松尾芳郎エンジン・メーカーは、ジェット燃料/ケロシンを水素に変えるための研究を長年続けてきた。ヨーロッパ連合(EU)は、民間航空機から出る排気ガスCO2削減の強化を目指し、水素燃料の実用化研究を促進させている。超低温で保管するための技術、水素原子は金属組織の中に浸透し脆性破壊を起こすのでその対策、それから輸送用配管などの継ぎ目のシールからの漏れ防止策、それから水素専焼ガスタービン技術の確立、などである。これらの解決にはロケットで積み重ねた経験が役立つ。米国では1950年代に軍用機の高高度飛行で水素燃料を使い性能を向上できないか検討したことがある。1970年代のオイル危機で、代替燃料として水素を使う研究が行われた。1980年代および1990年代には石油不足の恐れありとして特にヨーロッパでは水素の使用が検討された。現在は気候温暖化の対策として、水素でエンジン推力を発生させる技術がスポットライトを浴びている。エンジン・メーカーは、エアバスが発表した野心的な水素燃料航空機の開発計画に対し、やや懐疑的な見方をしている。問題、それから日常運航に関わるインフラ・燃料補給体制の整備、などがクリアにならない限り、水素がケロシンに代わってジェット燃料の主流となるのは難しいと見ている。メーカーによっては、モジュール化した水素燃料タンク付き民間機用のエンジンの検討を始めている。大半のメーカーは水素の直接燃焼を考えているが、これには様々な問題が予想される。課題は、ケロシンに比べ液体水素(LH2)のエネルギー密度が3倍になる点、これは同じ量のエネルギーを収納するのに4倍以上の容積を必要とする、つまり同じ距離を飛ぶのに燃料タンクの大きさは4倍になる、ことを意味している。大型水素タンクを備えるため水素燃料機は空気抵抗が大きくなり、長距離路線には向かない。けの水素航空機の開発に焦点を絞っている。concept)」の例。ケロシン燃料用ノズルと違い、無数の微小ノズルから水素を噴出・燃焼させて燃焼室の長さを短くする。chamber)イメージの断面で、左からコンプレッサー出口の高圧空気が入り、板状のマイクロミックス・ノズルから噴射する水素と混合・燃焼し右側の出口へ高温・高圧のガスを排出、タービンを回す仕組み。lbs級について、研究が行われている。長距離路線用の大型エンジンは、短・中距離路線に水素が使われる時代が来ても、暫くはケロシン燃料式の改良型の大型ターボファンが使われるだろう。機体側では軽量で断熱材を使う高強度の燃料タンクおよびシステムの開発が重要課題だが、エンジン側では、タンクから高圧水素ガスをエンジンに供給する際の制御技術が課題となる。embrittlement)」で知られるように、微細な水素原子は金属組織に浸透し易く、そこに応力が加わると破壊を生じる、と云う性質がある。同氏は次のように話している;―「エアバスは、液体水素を使う対象に狭胴型機の開発を選んだ、これは大きな抵抗増なしに大容量タンクの取付けが可能だからだ。エアバスは水素燃料の流量測定を、液状でするのか、あるいはガス状で行うのか、方針を示してほしい。液体の状態で、ポンプで加圧・流量を測定する方法はケロシンと同じで技術的には既知の方法だが、ガス化して流量を測るには多少の検討が必要になる。」ガス化して流量測定する方法は、1957年にマーチンB-57を改造して水素燃料で飛行した機体で使ったことがある。Sapphireをライセンス生産したエンジン)。米空軍のために「プロジェクトBee」で行なった研究であった。図2:(AW&ST/NASA)NACA“プロジェクトBee”の目的は、水素燃料で飛行機の高高度性能がどの程度改善できるかを調べるため。液体水素(LH2)タンク(5)を左翼端に取付け、右翼端には加圧用ヘリウムのタンク(1)を取付けた。ヘリウムで液体水素タンクを加圧(2)、水素はパイプ(4)を通して熱交換器(3)で気化させ、左エンジンの燃焼室(水素燃焼用に改修済み)に供給、燃焼して推力を発生させた。B-57は、離陸上昇の間は、両エンジンともジェット燃料(JP-4)を使い、上昇後に燃料をJP-4から水素に切り替えたが、スムースに切り替えができた。Chamber)」を使いJ65エンジンの試験を行った。%少ないと云う結果を得ている。chamber)の長さを短くでき、従ってエンジン全長も短くできる。排出を削減するためには改善が必要になる。transport)」」と云うプロジェクトを発足させた。中心となり、GKNエアロスペース社、サフラン(Saran)社、研究機関ARTTIC、ヒースロー(Heathrow)空港、ヨーロッパ水素協会、およびその他の英国、スウエーデンの大学などが協力している。3年計画で、470万ドル(約5億円)を使い民間航空機用として水素を燃料に使う燃焼室の開発、特に「マイクロミックス(Micromix)」燃焼技術の開発に焦点を当てている。Sethi)氏は次のように話している;―「ケロシン燃料を使う普通の燃焼室はそのままでは水素燃料には使えない。水素の燃焼温度はかなり高いので、完璧な燃料・空気の混合気を作らない限りNOXの排出量が増えてしまう。完璧な混合気を得るには「予混合(premixing)」をすれば良いが、これには新たに安全問題が生じる」。Univ.)が、数千個の燃料ノズルを使う「マイクロミックス燃焼器」を初めて提案した。これでNOXを発生する高温の燃焼区域がかなり減ることが判ってきた。/電動航空機技術シンポジューム)”で、前述の「EnableH2」に新たな進展があった。ここで(川崎重工から)地上試験用の「マイクロミックス・ノズル使用の燃焼器」の試作・研究の結果が報告された。これによると、マイクロミックス・ノズルの設計を変えることで火炎伝播速度の範囲が広がり火炎存続時間を減少できることが分かった。この部分の研究を進めれば水素燃料ジェットエンジンの完成が見えてきそうだ。試験ではノズル(インジェクター・アレイ)への水素流量の制御を行なったが、これで燃焼温度分布をコントロールできるので、新たに温度を下げるための燃焼希薄区域を考えなくて良い、ことが判った。エンジンで試験中の装置。Seminar)」2020-05-05)で紹介されたもの。川崎重工では2014以降「水素ガスタービン燃焼技術」に関わる研究を行い、報告書で公開しているので、簡単に紹介する。排ガスのNOXを減らすには、燃焼室に水噴射をして温度を下げる方法が用いられてきたが、これではガスタービン発電プラントなどでは全体効率が低下する。この代わりに水素燃焼でNOX低減を図り全体効率を高める研究を進めてきた。部分的に水素を使う「水素混焼」から全てを水素にする「水素専焼」までの各種の水素濃度に対応可能なガスタービンの開発を目標としてきた。ppm)ことを目標にした。一つとして、川重が開発した「マイクロミックス燃焼」技術を使い水噴射を使わない低NOX水素専焼ガスタービンの実証試験を今年(2020)5月に開始、世界で初めて成功した。(燃焼温度を下げるための水噴射をしない)このドライ燃焼方式は発電効率が高く、NOX排出も低減できる。今年秋からは、この水素ガスタービンの熱と電気を近隣施設に供給するシステムの試験を、神戸市ポートアイランドで開始する予定である。KWの熱エネルギーを周辺施設に供給できる。図4:(川崎重工)「マイクロミックス燃焼器」のイメージ。その内部を示す、全体の長さが短いことに注目。円盤状の水素バーナー・モジュールには「空気孔リング」と「水素ノズル・リング」が同心円状に交互に配置されている。コンプレッサー出口からの高圧空気が「空気孔リング」の孔から吹き出し、「水素ノズル・リング」両側面にある多数の微細ノズルから水素が噴出・空気と混合して燃焼する。ノズルはシャープペンシル芯ほどの大きさ。この方式で「水素火炎」は「バーナー・モジュール」近くに留まり長く伸びないので燃焼器は短くて済む。図5:(川崎重工)神戸市ポートアイランドに熱と電力を供給する「低NOX水素専焼ガスタービン・システム」。L20A系列エンジンで、水素専焼燃焼器を搭載する。