本文へ移動します

首藤 登志夫 教授

首藤 登志夫 教授

都市教養学部 理工学系 機械工学コース
首藤 登志夫 教授

キーワード:
水素, 環境, 燃料

水素がエネルギー問題を解決する?

イメージ1
燃料としての水素

環境やエネルギーへの関心が高まる中で、水素を燃料とする研究が進んでいます。水素は燃やしても有害な物質が基本的に排出されないクリーンな燃料です。また、あらゆるエネルギー源から作ることができるため枯渇することのない燃料と言えます。水素を利用したエンジンや燃料電池について研究が進められ、すでに一部実用化されつつあります。

熱効率を上げるために

水素エンジンには、燃料電池に比べて出力が大きいというメリットがありますが、デメリットもあります。エンジンは燃料の燃焼で生じる熱を運動エネルギーに変換する機械ですが、エンジンの中で生じた熱の一部はどうしてもシリンダーなどを伝って外に逃げてしまいます。これを熱損失と言いますが、ガソリンエンジンの熱損失は燃焼熱の2~3割なのに対して、水素エンジンではその2倍くらいの熱損失が生じることがあります。水素はガソリンに比べて燃焼の速度が格段に大きく、エンジン内の流動が激しくなるため、通常の燃やし方をすると熱損失が多くなってしまいます。水素エンジンでは、この熱損失をどうやって減らすかが熱効率を上げるためのカギとなります。そこで、普通のエンジンでは燃料と空気をあらかじめ混合した状態で供給して燃焼させるのですが、「直接噴射層状給気」という手法で水素を供給することで、炎の周囲にできる空気の層を断熱層とする研究があります。これによって、水素エンジンの熱損失を減らして熱効率を上げることができます。

他分野の知見の組み合わせ

水素は体積あたりのエネルギー量が小さく、水素エンジンでガソリンエンジンと同等の出力を得るには、大量の水素が必要となります。しかし、自動車では限られたスペースに燃料を高い密度で搭載することが求められます。これは、密度の高い液体メタノールを搭載して、車の上でメタノールから化学反応で水素を生成することで解決できます。
このように、エネルギー問題の解決には、機械工学だけでなく化学などほかの学問分野の知見を組み合わせることも有効です。

メタノール燃料電池自動車、実用化のカギは高出力化

イメージ2
自動車の効率を向上させるハイブリッド技術

環境やエネルギー資源の問題が注目される現在、自動車の効率向上が求められています。その中で、エンジンによる発電と電気モーターによる走行を組合せたハイブリッド電気自動車がすでに実用化されています。このエンジンによる発電は、ほかの発電方式に置き換えることも可能で、例えば燃料電池を利用することもできます。

水素の高密度搭載の難しさとメタノール燃料電池

燃料電池は、水の電気分解で水素と酸素を作る過程の逆の原理で、水素と酸素を反応させて水と電気を生み出すものです。効率が高くクリーンな発電方式です。しかし、水素は体積あたりのエネルギー量が小さいため、ガソリンエンジンによる発電と同等の電力を生み出すには大量の水素が必要となります。このため、水素は自動車に搭載する燃料としては必ずしも適していないという考え方もできます。燃料電池の燃料には、水素だけでなく密度の高い液体メタノールを利用することもできます。しかし、従来のメタノール燃料電池は水素燃料電池に比べて発電出力が低く、自動車に使用するにはじゅうぶんな性能とは言えません。

金属多孔体を利用したメタノール燃料電池

燃料電池の発電出力を向上させるには、反応に必要なメタノールや酸素を電極にスムーズに供給することが必要になります。また、反応によって生じる水をスムーズに排出することも重要です。燃料電池には、このような役割を果たす流路となる部品が電極に接する状態で用いられていますが、従来の流路では電極面積の一部が反応に使われにくいという問題があります。これに対して、金属多孔体という小さな穴がたくさん開いたスポンジのような金属を利用した流路が研究されています。これによって、メタノールや酸素を電極全体に供給でき、電極の全面を無駄なく反応に使うことで、従来の約3倍の出力が得られるようになりました。自動車に使用するには、さらに高い発電出力が望ましく、さらなる研究が進められています。

高校生・受験生の皆さんへのメッセージ

研究をする上でも、将来社会に出て仕事をする上でも、着眼点や価値観というものが大事になります。価値観というのは、物事に対する印象や選択の積み重ねによって築かれていくものですから、自分の価値観をしっかりと持つためには、幅広くいろいろなことを体験することが大切です。自分で実際に体験できることには限りがありますから、文学や映画などを通じて疑似体験することも有効です。価値観を養う糧となるものはアニメやゲームなど普段何気なく接しているものの中にもあるかもしれません。


夢ナビ編集部監修

ページトップへ