トヨタが水素エンジン車を市販へ、欧州勢もBEV一辺倒から変化
トヨタの水素エンジン車、1年間の「進化と深化」をひもとく
2022年6月、トヨタ自動車の水素エンジン車が富士スピードウェイに帰ってきた。1年前、「スーパー耐久シリーズ2021」の第3戦となる24時間レースで鮮烈デビューした“32号車”だ。
この1年間でいったい何が変わったのか。進化と深化をひもとくため、筆者はレース会場に向かった。そして、トヨタが目指している水素エンジン車の実用化への思いも探ってみた。2022年6月3日から5日にかけて富士スピードウェイで開催された「スーパー耐久シリーズ2022」の第2戦。32号車「ORC ROOKIE GR Corolla H2 Concept」は、決勝レースではST-Qクラス6位、総合52位で24時間を完走した。
周回数は2021年の358周から120周も多い478周と大幅に伸ばした。1周のラップタイムも予選では1分58秒台を記録し、昨年（2021年）よりも約5秒速くなっている。決勝でも1分59秒台が出ていて、目標の2分切りを達成した。
ちなみに、決勝レースの最初と最後のステアリングを握った「モリゾウ」ことトヨタ社長の豊田章男氏のラップタイムは、この1年間で約7秒短縮したという。2秒はモリゾウ選手の技術レベルが向上したということだ。2分4秒台が何度か出ていた。
１年間での水素エンジンの成長
やはり水素エンジンの進化と深化だ――。トヨタGAZOO Racing Company GRパワトレ開発部主査の小川輝氏に話を聞いて実感した。
レースで使うエンジンは、2020年に市場投入したスポーツカー「GRヤリス」に搭載した怪物エンジン「G16E-GTS」がベースである。排気量1.6Lで直列3気筒の過給直噴エンジンを水素エンジン化したもので、基本構成は2021年のデビュー当時から変わっていない。
それでも、「インジェクターなど燃料供給系にとどまらず、さまざまな検討と評価を積み重ねてきた」（小川氏）という。変更を繰り返した大きな目的は、水素直噴エンジン燃焼における最大の課題である「プレイグニッション（早期着火、以下プレイグ）」を解決するためだ。
プレイグは、シリンダー内で起こる異常燃焼である。詳細は昨年のコラムをご覧いただきたいが、通常点火よりも早く自着火してしまう現象である。2021年は、点火時期制御などで回避していた。小川氏は「恐る恐る対応していた」と振り返るが、これはプレイグの発生条件を正確に把握しきれていなかったからだ。
トヨタはこの1年間をかけてこの課題と向き合い続けた。手応えは、チームのムードからも分かった。昨年のように祈るような雰囲気はなく、余裕と明るさにあふれていたように感じた。
プレイグを理解し、抑制する――。今回の水素エンジン車におけるトヨタの取り組みで筆者が注目したのは、（1）燃焼状態の可視化技術と（2）水素噴射圧の可変制御の2つである。順に解説していこう。
水素エンジンで性能を出すためには当然、大量の水素ガスを燃焼室に噴射する必要がある。吸気バルブが開いている吸気行程中から筒内直噴で噴き始めたいが、早過ぎると水素噴流の一部が吸気ポートに逆流して、場合によってはそこで着火するというバックファイヤーに気を付ける必要がある。
高温の混合気が次のサイクルでシリンダー内に吸気されて自着火する可能性もある。また、燃焼室内の金属部が高温となり点火前に噴射された水素ガスが触れることにより着火することも考えられ、これらがプレイグ発生原因の1つとして推定される。水素燃焼を制御するのは容易ではない。
こうした課題を克服するため、トヨタの開発陣は水素の燃焼状態を可視化する取り組みを進めた。シリンダー内での水素ガス噴流と吸入空気が形成する高タンブル流との混合状態や水素燃焼状態をリアルタイムな可視化解析手法によって明らかにした。
この結果をもとに、均質に混合させ均等に燃焼させるべく、水素燃焼に最適な水素ガスの噴射方向、噴射時期などを設計し直したという。水素噴流も水素燃焼も可視化しにくいが、工夫したのだろう。これは、研究開発の深化だ。
燃焼のコンセプトは希薄燃焼（リーンバーン）を踏襲した。そのリーン条件である空気過剰率（λ）をトヨタは明らかにしていないが、この1年間でターボチャージャーを適時バージョンアップしているという。
過給圧を高め、さらにリーンな燃焼にしているのかもしれない。λが高い、よりリーンな燃焼ができれば、燃焼温度を低下できプレイグは発生しにくくなり、熱効率も改善する。つまり、リーンバーンは水素燃焼にとって最適な燃焼コンセプトである。この辺りにも進化と深化が垣間見える。
水素可変噴射圧制御の裏表
新しい取り組みの2つめは水素噴射圧の可変制御である。今シーズンから導入したという。空気との混合促進という意味で、水素ガスは可能な限り必要量を早く噴き終わりたいので高圧で噴射する。水素は高圧タンクに70MPaで満充填されているので、当分は必要な圧力で噴射可能だが、使っていくうちに水素タンクの内圧は徐々に低下していく。
そのうちタンク内圧が噴射圧以下になると残った水素は活用できず、新たに水素を充填しなければならない。その充填頻度を減らし航続距離を伸ばすために、タンク内圧の低下をタンク集合部に設置した既存の圧力センサーで把握し、シリンダー内への水素噴射圧を下げる可変制御を採用したというのだ。タンク内の水素をより有効に使え、水素充填回数を低減できる。
トヨタはベースの噴射圧や水素を充填する際のタンクの充填率（SOC：State Of Charge）を非公表とする。それでも、一定圧で水素を噴射していた2021年の車両に比べて、SOC換算で5～6ポイントと多くの水素を使えるようになったという。この結果、富士スピードウェイの約4.5kmのコースでの水素充填のタイミングを、昨年の12周に1回から13周に1回まで増やせる進化を遂げた。
さまざまな対策を練って臨んだ今回の24時間耐久レースだったが、それでもプレイグは想定以上に発生した。決勝レースのスタートから約5時間後、ダメージを受けている可能性のあるインジェクターや点火プラグを念のために交換したが、幸い許容範囲内だったという。想定以上のプレイグの原因をトヨタは明らかにしていないが、前述の水素の可変噴射圧制御が影響しているのではないか。
低圧噴射にし過ぎると、必要量を噴くために噴射期間が長くなり圧縮行程後半まで噴射が続く。点火時期までの時間が短くなり空気との混合状態が悪くなり、インジェクターや点火プラグ近傍で濃い混合気となる。そこでホットスポットと呼ばれる局部的に燃焼温度が高い部分ができ、プレイグが発生しやすくなったのではないか。あるいは、吸気行程中噴射により吸気ポートに逆流した水素が次サイクルで吸入され着火源になったのではないかと筆者は推定する。
インジェクター交換時に、そのプレイグ対策として、安全をみて可変噴射圧制御自身を中止したのか下限値を上げたのか、あるいは、点火遅角制御などで出力を少し落としたようだ。その後のレースではプレイグの問題は解消した。
水素供給の進化と深化
水素エンジンの改良に合わせて、この1年間で周辺技術も大きく前進した。まず、水素充填時間の進化だ。1年前の充填時間は、同じ容量の高圧水素を満充填するのに約5分を要していた。今回は、それを約1分半に大幅に短縮したのだ。水素エンジン車の両サイドから同時に2口で水素充填する仕組みを採用。それに加えて、充填ノズルや注入口も改良し、流量アップもしているのだろう。
充填ノズルは移動式の水素ステーションとつながっていた。日野自動車製と大陽日酸製の2台があり、その間に水素エンジン車を停車させ、左右から同時に水素充填する。そのステーションに供給する水素カードル車は6台あり、昨年と同様に福島水素エネルギー研究フィールド（Fukushima Hydrogen Energy Research Field：FH2R）で太陽光電力によりアルカリ水電解された水素と、新たに山梨県の太陽光電力によりPEM（Polymer Electrolyte Membrane）型水電解装置で生成された水素を使った。
山梨県からの水素は、2022年2月に設立された国内初のP2G（Power to Gas）事業会社のやまなしハイドロジェンカンパニー（甲府市）からの供給である。PEM型水電解は、アルカリ水電解より効率が高い。
急ぐ水素エンジン車の市販化
この1年間で、トヨタの水素エンジン車は大幅に進化した。エンジン性能をみると、2021年に比べ出力は20％、トルクは30％も向上している。2022年秋に発売予定の「GRカローラ モリゾウエディション」のガソリンエンジン性能に匹敵するという。
車両ボディー関係も改良していて、量産の新型GRカローラのエクステリアパーツをかなり採用した。それにより車両質量は10㎏以上軽くでき、空力的にも改善し、最高速度が7～10km／h程度向上したという。富士スピードウェイでの練習走行では220km／h以上を記録した。
ただ、このモータースポーツ界での成功に満足していてはいけない。技術開発の目的は、世界レベルでのカーボンニュートラルなモビリティー社会を実現することにあるはずだ。レースでの実証実験から市販化へ、水素エンジン車が新たな課題の解決に向けて走り出した。
トヨタが水素エンジン車を市販へ、欧州勢もBEV一辺倒から変化
前回、耐久レースという実験場で改良を続けるトヨタ自動車の水素エンジン車の進化を整理した。初参戦から1年間をかけて、水素エンジンの大きな課題である「プレイグニッション（早期着火、以下プレイグ）」を抑制する手段が見えてきた。
今回は、市販化に向けて取り組むトヨタの現状に加えて、欧州での水素エンジン研究の最新動向にも触れる。孤軍奮闘にも見えるが、実は水素エンジンに本腰を入れるのはトヨタだけではないのだ。欧州勢も水素エンジンの研究開発を急いでおり、“本音”が漏れ始めた。
市販化への課題
2022年6月3日、トヨタが水素エンジン車を市販化する意向を明かした。富士スピードウェイで開催された「スーパー耐久シリーズ2022」の決勝レースを前に会見を開き、同社執行役員でGAZOO Racing Company Presidentの佐藤恒治氏は「富士登山になぞらえると、4合目くらいのところに来ている」と説明した。
富士山の頂上である10合目を市販化というゴールに見立てたトヨタの開発ロードマップ。その4合目は、水素エンジンの「排気開発」をしている段階という。
水素エンジンは原理的に二酸化炭素（CO2）を排出しないが、窒素酸化物（NOx）をかなり排出してしまう。これが、市販化に向けての大きな課題の1つである。ディーゼル車と同じようにNOx後処理システムを搭載しなければならないだろう。
トヨタは、いくつかの手法を検討しているようだ。例えば、排気系に尿素水を噴射してSCR（選択触媒還元）で還元するシステムや、酸素共存下でも水素によってNOxを還元できる触媒システムなどが考えられる。
また、そもそも全域で空気過剰率（λ）が2以上の超希薄燃焼（スーパーリーンバーン）や、大量クールドEGR（排ガス再循環）コンセプトで燃焼温度を下げてエンジンからのNOx排出量自身を低減するといった技術も手法の1つだ。
NOx対策以外の大きな課題としては、長期間の使用に伴うエンジンやシステムへの水素脆化（ぜいか）がある。水素はほとんどの材質を透過しやすく、長年をかけて水素によって材料がもろくなってしまう。トヨタは、燃料電池車（FCEV）の「MIRAI（ミライ）」で構築した技術や材料を採用するので問題ないと公表している。ただ、コストには影響するだろう。
液体水素は難易度高い
加えて、筆者が水素エンジンの市販化における重要な分岐点と考えているのが、トヨタが6合目に設定した「タンクの小型化」だ。水素タンクの小型化や航続距離の延長を狙って液体水素システムの搭載を考えているのであれば、市販化は決して容易ではないだろう。
今回の耐久レースの会場で、トヨタは液体水素システムを搭載した試作車を披露した。「現状の水素ガスシステムよりも体積エネルギー密度が約2倍と高いため、航続距離も2倍に延長できる」（トヨタの開発担当者）と主張する。つまり同じ航続距離にするなら、液体水素を蓄えるタンクの容量は半分で済む。だが、話はそんなに簡単ではない。
かつて、ドイツBMWが液体水素8㎏とガソリン74Lを搭載したデュアル燃料エンジン車「Hydrogen 7」を2007年に限定的に市販したが、断念した経緯もある。
液体水素タンクは、－253度に保つため二重構造の真空超断熱タンクとし、さらにその内側に水素脆化の起こらないステンレスライナーを設けた構造が一般的である。
液体水素搭載の大きな課題の1つは、液体水素タンク内での「ボイルオフ」と呼ばれる蒸発現象だ。タンク内の液体水素量が減っていくと、口金など外部からの侵入熱により液体水素が蒸発し、タンク内圧が異常に上昇してしまう。それを避けるために、その水素ガスをリリーフ弁で大気に逃がさないといけない。液体水素のうれしさの1つである航続距離が目減りし、燃費も悪くなる。長時間車庫に入れておくのも無理だ。
こうした課題の解決には、70MPaの高圧水素タンクのように炭素繊維強化樹脂（CFRP）を巻いて強度アップや断熱強化を施すことなどが必要だ。だから液体水素タンクシステムを小型化するのは容易ではない。また、水素ガスの液化と運搬工程で多くの電力を消費してしまい、トータルのエネルギー効率も悪く、燃料代が高いという市販化に向けた大きな課題もある。資源エネルギー庁の試算では、液化水素の供給コストは170円／Nm3と高圧気体水素の1.7倍もしてしまう。
トヨタが公開した試作車に搭載した液体水素タンクシステムは、耐久レースに参戦した「水素エンジンカローラ」の高圧水素ガスタンクシステムと同じように、後部座席と荷室に詰め込まれていたが、すごいシステムだ。液体水素タンクは、前述のように二重真空層構造で、容量は140L、質量は160kgというもの。－253度の液体水素を液体のままで充填しなければならず、プレ冷却システムや高圧ポンプ、減圧弁、配管、温度調整部、水素液面センサーなど周辺装置も多く全体として大きい。
レースではぜひ走ってほしいものだが、水素エンジン車の市販化には、必ずしも液体水素仕様でなくてもいいのではないか。小型乗用車ではスペース的に厳しいので、DセグメントやSUV（多目的スポーツ車）など余裕のある車格に小型化した70MPaの高圧水素タンク仕様も選択肢としてあり得るだろう。
このように市販化に向けて検討すべき項目は多いが、高圧水素ガスシステムであれば、数年後には限定的でも市場投入される可能性が考えられる。理由は欧州の本気度だ。欧州企業による水素エンジン開発が急加速している。
欧州でも水素エンジン開発が加速
ここ数年、欧州自動車業界を中心に水素エンジンの研究開発が加速している。2022年4月にオーストリアで開催されたパワートレーンの国際会議「第43回Vienna Motor Symposium（ウィーンモーターシンポジウム）」では、全72件の発表中12件が水素エンジン関連のテーマで、前年に比べ増加した。このパワートレーン関係の国際会議は、欧州では大々的に戦略を公表する最重要な大会である。
欧州での水素エンジン関連の開発キーワードは、「大型商用向け」「熱効率改善技術」「耐久性向上」「排ガス後処理技術（NOx浄化）」「低コスト化」など。基礎研究の段階を抜けて、かなり実用化に向けた量産開発の方向に移行しているようだ。トヨタの市販化に向けた開発段階の富士山4合目に近いレベルではないか。
欧州における基本的な開発の方向性は、低圧水素直噴エンジンである。燃焼コンセプトは、λ＝2レベルの高過給スーパーリーンバーンが主流のようだ。それに尿素SCRを搭載したシステムである。低圧というのは約2～3MPaの水素噴射圧とし、大容量のインジェクター（場合によってはデュアル噴射も）を設定している。プレイグ対策をした上で、できる限り高圧タンク内の水素を使い切ろうという思想だろう。
BEV一辺倒から変化
このシンポジウムでは、水素エンジン車やFCEVだけでなく、カーボンニュートラル（以下CN）なモビリティー社会の実現に向けた脱炭素、CN技術の議論がより盛んとなった。
ドイツBosch（ボッシュ）の最高経営責任者（CEO）であるStefan Hartung（シュテファン・ハルトゥング）氏は基調講演で、CN実現には電気自動車（BEV）だけでなくさまざまな技術推進のアプローチが必須だと強調した。もちろん、水素エンジン車だけでもモビリティー社会のCNは実現できない。
また、欧州自動車業界全体としても、持続可能なモビリティー社会として、水素をはじめとするCN燃料（水素、アンモニア、合成燃料、バイオ燃料など）の活用も重要だとの認識が広がっている。つまり、BEVに傾倒していた欧州でさえ、将来に向けて内燃機関の終焉（しゅうえん）は来ず、電動パワートレーンの1つとして重要な役割を果たし続けるべきだとの風潮に変化してきた。
この変化は大きい。表面上、BEVシフトに特化していた欧州の自動車業界も、BEVだけでは自動車産業のCNは達成できないと、ようやく本音を言い出したのだ。
いくつかの欧州の大手自動車メーカーは、将来BEVしか販売しないと公表している。それでも、実はそのグループ会社なり子会社が、しっかりとCN実現に向けて電動車向けに特化した内燃機関（DHE：Dedicated Hybrid Engine）やCN燃料利用の内燃機関の開発を継続しているのだ。
一方、2022年6月8日の欧州議会の本会議において、欧州グリーンディールの包括的な法案「Fit for 55 Package」の中の「乗用車および小型商用車のCO2排出基準の改正案」が可決された。その中に、2035年までにテールパイプから一切CO2を排出できないようにするという法案がある。実質、内燃機関を搭載する新車の販売禁止だ。
同月29日には、欧州の閣僚理事会でもこの法案を支持した。これ自体は想定できたが、変化があったのはここから。2026年に欧州委員会（EC）がその進捗を評価し、プラグインハイブリッド車（PHEV）や合成燃料（e-fuel）を含むCN燃料技術の進捗を考慮して見直しを実施することも確認したのだ。最終的にECを含めて3機関で合意するという過程を経て法案成立となる。
内燃機関とどう向き合うか。揺れ動く欧州自動車産業としては大変難しい状況である。欧州市場の新車販売は世界の約15％と大きくはないが、世界の自動車産業への影響は考えられる。世界の自動車産業全体が真のCNで持続可能なモビリティー社会の実現に向けて、強く方向性を共有していくべき時が来たのではないか。
トヨタが水素エンジン車を市販へ、欧州勢もBEV一辺倒から変化 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)
トヨタが水素エンジン車を市販へ、欧州勢もBEV一辺倒から変化
前回、耐久レースという実験場で改良を続けるトヨタ自動車の水素エンジン車の進化を整理した。今回は、市販化に向けて取り組むトヨタの現状に加えて、欧州での水素エンジン研究の最
xtech.nikkei.com
'New Energy' 카테고리의 다른 글
| 空飛ぶクルマにこそ全固体電池、実用化のカギ握る「バイポーラセル」 (0) | 2022.08.02 |
|---|---|
| 美 플러그파워, 올해 수소전해조 200㎿ 공급…전년比 40배 증가 (0) | 2022.07.20 |
| CERES, 쉘과 녹색수소용 전해조 계약 (0) | 2022.07.06 |
| 프랭크 월락 미국 연료전지·수소에너지협회 회장 (0) | 2022.07.01 |
| 롯데케미칼, 기체분리막 탄소포집 기술 블루수소 생산현장에 적용 (0) | 2022.06.30 |