2018年11月19日 更新

トヨタが水素自動車開発でまた一歩前進?工業用水素バーナーを導入

トヨタの生産工場の鍛造ラインに新たに開発された工業用水素バーナーが導入されました。 水素の燃焼をゆるやかにし、水素バーナーの実現化を可能にした二つの新機構についてみていきましょう。

トヨタが水素自動車開発でまた一歩前進?工業用水素バーナーを導入

トヨタが、汎用水素バーナーを始めて実現!

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トヨタは、世界初となる水素を燃料にした工業に使う汎用バーナーを、中外炉工業株式会社と共に新開発し、2018年11月6日より愛知県豊田市の本社工場鍛造ラインに導入しました。

水素バーナーの実用化は、水素が酸素と急激に反応し、火の温度が高温になりすぎるため、車の排気ガスでも問題となっているNOx(窒素酸化物)が多く発生してしまうため難しいと言われていました。
NOxは、物を高温で燃やした際に、空気中の窒素と、酸素が結合することで発生してしまいます。
そこで、トヨタは、水素を緩やかに燃焼させることができる2つの新機構を導入しました。
その結果、CO2排出ゼロに加え、NOx排出を低減させることに成功したのです。

トヨタ自動車、工業利用を目的とした世界初の汎用水素バーナーを開発

汎用水素バーナーが使用される鍛造工程って?

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鍛造は、熱した塊の金属に、金型を押し当てることで形を変形させる技術です。
ホイールであると鍛造や鋳造といった言葉を聞くのではないでしょうか。
金型に溶かした液状の金属を流し込み、冷やして成形させる鋳造は、安価で大量生産することが出来、金属の塊を熱して金型を押し当てることで変形させる鍛造は、コストが高くなってしまいがちですがとても強度があるものになります。
自動車の生産でよく使われるプレス加工は、薄い金属板を圧力で金型に押し付けること変形させます。これは金属が強い力で一度変形してしまえばもとには戻らない塑性という性質を利用したものなのです。よってプレス加工には金属を熱する工程はありません。

この新開発の水素バーナーは、鍛造に用いる金属を熱するためにつくられたものなのだと考えます。
バーナーによる安定した火力供給により、より高品質の製品が作られるようになるといいですよね。
それでは、新開発の水素バーナーの2つの新機構について紹介していきます。

世界初汎用水素バーナーを可能にした機構2つを紹介

水素バーナー機構1

水素バーナー機構1

水素バーナーの新機構の1つ目は、水素と酸素が混ざらないようにする機構です。
水素と酸素を完全に混合させた状態で着火すると、激しく燃焼し火炎温度が高くなります。
中学校の理科の実験で、金属と酸性液を合わせることで水素を発生させ、試験管内で酸素と振って温めると、ぽんという音をあげて燃焼するというより、爆発する実験をしたという経験がある方も少なくないのではないでしょうか。
水素と酸素をよくよく混ぜてから燃焼させると、爆発を起こし、水へと化学変化を起こしてしまいます。
そこで、酸素の通る量を制限させることで、水素と酸素をバーナー内で並行に流し、完全に混合していない状態で緩慢に燃焼させ、火炎温度を下げる機構に変更したようです。

ディーゼルのノッキングなどもそうですが、コントロールできないほど激しく燃焼してしまうことは不便なのですね。

新機構2 予燃焼により、激しい燃焼を抑える仕組み

水素バーナー機構2

水素バーナー機構2

水素バーナー2つ目の新機構は、酸素濃度を下げる機構です。
バーナー内の酸素濃度が高い状態で着火すると、激しく燃焼し火炎温度が高くなります。
酸素濃度を下げると聞くと火事の際には酸素を遮断するために布団や、鍋のふたを被せると良いことを思い出しますよね。アルコールランプを消すためのキャップや、お仏壇のろうそくを消すための金属も同様の効果があります。とはいえ、濃度を下げたいのであり、消火が目的ではないので今回は何かを被せるという話ではありません。

むしろ、最近のエンジンなどでよく使われている、本燃料噴射の前に、少し燃料を吹いて調整している仕組みの方が近いと思われます。
この機構は、バーナー内に供給するパイプの中腹に小さな穴を空けることで少量の水素を通します。
すると、少量の水素と酸素をあらかじめ燃焼(予燃焼)するため、酸素濃度を19%まで下げた状態で主燃焼が始まるのです。そのことにより、バーナー内の温度が急激に上がることを抑えられます。

ECOな未来へ前進するトヨタ

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トヨタは、2050年に向けての環境チャレンジや工場内のCO2発生を0にすることに取り組んでいます。
このバーナーが工場内で一番CO2発生量が多かったという事なので、それを0に出来たことはすごいですよね。
また、一見車の事とは関係なさそうな工業用バーナーですが、トヨタではミライなどの水素自動車も取り扱っていることという事もあり、車と工業用バーナー共に相互関係をもって進化していくのではないかと考えられることでしょう。
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