【仕組み図解】水素エンジンとは？将来性やメリット・燃費が悪い理由など車載の課題について解説

温室効果ガスの削減が強く求められている現代では、従来の化石燃料を用いたエンジンからの転換が世界的な急務となっています。

「脱化石燃料」を実現するエンジンとして、トヨタ自動車を筆頭とし、水素エンジンはかねてより開発が進められてきました。しかし、実用化にはまだまだ量産体制の構築や安全面の検証など多くの課題があり、車載に至るまでには少なくないハードルが残されているのが現状です。また、「事故を起こしたらどうなるのか」と不安視する声や、燃費の悪さへの指摘も聞かれます。

水素エンジンの概要や仕組み、ポテンシャルをあらためて考察するとともに、水素エンジンの現在地から将来性までを考察します。

 

 

水素エンジンとは

水素エンジンは、水素を燃料とし、水素の燃焼反応を動力とするエンジンです。

化石燃料を利用する内燃機関とは異なり、水素エンジンを稼働させた際には二酸化炭素などは発生せず、水のみが排出されます。つまり、化石燃料を用いるエンジンと比較して、環境への負荷を低減できる特徴を有します。

また、水素エンジンは、従来のガソリンエンジンと比較してエネルギー効率が高く、持続可能なエネルギーサイクルの実現を推進するポテンシャルにも注目が集まっています。化石燃料の多くを国外からの輸入に依存する日本国内において、早期の実用化が待たれるイノベーションです。

 

トヨタ自動車が牽引する水素エンジン開発の歴史

水素エンジンの開発は1970年代頃から始まったとされています。当時から、水素エンジンを搭載した自動車が試作され、走行試験も行われていました。2006年頃には、各自動車メーカーが水素エンジンの高出力化を目指して研究開発に着手しています。

また、1993年から2003年にかけては、水素エネルギーの利用を目指した国のプロジェクト「WE-NET（World EnergyNetwork 水素利用国際クリーンエネルギーシステム技術研究開発）」が実施されていました。

水素エンジンに関する技術において、日本は抜きん出て進んでいます。2021年にアスタミューゼ株式会社が発表したレポート「水素産業分野で日本の技術力は世界イチ！研究投資の中心は水素製造と燃料電池 ～世界の有望企業/大学研究機関の技術資産スコアランキング～」では、水素分野における日本の技術資産スコアが世界トップとされ、トヨタは「特許力」でも1位を獲得。

ホンダや日産も上位にランクインしており、日本の自動車メーカーが水素関連技術を牽引している構図は、現在も大きく変わっていません。

ただし、特許データは数年の遅れを伴うため、最新の動向を正確に反映しているわけではありません。今後の開発動向も注視が必要です。

 

【図解】水素エンジンの仕組み

水素エンジンは、水素と酸素を燃焼させた際に発生する水蒸気などで、内燃機関における作動ガス全体の圧力を上昇させてピストンを動かし、動力を発生させています。

また、近年では水素を活用した燃料電池自動車（FCV）も市販されています。水素を活用した燃料電池自動車は、水素と酸素の化学反応によって水が生じる過程で電気ネレルギーを生じさせ、燃料電池でモーターを動かす仕組みです。

 

水素エンジンとガソリンエンジンの違い

一方、化石燃料を使用するガソリンエンジンは、ガソリンを燃焼して発生した熱でエンジン内部の気体を膨張させ動力としています。

膨張した気体はピストンを往復運動させ、さらにそれを回転運動へと変換してタイヤを動かしているのがガソリンエンジンを用いた自動車です。

水素エンジンとガソリンエンジンを比較したとき、異なるのは動力のもととなる燃料です。水素エンジンは、ガソリンエンジンと同じ仕組みで自動車を動かしていますが、水素による化学反応によって熱を生み出しピストン運動を実現します。

 

水素エンジンのメリット

水素エンジンには、電気自動車や燃料電池車にはない独自のメリットがあり、それは二酸化炭素を排出しない環境性能だけに留まりません。既存技術の活用や運用面での強みも備えている点も合わせて注目されているのです。

水素エンジンの多様なメリットを、次の観点から整理していきます。

• 排出されるのは水だけの究極のクリーンエネルギー
• 内燃機関の技術を活用できる
• エネルギー充填が速く連続運転に優れる
• 「事故ったらどうなる？」へのリスク対応

 

排出されるのは水だけの究極のクリーンエネルギー

水素エンジン最大の特長は、走行中に二酸化炭素を一切排出しないことです。燃焼の副産物は水蒸気のみであるため、究極のゼロエミッションとも評価されています。

特に、都市部や環境規制の厳しい地域では、この点は大きなアドバンテージです。走っても空気を汚さない自動車が求められる環境下において、理想的な選択肢となり得ます。

 

内燃機関の技術を活用できる

もうひとつの強みは、既存技術を転換できる点です。

水素エンジンとガソリンエンジンでは、ピストン・シリンダーで爆発を起こして動力を得る仕組みはまったく同じです。「空気＋燃料を燃やして爆発→ピストンが動く→車が走る」という内燃機関の基本原理は共通しています。

水素エンジンは従来のガソリンエンジンと構造が似ている、いわば親戚のような関係性であり、違うのは燃料としてガソリンを使うか、水素を使うかのみ。そのため、既存の製造設備や整備技術をそのまま活用できると期待されています。

たとえば、トヨタ自動車が開発している水素エンジンは、既存のGRヤリスのエンジン（G16E-GTS）をベースにしています。部品やメンテナンスのノウハウが共通しているため、導入コストや整備負担を抑えやすいというメリットがあります。

 

エネルギー充填が速く連続運転に優れる

水素エンジンはEVと比較して、燃料補給（水素充填）にかかる時間が圧倒的に短い点も魅力です。一般的な水素ステーションでは、数分程度で満タンにできるとされています。

さらに、水素エンジンは発電や蓄電を介さず直接動力を生み出すため、長時間・高出力が求められる用途、たとえばトラックやバスなどの商用車や過酷な環境での使用にも適しています。長距離移動が多くEVに不安感を覚えるユーザーにとっても、現実的な選択肢となるでしょう。

 

「事故ったらどうなる？」へのリスク対応

「水素は爆発しやすいのでは？」「事故を起こしたらどうなってしまうのか？」と不安を覚える声も聞かれます。しかし実際には、EVやガソリン車と比べても、極端に危険というわけではありません。

EVでは、事故によるリチウムイオン電池の発火リスクが近年では強く問題視されています。バッテリーは一度熱暴走を起こすと消火は困難であり、完全に鎮火するまでには多くの時間を要します。

またガソリン車の場合は、液体がこぼれると地面に広がり、引火すれば大きく燃え広がる可能性があります。しかも蒸気が重く、低い場所に溜まりやすい性質であるため、爆発の引き金にもなりかねません。

一方、水素は非常に軽いため漏れてもすぐに空気中に拡散・上昇します。濃度が爆発の条件に達する前に空気中に消えてしまうことが多く、揮発性も非常に高いため、燃え続けるリスクは相対的に低いのです。さらに自動車用の高圧水素タンクは厳重な耐圧テストと衝突試験をクリアした構造になっており、異常検知による自動遮断装置も備わっています。

 

水素エンジンのデメリット

多様なメリットがある水素エンジンには多くの期待が寄せられていますが、技術的にも経済的にも、まだまだ課題も残されています。特に「燃費」「インフラ整備」「航続距離」といった、日常使いに直結する問題は避けて通れません。

懸念されているメリットを、次の観点から整理していきます。

• 水素エンジンの燃費が悪い理由
• インフラ整備が追いついていない
• 航続距離が短くなりがち
• 水素の製造・輸送にもエネルギーが必要

 

水素エンジンの燃費が悪い理由

水素エンジンは、燃料のエネルギー効率の低さという弱点がしばしば指摘されています。これには、エンジンの構造そのものが関係しています。

たとえばガソリンエンジンの熱効率はおおよそ35％前後ですが、水素エンジンは20〜25％程度といわれています。それには、水素を燃やす際の次のような特性が関係しています。

• 空気との混合比が薄くなりがち（リーン燃焼）
• ノッキング（異常燃焼）を防ぐ制御が複雑
• 排気ガスの温度が上がりやすく、熱が逃げやすい

これらの要因が重なり、投入したエネルギーが走行に十分活かされないのです。「水素＝エコ＝燃費も良い」というイメージとは裏腹に、現段階ではコストを低く見積もることはできません。

 

インフラ整備が追いついていない

もうひとつの大きな課題が、水素ステーションの数が圧倒的に少ないことです。ガソリンスタンドや充電ステーションは普及しているものの、水素ステーションはわずかしか設置されていません。水素を補給するステーションがなければ、利用の地域や用途が限定されてしまいます。

また、水素ステーションの建設には多額のコストがかかるため、インフラ整備が進みにくい構造的な問題もあります。「車があっても、給水素できる場所がない」という状況が続く限り、ユーザーの選択肢としては限定的なものとなります。

 

航続距離が短くなりがち

水素エンジン車は、航続距離（1回の燃料補給で走れる距離）が、EVやガソリン車に劣る傾向があります。

これは、水素をタンクに高圧で圧縮して貯蔵する必要があることに起因しています。高圧タンクは構造的に容量が限られ、また水素自体のエネルギー密度が低いため、搭載できる燃料量が少なくなりがちです。また、燃費効率もガソリンには及びません。

ただし、ここで注目したいのが、上述した「燃料補給のスピード」です。水素はガソリンと同様にわずか数分で満タンにできるため、航続距離が短くても「こまめな補給」でカバーすることが理論上は可能です。たとえば、近くに水素ステーションが複数あれば、毎日の移動に困ることはないでしょう。

しかし逆にいえば、ステーションの整備状況が利便性を大きく左右するということでもあります。

 

水素の製造・輸送にもエネルギーが必要

「走っているときにクリーンでも、水素をつくる過程がクリーンとは限らない」、この点も、多くの専門家が指摘する課題です。

現状、工業的にもっとも使われているのは化石燃料から作る「グレー水素」であり、その製造過程では大量の二酸化炭素が発生します。さらに、水素は極低温または高圧で運ぶ必要があり、輸送にもエネルギーがかかるため、全体で俯瞰すると、必ずしもクリーンとは言い切れません。

再生可能エネルギーで電気分解してつくる「グリーン水素」も開発が進んでいますが、まだまだコストや供給量の面で主流には至っていないのが実情です。

 

水素エンジン実用化に向けた取り組みの現状

2021年10月に閣議決定された第6次エネルギー基本計画において、水素社会実現に向けた取り組みの強化が謳われました。国外でも水素への取り組みは加速しており、水素への関心はさらなる高まりを見せています。

参考：水素を取り巻く国内外情勢と水素政策の現状について｜経済産業省

水素エンジンにおいては、トヨタ自動車が市販化を目指して研究開発を進めています。2022年には、燃料の水素を液体で補充して、走行時に気化させる技術についても試験をスタートさせました。さらに2023年からは、水素自動車をレース車両として活用し、収集したデータをもとに改善を行う意向を示しています。

ただし、市販車とするためには航続距離の伸長や車両の完成度を向上させる必要があるため、実現はもう少し先のことになる様相です。

 

水素エンジンの将来性

水素は、脱炭素社会の鍵を握ると注目されているものの、現時点での水素エンジンは、電動化が進む自動車業界のなかではやや異色な存在といえるかもしれません。

しかし、内燃機関を活かした脱炭素の選択肢として、日本を中心に実用化への動きが加速しています。世界的なエネルギー戦略のなかでも水素の活用は重要テーマであり、今後の展開に注目が集まっています。

 

トヨタ・マツダが先陣を切る日本勢の挑戦

日本の自動車メーカー、とくにトヨタとマツダは水素エンジンの開発に本腰を入れている代表格です。

トヨタは、2021年の「スーパー耐久レース」で水素エンジンを搭載したカローラを実際に走らせる実証実験を開始。市販車と同等のボディに、水素で動く内燃機関を積んだレーシングカーを走らせ、「走って・試して・改良する」フィードバック型の開発を続けています。マツダもトヨタと協力しながらロータリーエンジンを使った水素燃焼技術に取り組んでいます。

こうした取り組みは単なるデモンストレーションではなく、市販化に向けた本気の実証という点がポイントです。

 

欧州を中心に水素インフラが拡大中

欧州は「インフラ整備」に本気です。ドイツやノルウェーでは政府と民間が一体となり、水素ステーションの設置を進めています。

たとえばドイツでは「H2 Mobility Germany」というプロジェクトが進行中で、2025年までに400か所の水素ステーション設置を目指す計画も。トラックやバスといった商用車の脱炭素化に向けて、水素は有力なエネルギー源と見なされています。

さらに、欧州委員会も「水素経済の構築」を重要な戦略テーマに掲げており、水素燃焼エンジンも含めた多様な応用に補助金を出しています。水素で走る未来は、技術だけでなく社会全体のインフラ・制度とセットで進行中です。

 

燃料電池車（FCV）との棲み分けはどうなるか

水素を動力源にするという点では、燃料電池車（FCV）も水素エンジン車と同じカテゴリーに見えるかもしれません。しかし、その仕組みや特徴は大きく異なります。

FCVは、水素と酸素を化学反応させて電気をつくり、モーターで車輪を回す、いわば電気自動車の一種です。一方、水素エンジンは内燃機関であり、「エンジン音」「回転フィーリング」といった走りの感覚はガソリン車に類似します。

また、FCVは制御系が高度でコストが高くなりやすいのに対して、水素エンジンは既存の製造技術を転用しやすく、比較的コストを抑えやすい構造です。

• 静粛性・効率性を重視するユーザーにはFCV
• 操縦感やエンジンらしさを重視する層には水素エンジン

このように、ユーザーの価値観に応じて棲み分けが進む可能性もあります。

 

水素エンジン開発が抱える課題と考慮すべき危険性

水素エンジンを搭載した自動車の開発が進められている一方で、市販化に向けては解決しなければならない課題があります。

まず、水素エンジン自動車を市販化するためには、エンジンの量産が不可欠です。しかし、技術とコストの面から量産が難しい現状にあり、水素エンジンを搭載した車には、高価な燃料電池システムや高圧水素タンクも不可欠であるため、製造コストはいまだ高いままです。実用化に向けては、手頃な価格で提供するオペレーション構築が命題になるでしょう。

また、安全面での検証も十分ではないことから、検証を続ける必要に迫られます。水素は反応性が極めて高く、漏れや事故が発生した場合の安全対策が重要になります。水素の取り扱いには特別な技術が必要であり、これを安全に行うための規制や基準も整備する必要があります。

さらに、水素による燃焼はガソリンと比較して供給熱量が小さく、出力が低下するという問題も残されています。水素の生産、輸送、使用の各段階でのエネルギー損失も考慮し、これをいかに低減するかも課題です。

 

水素エンジンに関するよくある質問・Q&A

最後に、水素エンジンに関するQ&Aをまとめます。

 

Q.水素エンジンの燃費は悪い？

水素エンジンの燃費は、ガソリンエンジンと比較して低い傾向です。また、水素はレギュラーガソリンの価格を上回ることから、ランニングコストは高上がりとなるでしょう。

 

Q.水素エンジンの危険性は？

水素は正しく扱えば安全です。

水素は自然発火する性質があることから危険視されてしまいがちですが、水素の自然発火する温度は527度と極めて高温です。ガソリンの発火点は300度であり、ガソリンよりも火のつきにくい物質です。

ただし、水素の漏れや事故が発生した場合の安全対策は欠かせません。また、水素の取り扱いには高度な技術が求められ、安全に運用するための規制や基準も整備する必要があります。

 

Q.水素エンジンは何馬力？

トヨタ自動車がレース用に用意した水素エンジン搭載のカローラは261馬力です。したがって、一概に水素エンジンはガソリンエンジンと比較して馬力が劣るということはありません。

 

Q.水素エンジンの開発は日本だけが取り組んでいる？

水素エンジンの開発は日本のトヨタ自動車がリードしているのが現状ですが、海外で開発が進められていないわけではありません。

欧州では、ダイムラーやボッシュなどが水素エンジンの開発に取り組んでいます。

 

Q.水素エンジンでどのくらいの距離を走れる？

トヨタのMIRAIの場合、水素1kgあたりの走行距離は170～210kmです。水素ステーションでの1度の充填（4～5kg）で850km走行できます。

 

Q.燃料電池自動車との違いはなに？

燃料電池自動車にはエンジンがありません。

燃料電池自動車は、燃料電池内で水素と酸素で発電した電気エネルギーによってモーターを回して走行します。一方、水素エンジン自動車は水素そのものをエンジン内で燃料として利用しているという違いがあります。