超小型動力源開発に向けた20cc 水素ロータリーエンジンの出力特性評価

摘要

近年，ノートパソコンや携帯電話に代表される電子機器の小型化·高性能化に伴い，小型かつ高出力な電源が求められている．同時に，エネルギ資源問題や大気汚染問題などの観点から，環境負荷の小さい電源が求められている．現在，この電源（動力源）にはリチウムイオン電池を始めとする二次電池が多く使用されているが，リチウムイオン電池はエネルギ密度が低く，長時間の使用に適さないため，日々進化を続ける携帯用機器の動力源には対応が困難とされている．このリチウムイオン二次電池に代わる動力源が必要とされており，燃料電池がその候補として挙げられ，研究開発が盛hに行われている．しかし，燃料電池は出力密度が低いため，高出力密度を必要とする小型機器の要求には応えられない．さらに，リチウムイオン二次電池および燃料電池は，高出力を得るための構成材料として，希少金属（レアメタル）を必要とする．レアメタルは埋蔵量が少なく，精錬コストが高いことから，今後の価格高騰が問題視されている．したがって，このレアメタルの使用を必須とするデバイスの普及は最適とは言えない．それに対して，内燃機関は高出力密度かつ高エネルギ密度が期待でき，構成材料にレアメタルのような希少な材料を必要とせず，低コスト生産が可能であるという特徴がある．この内燃機関を小型化することで，性能的かつコスト的に優れた動力源の開発が可能であると考えられる．しかし，現在の内燃機関はリチウムイオン二次電池，燃料電池と比較して，環境負荷が大きいという欠点を持っており，小型化した場合においてもその欠点は軽視できない．内燃機関はそのほとhどが，ガソリンを始めとする化石燃料を使用し，出力発生時にCO_2 やHC(炭化水素ガス)などを大量に排出しており，"化石燃料の枯渇"，"大気汚染"という地球規模の問題の原因となっている．これらの欠点を持つ内燃機関は，高い環境調和性が求められる今後の動力源には適していない．この内燃機関にH_2 を燃料として適応することで，先に述べた二つの問題を同時に解決することが可能である．H_2 は，"水"から容易に取り出すことが可能であり，燃焼してもCO_2 やHC などを排出せず，燃焼後は水になる循環可能エネルギとして広く知られている．このことから，水素燃料を利用した小型内燃機関の開発が，新規動力源として有用であると考え，本研究では，水素燃料内燃機関を応用した"環境調和小型内燃機関"の開発に着目した．環境調和小型内燃機関として応用する内燃機関には，ロータリーエンジン，ガスタービンエンジンの二つが挙げられる．ガスタービンエンジンは，MIT を始めとする非常に多くの研究機関がウルトラマイクロガスタービン（UMGT）として，小型化の研究開発を行っている．しかし，それら多くの研究において，ガスタービンの最重要部品といえる燃焼器を小型化する際の技術的課題が現在も残されており，マイクロガスタービンを適用するには多くの困難が存在する．一方，ロータリーエンジン（RE）は，構造がシンプルであり，部品点数が少ないことから，小型化が容易である．また，水素燃料化により，希薄燃焼限界が拡がり，低エミッション運転が実現できるなど，RE は環境調和小型内燃機関として応用する際多くの利点がある．これらの理由から，本研究では環境調和小型内燃機関としてRE が最も適していると考え，環境調和小型RE の開発に着手した．これまでの研究で，小型水素ロータリーエンジン（HRE）の開発を念頭にガソリン燃料用の20ccRE に水素燃料を適用し，RE に水素燃料を適用する際に生じる問題点を明確化してきた．その結果，ガソリンロータリーエンジン（GRE）に比べ，過度の温度上昇が生じやすく，それに伴い，回転数の低下，内部気密性の低下が引き起こされやすいことが明らかになった．本稿では，20ccHRE および20ccGRE それぞれの出力測定を行い，比較評価を行った．