液体水素

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液体水素用タンク

液体水素（えきたいすいそ）とは、液化した水素のこと。沸点は-252.6℃で融点は-259.2℃である（重水素では、沸点-249.4℃）。水素の液化は、1896年にイギリスのジェイムズ・デュワーが初めて成功した。

液体水素の用途

ロケット燃料

ロケットエンジンの推進剤として利用され、LH2（Liquid H2）と略称される。液体水素を燃料、液体酸素を酸化剤としたロケットエンジンは実用化された化学推進ロケットとしては最も高い比推力を誇る。しかし液体水素は非常に軽い液体で、その密度は70.8kg/立方メートル（20Kの時）と水に対して約1/14でしかない。燃料タンクに詰めた時、非常に大きな体積を取るので体積効率やタンクの構造効率から見た場合、液体水素は効率が悪い推進剤である。

代替エネルギーとしての水素燃料

液体水素は代替エネルギーの水素燃料として以下の用途での使用が期待される。

燃料電池

天然ガスや石油を原料に水素を安価に大量生産することができる。現在の燃料電池は化石燃料から作られた水素を利用するため代替エネルギーではあるが再生可能エネルギーではない。水素は酸素と結びつくことでエネルギーと水が生まれる。水の電気分解の逆反応である。燃料電池はこの反応を利用して電気を生み出す装置である。非常に高価であり部品に消耗品が多い。反応式では水素と酸素から水ができるが、触媒が反応するために100度を越す熱が必要であり、実際に排出されるのは水蒸気である。

現在の家庭用燃料電池や燃料電池自動車等は天然ガスから水蒸気改質により水素を取り出し利用する。

純粋な水素を直接利用する燃料電池の方が設計が簡単であるが、水素脆化による水素タンク等の金属劣化が危惧され、長期の使用には耐えられず実用段階ではない。また、水素自体が化石燃料から作られており、電気分解に使う電気は火力発電や原子力発電で使うため電気分解による水素の大量生産は価格面の問題が大きく実現していない。

日本の一部の自動車メーカーは化石燃料と改質器を利用した燃料電池と電気モーターを動力とする燃料電池自動車を開発している。

炭化水素から直接水素を取り出すタイプの燃料電池は携帯型の電子機器の電源としても期待されているが実用化に至っていない。

内燃機関燃料

化石燃料を原料にして作った水素を燃料としてガソリンエンジン同様にピストンシリンダー内で酸素と反応させて動力を得る水素燃料エンジンの構想があり、水素自動車が実用化されている。内燃機関では排気中に窒素酸化物や過酸化水素の有害物質が生まれるので、これらを除去しなければならない。また、ガソリンエンジンに比べると出力が低い問題がある。

水素燃料の課題

原料

現在大量生産される水素の原料は天然ガス及び石油である。現状では水素は化石燃料が形を変えたものである。水からの製造にはアルミニウム同様安価で大量の電力が必要である。

製造

水素はもっとも軽い元素であり地上には水素単体ではほとんど存在していない。このため、エネルギー資源としての水素は考えられず、人間が必要な量はすべて、水素化合物からエネルギーを使って取り出さなければならない。最も身近な水素化合物は水である。水を電気分解することで技術的には容易に水素が得られるが、電気分解に消費される電気エネルギーは得られた水素を反応させて再び得られる電気エネルギーより大きいために差し引きでは損となる。エタノールや石油精製品から水素を取り出す方法もあるが、その手間とコストを考えれば、そのままエタノールや石油精製品を燃料として使用するほうが経済的である。いまのところ水素は天然ガスと水より触媒を介する水蒸気改質で作り出されている。

保管

水素原子や水素分子はあまりにも小さいため、金属容器に詰めてもその金属内部に浸透してゆき金属を劣化させる水素脆化を引き起こすので現状では長期保管が困難である。水素吸蔵合金といった形やCFRPボンベ、冷却して液化水素として運搬・保管する必要がある。

可燃性

水素は純粋な状態では発火しにくいが、酸素と混ぜた場合容易に発火するため、危険度の点ではガソリンとそれほど変わらない。ガソリンの代替燃料とは成り得るが、燃料電池に用いられる灯油や携帯機器のバッテリーに利用するためには十分な安全対策が必要とされる。

流通

製造・流通・消費の各ステージでまったく新たな設備が必要とされる。たとえ水素燃料対応の自動車が街に走り出しても、現状では水素ステーションがほとんど存在しないため水素補給が出来ない。製鉄所等から副産物として大量の水素が発生するためパイプラインの利用等も含め社会インフラの整備が課題である。

航空燃料

近年では特に旧ソ連諸国の航空宇宙企業を中心として、石油の代替として液体水素を燃料とする旅客機の研究が進められている。液体水素燃料を用いた旅客機は（液体水素の製造過程はともかく）旅客機の飛行中には二酸化炭素を排出せず環境負荷が低いとされている。だが、前述のとおり極めて大きな燃料タンクが必要となるほか、飛行中の蒸発、極低温燃料の取り扱い、燃料供給体制の構築など解決すべき課題は多い。

出典

• 都市ガス原料小型オンサイト型水素製造装置を開発 - 東京ガス
• 燃料電池自動車用水素ステーション - 東京ガス（リンク切れ）
• 燃料電池製品の開発 - 株式会社栗本鐵工所
• カーボンナノファイバーによる水素吸蔵 - 資源環境技術総合研究所
• 水素未来への道を開く水素貯蔵合金開発 - NEDO
• 液体水素は宇宙用途から始まり現在は民間需要が急拡大しています - JAXA産業連携センター インタビュー
• わずか3人のオペレーターで1時間に6000ℓの液体水素を製造 - JAXA産業連携センター 現場ルポ

関連項目

• 液体酸素
• 液体窒素