水素エンジンが急速に注目を浴びている。2021年、トヨタがスーパー耐久レースへカローラスポーツに水素燃料仕様としたパワーユニットを搭載して参戦してからというもの、その熟成ぶりと他メーカーも巻き込んで開発が一気にヒートアップしている。

 そもそも水素エンジンは1990年代から2000年代かけて開発されていた。マツダやBMWが実用化を目指したものの、インフラが十分に整っていなかったこともあって、実証実験レベルで終わってしまい、人々の記憶からも消えていた存在だった。

 しかしインフラはFCV(燃料電池車)の登場により、2000年代とは比べ物にならないほど(といってもまだ完全普及にはほど遠いが)整えられつつある。つまり燃料電池による水素利用によって、再び水素エンジンの可能性を引き上げたのである。

 燃料電池に比べ、水素エンジンを利用するメリットはそれほど多くはない。エネルギーの変換効率から言えば燃料電池のほうが高く、モーターで走行したほうが同じタンク容量では航続距離を稼げるのは明白だ。

 純度の低い水素が使える、というのは燃焼させる水素エンジンの持つメリットではあるが、インフラを考えれば燃料電池用の純度の高い水素と、水素エンジン用に純度の低い水素の両方を用意するのは負担でしかない。

 水素エンジンは何よりもゼロカーボンでエンジンが使える、ということが魅力であり、エンジンを使うことは前々回の当コラムで解説したとおり、クルマとしての魅力が大きい。

 ところで水素は現在のところ天然ガスから取り出しており、その時点でCO2を発生させている。エネルギー効率も化石燃料をそのまま使う場合と比べて3割前後は低下するため、燃料電池の変換効率も6割前後であることを考えれば、トータルでのエネルギー効率はガソリン車と比べて特出するほどではない。

 実際、現時点での水素利用はエコでも何でもないのは、EVと同じだ。それでもガソリンやディーゼルエンジン以外の選択肢をもつことは重要であるし、ここからの技術革新や普及を目指すには、持続していく必要がある。

●水素はさまざまな燃料と組み合わせても燃やせる

 純粋に水素だけを燃料とするのではなく、既存の燃料と組み合わせる「混焼」も水素利用では、珍しくない。むしろ安定して燃やすためには、まず混焼させる、という考え方が一般的で、トヨタの水素エンジンはかなり大胆なアプローチだ。

 もちろん前述のようにBMWやマツダが水素だけを燃やすことに成功しているから、基礎的な技術は確立されているが、トヨタは手探りで技術をモノにしているのだろうから、やはりスゴいと思う。

 ちなみに既存のエンジン車で燃料と組み合わせる水素発生器はかなり以前から研究されており、実用化もされていた。9月に開催された展示会「FC EXPO」でも、米国のベンチャーが開発した水素発生器が展示されていた。

 トラックのディーゼルエンジンに搭載することで軽油と水素の混焼を実現するもの。燃料の消費を抑え、CO2排出も抑えることができるというもので、燃料費の多い運輸業の場合、2年ほどで導入コストの元が取れるようだ。

 水素という目に見えないモノをガソリンや軽油、灯油、石炭など従来の燃料と混ぜて燃やせるのか? と思う方もいるだろう。しかし化石燃料は炭化水素が成分であり、つまりはカーボンと水素が結合した状態。

 燃やされるとそれぞれが酸素と結合してCO2とH2O(水蒸気)になって排出されるので、水素だけを燃やせば水蒸気しか排出されないことになる。しかも液体燃料は液体のまま燃えるのではなく気化して燃えるので、気体である水素は問題なく混焼できるのだ。

●水素は「蓄電池の代わり」という考え方もできる

 再生可能エネルギーで発電した電気は、蓄電池にためて安定供給することもできるが、蓄電池も劣化して内部抵抗が増えるなど劣化が避けられない。そこで水を電気分解して水素としてためておくことも考えられている。

 燃料電池を使えば再び電気エネルギーとして使えるし、タービンエンジンで燃焼させての発電(さらに熱エネルギーを回収して蒸気タービンを使ったコンバインドサイクルも使える)もできる。

 ただそうなるとそのまま保管しておくのが難しい、という水素ならではの問題がある。軽くて小さい水素原子は、金属の分子間も通り抜けてしまうから、閉じ込めておくのが難しい。

 これも専用の合金やコーティング技術の開発により、かなり解決されつつある。そうなると残る問題は運搬と貯蔵の方法だ。

 最も一般的なのは圧縮した状態で運ぶもので、450気圧まで圧縮してタンクに詰め込まれる。FCVへの充填(じゅうてん)はさらに850気圧まで圧縮して行われる。これにより体積は800分の1程度となり、航続距離を伸ばすことが可能となったのだ。

 それでもマイナス254度に冷却して液化すれば圧力は低くなる(それでも200気圧ほどはあるがトヨタMIRAIの700気圧よりはマシだ)。トヨタも液体水素を利用する方法を研究しているようだ。

 液体水素をオーストラリアから保冷したまま運ぶ技術はすでに開発され、2週間は維持できることを証明済みだ。気候変動により夏は猛暑が続くこともあるが、真空断熱技術と冷凍技術を組み合わせれば、さらに低電力で液体水素を保管できそうだ。

 水素吸蔵合金という手もある。クルマには重量増が大きく不向きだが、自らの体積よりも多くの水素をため込める合金は、水素ステーションなどには向いている。

 また有機溶剤であるトルエンに水素を溶かして運搬、保管する手もある。アンモニアも水素が多くカーボンフリーな素材であるが、アンモニアから水素を取り出す方法より、直接アンモニアを燃料として使う方法も開発されているので、今後はそちらのほうも実用化が進みそうだ。

●水素を利用しやすい環境へと変化してきた印象も

 実は4年ほど前まで、日本国内で水素利用のマーケットは非常に閉鎖的な印象だった。というのもトヨタはMIRAIを発売し、燃料電池バスを開発しても、それはトヨタグループ内だけの利用で、燃料電池スタックや高圧タンクといった燃料電池や水素を使用するための機器や部品は販売されていなかったからだ。

 国内で他の企業が燃料電池などで水素を利用しようと思っても、そもそも設備が手に入らなかった。イタリアや韓国でつくられている製品を輸入販売する動きもあったが、そもそも水素自体がなかなか入手しにくいので、もっぱら工場で副生水素を利用するための需要しかなかった。

 しかし現行のMIRAI発売後は、燃料電池スタックの販売も開始しており、高効率なトヨタの燃料電池を利用できる環境となっている。

 先日のFC EXPOでも、高圧タンクやそれを製作する工業用ロボットなどが展示されており、新たな水素ビジネスの広がりを感じさせるものとなっていた。

 クルマとして残る課題は、交通事故などのリスクをどう解決するか、ということだろう。

 つい先日もガスボンベを搭載したトラックが、急ブレーキでボンベを落下させて爆発、大規模な火災(といっても延焼などはなく、通行止めになったのが最大の被害のようだ)が起こってしまった。

 MIRAIでは十分な安全対策をしているとはいえ、FCVや水素エンジン車が街をたくさん走るようになれば、交通事故も増え、中にはタンクに損傷を与えるような事故も発生するかもしれない。衝突の予防技術の進化も、水素利用のモビリティ普及には不可欠な要素と言えそうだ。

 トヨタが本気で水素エンジンを普及させようというのであれば、水素社会は10年先どころか7〜8年先には、いや5年先にも実現できるかもしれない。

(高根英幸)