水素とは何か？その基本的な性質
表2に水素の基本的な性質を示すが、水素は原子番号1の元素であり、地球上においては単体の「H」（Hydrogen、水素元素）としては存在しておらず、人工的に製造された水素分子「H2」（水素ガス）として存在している。水素ガス（H2）は常温・常圧では無色・無臭の気体で、軽くて、燃焼しやすく爆発しやすい性質をもっている。
表2 水素の性質
水素ガスが燃焼して生成されるものは、水（H2O）のみであるため、クリーンで地球温暖化を防止する側面からも大きく注目されている。
この水素は、図3に示すように、石油や天然ガスなどの化石燃料などを触媒注1を用いて改質する、あるいは製鉄所や化学工場などからの副産物として、さらに発電した電気を用いて水を電気分解して製造されるなど、さまざまなエネルギー源から製造することができる。
図3 水素はさまざまなエネルギー源から製造することができる
再生可能エネルギーからの水素キャリアの製造・利用
〔1〕クリーンでもあるが危険性ももつ水素の特徴
同研究所の水素キャリアチームでは、現状ではコストの障壁はあるものの、図4に示すように、温室効果ガスであるCO2を発生させる石油や石炭、天然ガスなどの化石燃料による火力電力などではなく、太陽光発電や風力発電などのクリーンな再生可能エネルギーによって発電した電力を使用して水素（H2）をつくることにポイントを置いた研究開発を行っている。
図4 再生可能エネルギーからの水素キャリアの製造・利用
〔出所 産総研：福島再生可能エネルギー研究所資料より〕
無味無臭の水素は、常温・常圧ではかなり軽い気体であるため、1箇所に多くの水素ガスを閉じ込めようとしてもかさばってしまう。また、沸点がかなり低いという性質ももっている注2。水素ガスを液体水素にするためには、低温な絶対零度（0 K。摂氏−273℃）近くの摂氏−252℃にしないと液体水素にはならず、液化するのが難しい。
さらに、静電気のような小さなエネルギーでも発火するという性質もあるため、いったん火がつくと、早い速度で酸素（O2）と水素（H2）が化学反応し注3、それが連鎖的に起こりやすい（爆発する）。
このことは、水素ガスは早くエネルギーを発散させることができるとも言えるが、ネガティブに言うと危険な側面ももっているとも言える。
このような水素の性質を考慮して、同研究所では、再生可能エネルギーの発電電力から、水を分解することによって水素をつくり、その水素を有機物に化合することで、安全かつコンパクトに水素を貯蔵する研究開発を行っている。
〔2〕燃料電池自動車（FCV）における水素燃料電池の搭載法
（1）「MIRAI」では水素を700気圧で圧縮（高圧水素ガス）
現在、搭載した燃料電池注4で水素（H2）と酸素（O2）の化学反応によって発電した電気エネルギーを使って、モーターを回して走行する燃料電池自動車（FCV：Fuel Cell Vehicle）が実用化され始めている。
例えば、トヨタ自動車（トヨタ）が2014年12月15日に発売した、量産型としては世界初のセダン型燃料電池自動車「MIRAI」（ミライ）注5は、常温の水素ガスを700気圧で圧縮して閉じ込めて（高圧ガス）使用するというシンプルな方法を採用している。搭載する水素タンク（大・小2個のタンクを搭載）は、軽いカーボンファイバなどの特殊な素材を使って安全性を確保している。水素ガスの充填は約3分程度で、走行距離は約650km（一充填走行距離：航続距離）となっている。
（2）さらなる「高圧水素ガス」と「液体水素」の課題
今後、FCVがさらに走行距離を伸ばすためには、もっと多くのタンクを積む、あるいは圧縮する圧力を上げる必要がある。例えば、水素ガスを3倍程度の2,000気圧まで上げると、単純に3倍程度の航続距離（エネルギー密度）にはなるが、その実現にはさらに高いレベルの技術が必要となる。
一方、トヨタの高圧水素ガス方式に対して自動車向けには「液体水素」という搭載法もある。液体水素になると、高密度に水素のエネルギーを貯蔵できコンパクトにはなるが、先に述べたように、液体水素の場合は、−252℃という極低温状態をキープしなければならない。そのため、温度を維持するための断熱容器などの技術的課題もある。
現在「MIRAI」で使用する常温の水素ガスの場合は、水素ステーション注6で高圧の水素ガスを、ガソリン車と同じぐらいの3分程度の時間で充填する場合、一気に高圧ガスをタンクに流し込むことになる。このため、そのままの状態では温度が上昇してしまい危険なため、安全性を確保するためプレクール（Pre-cooling）という、水素ガスの温度を−40℃程度まで下げるクーラーが用意されている。これで事前に冷した後、高速で水素ガスを充填する工夫がとられている。
▼ 注1
触媒（Catalyst）：その物質自身は変化しないが、他の物質の化学反応の仲立ちとなって反応の速度を速めたり遅らせたりする物質のこと。
▼ 注2
沸点：沸点とは液体が気体になるときの温度である。
▼ 注3
酸化反応が早いという。
▼ 注4
燃料電池：FC（Fuel Cell）。例えば、水を電気分解して取り出した水素と空気中の酸素を利用して、水の電気分解の逆の化学反応によって直接電気へ変換し、発電するシステムのこと。電気を使う場所で発電できるため送電で発生する電力損失がない。また、従来の発電方式では捨てていた、発電の際に発生する熱もお湯を沸かすなどに利用できるので、エネルギーを効率よく使える特徴がある。
FCV（(Fuel Cell Vehicle：燃料電池自動車)は、水素と酸素の化学反応によって発電した電気エネルギーを使って、モーターを回して走る自動車のこと。一般的に燃料電池という言い方が普及しているが、これは誤解を生む表現となっている。燃料電池という電池（鉛電池のような電池）があるのではなく、燃料（例：水素）そのものが電池なのだということを認識しておくことが重要である。
▼ 注5
「MIRAI」（ミライ）：http://toyota.jp/mirai/
▼ 注6
水素ステーション：ガソリンスタンドと同じような水素スタンドのこと。
