カーボンニュートラルを達成し地球環境保護に貢献するために，水素やアンモニアなど燃焼時にCO2を排出しない，いわゆる脱炭素エネルギーの実用化が期待されています。実際に水素やアンモニアを車やボイラーの燃料として用いる実証研究も進んでいます。両者を混合して，着火性や燃焼強度をちょうどよく調整した燃料の特性も研究が進められています。また，温室効果が高いとされているフロン系冷媒（エアコンガス）を，より地球温暖化係数の小さなフッ素含有化合物や，プロパンのような炭化水素系ガスに転換する検討も進んでいます。

一方で，これらのガスは燃焼性や毒性などを有しているものがほとんどです。したがって実際にエネルギー源やエアコンガスとして利用する場合，何らかの理由で漏洩し着火すると火災・爆発事故に至る恐れがあります。すなわち，燃焼現象の有効利用を目指した燃焼工学の観点からも，火災・爆発事故の防止を目指した安全工学の観点からも，可燃性ガスの着火・燃焼特性は極めて基本的かつ重要な特性です。

ところが，その全貌が完全に明らかになっているかというと，そうでもありません。たとえば・・・

①どれだけのエネルギーが与えられると着火するのか？

一般的に，着火性は「最小着火エネルギー」や「消炎距離」といった指標で評価されます。「最小着火エネルギー」の測定には，向かい合った一対の針電極に高電圧をかけて放電させる，いわゆる「容量性放電」という手法が用いられることが多いです。しかしこの方法では，電極の摩耗度，平滑さ，わずかな電極位置のずれ，などなど，制御しにくい細かな様々な因子によって，最小着火エネルギーが測定者によって大きくばらつくことが指摘されています。これでは，「誰が測ってもその値になる」というような，信頼性の高い値にはなりにくいです。

そこで，「消炎距離」をもとにして最小着火エネルギーを推算する手法が編み出されています。2枚の平板間で火炎が形成された場合を考えてみます。火炎は熱いが平板は冷たいので，火炎から平板に熱が失われます。平板間隔が広いと，平板間を満たしている火炎も大きいので，火炎が持っているエネルギー（熱）が大きいので，少々熱を失っても火炎は火炎の状態を保てます。ところが平板間隔が狭くなると，火炎がもともと持っているエネルギーが少なくなるので，平板との接触で熱が失われて消炎してしまいます。この限界となる平板間隔が「消炎距離」です。よって，消炎距離を直径とする火炎球が持っているエネルギーが「最小着火エネルギー」ということになります。

脱炭素エネルギーの話に戻すと，水素／アンモニア混合燃料は従来のガソリンやプロパンなどと同程度の着火性・燃焼威力に制御可能ですが，ではどのような組成比の場合にどの程度のエネルギーで着火するのか？という特性は，世界的にみても明らかになっていません。上述したように最小着火エネルギーはなかなか信頼性の高いデータが得にくいので，消炎距離をもとにさまざまな混合割合の水素／アンモニア混合燃料の最小着火エネルギーを正確に予測することができれば，これは世界初・世界最先端の成果となります。このデータをもとにエンジンが開発されたり，安全性を確保するために守らなければならないルールが決められていくわけです。

さらにいうと，燃料が静止した状態で着火する場合はこの手法で最小着火エネルギーを推測できるかもしれませんが，燃料が動いている場合，そう簡単にはいきません。ガスが動くと，平板と接触している時間が短くなるので熱損失が小さくなるので消炎距離は小さくなりますが，では最小着火エネルギーも小さくなるか？というと，そうとも言えないように思われます。つまり，「最小着火エネルギー」と「消炎距離」の関係は静穏時と流動時とでは保存されていない可能性があります。これを明らかにできれば，燃料が静止していても流動していても正確に着火性を評価できるわけで，まさに世界標準の着火性評価法といえるでしょう。

平行平板間を伝播する火炎に及ぼす流速の影響。流速ゼロの場合は比較的火炎面がきれいですが，流速が増加するとともに火炎が乱れます。この乱れは火炎面積の増大を招き，燃焼威力の向上につながると考えられます。

そのような夢を追いかけて，当研究室では「水素／アンモニア混合燃料の消炎距離と最小着火エネルギーの学理」の究明を目指した研究を行っています！

②着火・燃焼性を制御できないか？

例えば水素は非常に着火しやすい，燃焼速度が速い，単位質量当たりの発熱量が大きいといった特性があります。一方アンモニアはその逆で，いわゆる「燃えにくい」ガスです。したがって，現在のインフラ（エンジン，ボイラー，バーナー，反応器など）にあまり変更を加えずにこれらを実用化するには，着火・燃焼性の制御が必要です。そこで，着火手法の工夫（レーザー，電気スパークなど），不活性ガス（アルゴン，ヘリウム，二酸化炭素，窒素など）の添加，酸素富化，などの手段によって，着火性・燃焼性を制御する研究を行っています。特に，水素／アンモニア混合燃料を対象として，最大圧力，圧力上昇速度，最大圧力到達時間などが水素／アンモニアの混合比率や，燃料と空気の混合比，着火エネルギー，着火形態（レーザーか，熱面か，スパークか）にどのように影響されるか，そのメカニズムを調べています。これを明らかにできれば，エンジンに水素／アンモニア混合燃料を搭載することができるようになるでしょう。

アンモニア／酸素予混合気に不活性ガスを添加して，レーザーで着火させた場合の着火挙動及び燃焼範囲への影響を調べた結果です。燃焼工学の分野で最高権威の学会（International Symposium on Combustion）でポスター発表しました。

③着火源の種類が変わると，着火性や燃焼性も変わる？

上記の②と関連しますが，例えば熱面による着火であれば，最小着火エネルギーだけ与えてもそもそも熱面が高温にならないので，着火しません。また，レーザーの場合は1パルス当たりのエネルギー供給時間が短いので，火炎が十分成長するのに要する時間と比較すると，エネルギー供給が止まってからの時間のほうが長かったりしますので，その分最初にかなり大きなエネルギーを得ておく必要があります（つまり，上で言う「最小着火エネルギー」より大きなエネルギーが必要になる）。また，電気スパークとレーザーはともに大きな電気エネルギーで分子から電子を飛び出させてプラズマを作り出し，その高温で着火するものですが，エネルギーの密度が異なるので，放電後の火炎の成長挙動が大きく異なることが知られています。このようなことから，着火の成否を評価する指標は着火源によって変わってきてしまいます。そこで，着火に及ぼす着火源種類の影響を実験や数値シミュレーション，理論解析をもとに調べ，着火源種類に関係なく成り立つ学理を追究しています。

着火の様子は着火源によって異なります。左：レーザーブレイクダウン着火，中央：静止（上段）および流動（下段，3m/s）予混合気のスパーク着火，右：熱面着火。いずれもプロパン／空気予混合気。

このように本研究室では，次世代エネルギーの着火・燃焼特性の学理を理論・実験・シミュレーション技術を駆使して明らかにするべく研究を行っています。その成果に基づいて，着火・燃焼特性の予測・評価手法を確立することにより，カーボンニュートラル達成のための次世代エネルギー実用化を目指しています。本研究は主に日本学術振興会の科学研究費補助金や，企業との共同研究，研究助成などを受けて実施しています。一部は（国研）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）委託事業の一環として実施されました。