＩＢＳ法注８）と呼ばれる、点火プラグの中心電極に光ファイバーを埋め込み、点火時の放電火花に含まれる水素濃度を光学的に計測診断する技術です。この手法により、点火位置における点火時の水素噴流塊濃度が、噴射後徐々に希薄化され、点火時にはＮＯｘ生成を抑制し得る混合状態となっていることを計測することができました。もう１つの技術が、高空間解像型ＣＦＤ数値計算法注９）で、噴射した噴流塊の空間的な濃度分布を可視化する技術です。この手法により、噴射した水素噴流塊が噴射後の時間経過とともにＮＯｘ生成の低い希薄混合気状態に移行していく空間的な分布の様子が定量的に観察でき、試験用小型エンジンで得られた燃焼・排気性能に対し、論理的な裏付けが得られました。
本技術により、発電用エンジンに用いられている天然ガスなどを水素に置き換えられるため、国内の年間５００万トンのＣＯ２の削減が可能となります。また、一気筒あたり６００ｋＷ出力の大型機関で成立することを、開発中の３次元数値計算シミュレーションにより検証することで、水素の燃焼室内における分布が計算できるようになるなど、燃焼性能の予測が可能になります。これらの技術と、液化水素を圧縮して高圧水素にする高圧液化水素ポンプと、高圧水素をエンジンに噴射する高圧水素噴射弁の開発も合わせることにより、大型機関への適用に向けた展開を進めていきます。