水素・酸素直接燃焼式・水噴射タービン

発想研究所 / エネルギー変換・構想段階

水素と酸素が反応すると水ができる。ならば、燃焼で生じる熱を、水を作動流体とする熱機関へ直接利用できないか。

燃焼室、水の供給、タービン、凝縮器を一つの系として捉え直し、熱と物質の流れを考えた構想です。

考えた仕組みと発想の背景

自動車用の動力として水素と酸素を使う案を考え、燃焼、温度調整、タービン、発電を一つの系として見直した構想です。さらに、自動車の寸法や重量の制約を外すと、凝縮器や水の回収を含めた別の構成が検討できるのではないか、と発想を広げました。

機械単体の小ささと、エネルギー変換系全体の合理性は同じではありません。燃料と酸化剤の製造・貯蔵、熱の投入、仕事の取り出し、放熱までを並べて、どの用途なら比較する意味があるかを考えます。

原理――燃焼熱を、水を含む作動流体へ渡す

水素と酸素が反応して水になる際のエネルギーを使い、水の供給により作動流体の状態を調整して、タービンで仕事を取り出す案です。タービン、発電機、凝縮器、循環ポンプを含めて考えます。

水を加えること自体がエネルギー源になるわけではありません。加えた水を温め、蒸発させるためにも熱が必要です。温度、流量、膨張で取り出せる仕事、回収側で捨てる熱の関係を、同じ収支で扱う必要があります。具体的な圧力や温度を決めた実機のサイクル設計は、まだ行っていません。

物質収支――水を回せても、燃料は戻らない

反応は2H₂＋O₂→2H₂Oで表されます。質量を概略で見ると、水素1に対して酸素8を使い、水9が生まれます。空気に頼らないという特徴を使うなら、燃料だけでなく酸化剤も供給・貯蔵する負担を含める必要があります。

循環させる水と、反応で新しく生じる水は分けます。供給を続ければ水は増えるため、余剰分の回収・保持・排出を考える必要があります。水が回ることを、水素と酸素まで無投入で再生される閉じたエネルギー循環と扱うことはできません。再び電気分解するなら、外部のエネルギーが必要です。

根拠資料：U.S. DOE — Hydrogen Fuel Basics（水素製造と電気分解）

正味の出力と、放熱をどう見るか

比較する出力はタービン軸端の値ではなく、発電損失、ポンプ、供給・冷却などを差し引いた正味の値です。系へ入る反応熱と流体のエネルギーから、取り出す仕事、外へ捨てる熱、流出物のエネルギーを追跡します。

例えば、説明用に正味効率40%の系を仮定すれば、正味の出力1に対し、投入エネルギーは2.5、残る1.5に相当するエネルギーを熱などとして処理します。この効率を達成したという意味ではありません。凝縮器や冷却設備が全体の大きさを左右することを示す仮定計算です。

酸素を使う利点と、境界の外へ移る負担

燃焼用の空気をその場で取り込むことを前提にしなければ、機関の構成や使用環境を変えられる可能性があります。しかし、その代わりに酸素の製造、貯蔵、補給と取り扱いが必要になります。機関の入口だけで評価すると、外へ移した負担を見落とします。

水素は質量当たりのエネルギーと、容積当たりの貯蔵性が大きく異なります。DOEの資料でも、気体・液体などの貯蔵方式を分けて扱っています。燃料そのものだけでなく、容器、断熱、供給装置を含むシステムの重量と容積で比較する必要があります。

根拠資料：U.S. DOE — Hydrogen Storage（質量・容積と貯蔵方式の違い）

高圧ガスと低温液体を、同じ物差しへそろえる

高圧ガスは容器の重量や容積、低温液体は液化、断熱、保持中の変化などが条件になります。低温を冷却へ利用する案もありますが、使える冷熱は元の製造・貯蔵過程と独立した無料の資源ではありません。

電力などから燃料・酸化剤を用意し、貯蔵し、機関から電力や動力を取り出すまでの効率を比べます。同じ場所と時間で使う電池、燃料電池、他の熱機関などに対し、必要な稼働時間、補給、出力変化、保守の条件をそろえることが必要です。

既存のターボ機械技術を使えるか

量産ターボ機械の加工、回転体、軸受などの技術は参考になります。ただし、自動車用の部品を、そのまま高温の水蒸気を扱う機関へ転用できるとは限りません。材料、酸化・腐食、液滴による損耗、軸やシール、熱変形を含む検討が要ります。

機械が単純に見えることと、正味効率や耐久性が高いことも別です。タービンへ入る状態、必要な圧力比、回収側の状態をまず定め、材料と機構がその条件を満たせるか、補機を含めても比較対象より有利な用途があるかを順に確かめます。

成立条件と未解決事項――検証の進め方

まず物質・エネルギー収支を、反応物、循環水、余剰水、冷却、出力へ分けて記述します。次に、理想状態と損失を含めた計算を分け、供給・回収・冷却を加えたときに正味の利益が残るかを見ます。その段階で成立する用途だけを、部材や部分機構の評価へ進める考え方です。

高い出力や効率を前提に機体や設備を設計し、その後で機関が実現すると仮定する順序にはしません。起動停止、負荷変動、長時間の材料変化、保守、異常時の扱いも、連続運転中の効率とは別に確認する必要があります。

現在の到達点

燃焼で熱を供給し、流体の膨張から仕事を取り出し、必要に応じて凝縮・循環する考え方は、熱力学と物質収支で記述できます。検討すべきなのは未知のエネルギーではなく、反応物を用意する負担と放熱を含めても、用途に合う系になるかです。

現時点では効率、出力、重量、価格の優位を実証していません。温度調整と循環を含めた機関の構想を、機械の見た目から、系全体の収支へ移して評価する段階です。

考察のまとめと、次に考えたいこと

この構想は、水を燃料として使う仕組みではありません。

水素と酸素の反応熱を利用し、水を作動流体として使う熱機関です。水を循環させても、燃料のエネルギーが回復するわけではありません。

次に確かめたいのは、燃焼温度を調整しながらタービンで仕事を取り出す場合、凝縮・冷却・供給の負担を含めて、どんな熱力学的サイクルが成立するかということです。

参考資料の位置づけ

参考資料は共通原理や先行する取り組みを示します。本構想を組み合わせたシステム全体の性能を実証するものではありません。

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