水素エンジンの仕組みをわかりやすく解説！実用化に向けたメリットや将来性とは？

世界各国がカーボンニュートラルに向けて動く中、乗用車やトラック、船舶をはじめとした運輸部門においてもCO₂排出量を抑えた代替燃料への転換が求められています。そんな中、従来のディーゼルやガソリンエンジンに代わる新しい存在として注目を集めているのが水素エンジンです。

今回のY mediaでは、水素エンジンの基本的な仕組みやメリット、実用化に向けた動向など、今知っておきたい注目技術をわかりやすくご紹介します。

水素エンジンとは、従来の内燃機関の燃料を水素に置き換えたエンジンのことで、水素の燃焼反応を利用して動力を得ます。内燃機関は、ディーゼルやガソリンなどの燃料を燃焼させ、それによりエネルギーを得る原動機であるため「水素エンジン」＝「ディーゼルやガソリンの代わりに水素を燃やして動くエンジン」と考えるとわかりやすいかもしれません。

水素は燃焼させると酸素と結びつき、水になります。理論上は、燃焼時にCO₂を排出しないため、化石燃料を使った従来のエンジンよりも環境への負荷が少ないといわれています。

水素エンジンとFCV（燃料電池自動車）の違いとは？

水素で走る乗り物といえば、既に市販化が進んでいるFCV（燃料電池自動車）を思い浮かべる方も多いのではないでしょうか。FCVは内燃機関ではなく、燃料電池内での水素と酸素の化学反応によって発電を行い、その電力でモータを稼働させて走る電気自動車です。水素と空気中の酸素を化学反応させることで、電気と水を発生させますが、FCVの動力は電気で、走行時には水のみが排出されます。

FCVには、主に次のような特徴があります。

・走行中のCO₂排出量はほぼゼロ（排出するのは水蒸気のみ）
・災害発生時には非常用電源として使用できる
・FCV用の水素は純度99.97％と高いが、価格も高い

水素エンジンもFCVと同様、原理的にはほとんどCO₂を排出しません。この点は同じです。

その一方で、同じ水素を扱っていても、水素エンジンは既存のエンジン技術を応用してつくられているため、発電の仕組みは異なります。

またFCV用の水素は純度99.97％と高く、その分コストがかかります。一方、水素エンジンは純度の低い水素にも対応できるため、将来的にはFCVよりもリーズナブルに燃料を供給できるようになるかもしれません。

先ほど、水素エンジンの仕組みは、従来の内燃機関の延長線上にあるとお伝えしました。とはいえ、「そもそもガソリンエンジンがどのような仕組みで動いているのかわからない」という方も多いでしょう。

そこでここからは、ディーゼルエンジンと水素エンジンを比較しながら、その仕組みをわかりやすくご紹介します。

ディーゼルエンジンの仕組み

ディーゼルエンジンは、着火性がいい軽油を燃料としています。シリンダー内で空気を圧縮することで高温になった空気に燃料を霧状にして噴射することでピストン（往復）運動を起こし、走行に必要な回転力を得て走行します。

水素エンジンの仕組み

水素エンジンがディーゼルエンジンと大きく異なるのは、燃料に水素が使われていることです。内燃機関で水素と空気（酸素）を燃やして発生する水蒸気や窒素、余剰酸素などによって、作動ガス全体の圧力を上昇させることでピストンを動かし、走行に必要な動力を生み出します。

水素エネルギーをエンジンの燃料として活用することはさまざまなメリットがあります。

• CO₂排出量が少ない
• 再生可能エネルギーの電力から水を分解して生成された水素を燃料とすることができる
• 枯渇の心配がない

順番に確認していきましょう。

CO₂排出量が少ない

1つ目のメリットは、CO₂排出量を最小限に抑えられることです。これは水素の性質に由来します。従来のエンジンの燃料であるガソリンは、石油から作られています。石油は化石燃料のひとつですから、燃焼するとCO₂を排出します。

一方、水素エンジンの燃料である水素は、燃焼すると空気中の酸素と反応して水になるという性質があります。つまり、走行時にはほとんどCO₂を排出しません。

再生可能エネルギーの電力から水を分解して生成できること

2つ目のメリットは、再生可能エネルギー由来の電力から、水を分解して水素を生成できることです。地球上にある水素の多くは、水や他の元素との化合物として存在しています。そのため、まずは以下のいずれかの方法で水素をつくり出す必要があります。

中でも注目を集めているのが、自然エネルギーの電力から水を電気分解して水素を作る方法です。太陽光・風力などの自然エネルギーは、「再生可能エネルギー」とも呼ばれており、温室効果ガスを排出しない貴重な国産エネルギー源として注目を集めているのですが、現時点ではコストが高く、利用量は増えていません。将来的に普及が進めば、水素エンジンの実用化に大きく貢献してくれるでしょう。

地球上にたくさん存在するため枯渇の心配がない

 3つ目のメリットは、エネルギー資源の枯渇の心配がないことです。水素は、枯渇性の化石燃料（石油や石炭）とは異なり、再生可能エネルギー由来の電力と水があれば、無限に取り出せるためです。

環境に優しく、かつ地球上にたくさん存在する水素は、まさにクリーンで汎用性の高い持続可能なエネルギーと言えるのではないでしょうか。

それでは最後に、水素エンジンの実用化と将来性について考えていきましょう。

水素エンジンの実現は一見遠い未来のように感じるかもしれませんが、実は既に多くの企業が水素エンジンの実用化に向けて取り組んでいます。

自動車・二輪車における水素エンジンの実用化と将来性

水素エンジンの研究の歴史は古く、日本では1970年代頃より武蔵工業大学（現在：東京都市大学）が水素エンジンを始めて運転し、その後水素自動車のデモンストレーションを実施しました。

2021年4月には、トヨタ自動車が水素エンジンの技術開発に取り組むことを発表。同年5月に開催された「スーパー耐久シリーズ2021」に水素エンジンを搭載した競技車両で出場し、大きな話題になりました。

さらに2022年9月には、カワサキモータース株式会社が、研究開発中の二輪車用水素エンジンを搭載した研究用バギーを初公開するなど、自動車・二輪車業界は水素エンジンの実用化に向けて大きくリードしています。

船舶における水素エンジンの実用化と将来性

水素エンジンの研究・技術開発は、陸だけでなく、海の世界にも広がっています。

海上輸送分野においては、これまでに水素エンジンのほかにも水素燃料電池やバッテリが候補に上がっていましたが、いずれもコストが高く、航行距離の長い大型の内航船・外航船への適用には課題がありました。

しかし、バッテリと比較し、エネルギー体積密度が高い水素エンジンを実用化できれば、海上輸送分野も脱炭素化に向けて大きく前進できるはずです。

もちろん、水素エンジンの実用化には多くの課題があります。水素は非常に燃えやすい気体であるため、エンジンとして活用するためには安定的な燃焼コントロールが必要です。また水素は分子が小さく漏れやすい性質があるため、気体を密封するためのガスシール技術を確立しなければなりません。

国際社会においては、地球温暖化の原因となるCO₂排出量を削減することが強く求められています。日本でも「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」が発表され、脱炭素化の流れが大きく加速しました。

燃えやすく、無臭、さらには燃焼時にはCO₂の排出を伴わない水素は、まさにエンジンの活用に最適なカーボンフリーエネルギーです。加えて、再生可能エネルギーの電力から水を分解して生成できること、枯渇の心配がないことからも、従来のエンジンにはない新たな可能性を感じます。

しかしながら、水素エンジンの実用化にはまだまだ課題が残るのも事実です。実用化・市販化を実現させるためには、国や自治体、関連の業界が力を合わせ、研究・技術開発を進めることが大切です。

ヤンマーパワーテクノロジー株式会社は2021年4月、川崎重工業株式会社、株式会社ジャパンエンジンコーポレーションと純国産エンジンメーカーとしての技術を結集するコンソーシアムを結成し、外航・内航大型船向けに世界に先駆け舶用水素燃料エンジンを共同開発することに合意しました。

同年8月には「HyEng株式会社」を設立し、水素燃料エンジンの共同開発・市場投入に向けた取り組みをさらに前進させることで、将来的な水素燃料船の普及拡大に貢献し、日本海事産業の活性化と船舶分野の脱炭素化による持続可能な社会の実現を目指します。

また、ヤンマーエネルギーシステム株式会社は、ドイツの2G社製100％水素燃料コージェネレーションシステムの日本での取り扱いを2022年度内に開始することを決定しました。今後は自社製のエンジンでも水素燃料に対応できるよう技術開発を進めています。

その他、ヤンマーでは、トヨタ自動車の燃料電池自動車「MIRAI」の部材を活用した舶用水素燃料電池システムの開発、試験艇による実証試験を通じて、実用化に向けて取り組んでいます。

企業の枠組みを超え、今まさに、水素社会への扉が開かれようとしています。

水素エンジンの実用化に向け、大きな一歩を踏み出したヤンマーの今後の取り組みにぜひご注目ください。