現在、車を走行させる際に使用するクリーンエネルギーとして、水素が注目を集めています。
この水素を使って走る車の中には水素を直接燃料として車を走らせるものと、水素と酸素の化学反応によって発生した電気エネルギーを利用して車を走らせる燃料電池車（FCV）があります。
この2種類の方式の水素カーのうち、一般的なものは燃料電池車ですがその普及率は年ごとに上昇しています。
しかし、全体で見るといその普及率はいまだ低い状況が続いています。
燃料電池車の普及が進まない背景には、水素ステーションの普及率の低さがあります。
なぜ、水素ステーションの普及は遅れているのでしょうか。
ここでは、水素ステーションの普及が遅れている原因と今後の課題について解説していきます。
水素の特徴と水素ステーションとは
水素とは、宇宙に最も豊富に存在する元素で、質量に換算すると宇宙全体の70％を占めます。
しかし、水素（H）単体で自然界に存在することはほとんどなく、水素原子が2つ結びついた状態（H2）の形で存在しています。
水素は、無味無臭かつ無色の気体で、燃焼しても火炎が見えにくいという特徴を持っています。
この水素を、燃料電池車に補給する水素ステーションに水素ガスを圧縮機で圧縮し、蓄圧器に高圧で貯蔵しています。
水素を燃料電池車に補給する際には、ディスペンサーから燃料電池車の水素タンクに高圧のまま充填する仕組みになっています。
その際に水素ガスの充填が急速すぎると燃料電池車の水素タンクの温度が上昇してしまうので、あらかじめプレクーラーで冷やした水素を充填するという仕組みになっています。
このように、現在一般的に利用されているガソリンスタンドと比較すると、水素ステーションを作るためには高度な技術と費用が必要になることが分かります。
水素は製造方法によって色の名前が付けられる
水素は、その製造方法によって大きく3つに分けられそれぞれに色の名前が付けられています。
ここでは、それぞれの水素の名前と製造方法について解説していきます。
グレー水素
グレー水素とは、石油や天然ガスあるいは石炭といった化石燃料から抽出される水素のことを言います。
このグレー水素を生成するもとになる化石燃料に炭素が含まれているため、水素を取り出す際に二酸化炭素が発生してしまいます。
そのため、グレー水素と呼ばれます。
ブルー水素
ブルー水素とは、グレー水素を生成する際に発生する二酸化炭素を正しい方法で処理し、大気中に二酸化炭素を放出しない方法で取り出された水素のことを言います。
しかし、厳密に二酸化炭素が漏れることなく安定的に貯蔵処理されるかどうかという点についての評価が今後の課題とされています。
グリーン水素
グリーン水素とは、太陽光発電などで作られる再生可能エネルギーを利用して水を電気分解して作られた水素のことを言います。
現在の状態では再生可能エネルギーによって作られる電力量が少ないためあまり普及していませんが、今後再生可能エネルギーによる発電量の増加が見込めることから、今後の生成量の増加が期待できます。
何色の水素を利用するのが一番望ましいのか
現在世界中で燃料電池車に利用されている水素のほとんどは、グレー水素です。
しかし、このグレー水素は生成する際に二酸化炭素を発生させ、もう1つのブルー水素も発生させた二酸化炭素を貯蔵処理するとはいえ、その安定的な貯蔵方法には課題も残っています。
このような理由から、全くまたはほとんど二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーを利用して生成したグリーン水素を利用することが一番望ましいとされています。
日本における水素ステーション普及の現状は？
日本は、政府の先導により水素ステーションの整備に乗り出しています。
水素ステーションは2021年10月の時点で、建設中のものも含めると日本全国に169か所あります。
この水素ステーションの主流となるものは、定置式オフサイト方式と呼ばれる工場で生成した水素を水素ステーションに運び込む形式のもので、1時間に5台から6台の車に水素を充填することができます。
しかし、国などからの補助金を利用してもその建設費は1億5,000万円程度必要となります。
全国的にまだ水素ステーションが普及していないのが現状ですが、高額な初期費用をかけてもその回収や利益の確保が難しいため、なかなか整備が進んでいないという現状があります。
水素ステーションのサプライチェーンとその課題
水素を水素ステーションで利用するためには生成、貯蔵と運搬、利用といったサプライチェーンの構築が必要になってきます。
ここでは、この3つの段階の現状と今後の課題について解説していきます。
水素の製造
現在利用されている水素のほとんどは、主に化石燃料を改質する方法と、化学プラントなどから副次的に発生する水素を回収し精製する方法の2つの方法で製造されています。
この2つの方法では、水素の製造工程で二酸化炭素を排出してしまうため発生した二酸化炭素を地中に埋めて処理していますが、将来的には二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーを利用して水素を製造することができるよう技術開発が進められています。
貯蔵・運輸
水素は地球上で最も軽い物質であるため、密度も低くなります。
水素をエネルギー源として使用する際には、多くの量の水素を貯蔵・運搬する必要がありますが、水素を製造後そのままの状態で貯蔵すると、非常に大きな体積の入れ物が必要となってしまいます。
また、このような状態では運搬にかかるコストも非常に高くなります。
そのため、水素を高圧で圧縮した状態にしたり、プラチナやパラジウムなどの金属に水素原子を吸蔵させたりして貯蔵や運搬を行います。
高圧で圧縮した状態の水素は、特殊ステンレス鋼やアルミニウム合金など水素脆化に強い素材を使用したタンクに入れる必要があるため、現在はタンクの低コスト化に向けての研究が進められています。
また金属に吸蔵する方法は、金属自体の重量が問題となります。
4㎏の水素を吸蔵するためには約300㎏の金属が必要となるため、車体に搭載することは現実的ではありません。
そのため、将来に向けて軽量化の研究が進められています。
利用
2013年度から商用の水素ステーションの先行整備が進められています。
しかし、四大都市圏の中でも整備箇所数には格差があり、また東京23区内など今後燃料電池車の需要が高まる見込みの地域や、四大都市圏を結ぶ高速道路において水素ステーションが求められていることから、このような地域への戦略的な水素ステーションの設置が急がれています。
まとめ
ここまで水素とは何かといったことや、日本における水素ステーションの普及の現状、水素ステーションのサプライチェーンとその課題などについて解説してきました。
また、水素自体は二酸化炭素を排出しないクリーンエネルギーとして注目を集めていますが、その製造の過程では二酸化炭素が排出される製造方法もあるため、今後二酸化炭素を全く排出しないグリーン水素の効率的な製造方法の確立が急がれていることもお分かりいただけたと思います。
さらに水素の製造、貯蔵と運搬、水素ステーションの設置といったサプライチェーンの技術的または戦略的課題も残っていますが、今後の技術革新によりこれらの課題がクリアされ、水素が生活に身近なエネルギー源となる日もそう遠くないものと思われます。