楽天Car
楽天Carマガジン
水素エンジンの仕組みとは？水素で車はどう動くのか解説

2022-10-28

水素エンジンの仕組みとは？水素で車はどう動くのか解説

画像出典：photo AC
画像出典：photoAC　

「水素エンジンの仕組みを知りたい」とお考えではありませんか？この記事では、水素エンジンがどう動くのか、その仕組みについて詳しく解説します。水素エンジンの知識を深めたい方は、ぜひ参考にしてください。

「水素エンジンってどう動いているの？」「どうやってエネルギーを補給する？」など、水素エンジンの仕組みについて疑問をお持ちの方もいるのではないでしょうか。水素エンジンは既存のガソリン車に搭載されているエンジンを流用できるため、実用化が成功すれば現在流通している水素自動車の燃料電池車（FCV）よりもコストを削減できることが期待されています。

この記事では水素エンジンがどう動くのか、その仕組みについて詳しく解説していきます。後半には水素自動車を所有した場合ガソリン車とどのような点が変わってくるのか、シミュレーションしていますので、ぜひ参考にしてみてください。

・水素エンジンの仕組みとは？
・電気自動車と水素自動車の仕組みの違い
・ガソリン車から水素自動車に乗り換えたらなにが変わる？
・車のことなら楽天Carにおまかせ！
・よくある質問
・参考サイト

水素エンジンの仕組みとは？

画像出典：photo AC

急速に普及が進む「水素自動車」は、水素を燃料として駆動する自動車です。水素というと水素自動車の一種「燃料電池車（FCV）」を思い浮かべる方が多いかと思いますが、近年では水素燃料エンジンを搭載した水素自動車（内燃機関車）がじわじわと注目を集めています。

水素エンジンは仕組みこそガソリンエンジンとほとんど変わらないものの、技術的な課題がさまざまあり、いまだ市販化にはいたっていません。水素エンジンを搭載した内燃機関車の最近の動向としては、水素燃料レシプロエンジンを搭載した自動車の量産を目指すトヨタが、昨年の5月にカローラスポーツをベースとした水素エンジン搭載車で耐久レースに参戦し、見事に完走を果たしています。

すでに燃料電池車（FCV）のMIRAIで市販化を成功させているトヨタが、水素エンジン搭載車の開発に注力するのには「電気自動車（EV）と肩を並べる存在として水素エンジンが有力である」「もし量産化に成功した場合、燃料電池車（FCV）に比べて安価にできる可能性がある」という2つの理由があります。

これまでは「カーボンニュートラルを可能とする唯一の選択肢は電気自動車（EV）である」というのが業界の定説でしたが、前述のトヨタの耐久レース参戦によって水素エンジンの将来的な可能性がメディアでも好意的に報じられるようになりました。最近では、将来的な水素エンジン乗用車の市販化を熱望する声が多々上がるほどの盛り上がりを見せています。

本項では、今世間から熱い視線を浴びる水素エンジンの仕組みと、水素エンジン搭載車の市販化を阻む課題について解説していきます。

そもそも水素とは？

水素は元素の中で最も軽く、宇宙に最も多く存在しています。水素自体は気体ですが、地球上に存在する水素は気体ではなく、水として存在するものがほとんどです。また化石燃料やバイオマス（生物由来の有機性資源で化石資源を除いたもの）にも存在しており、枯渇する心配がないことから未来のエネルギーとして注目されています。

水素は酸素との反応性が高く、容易に燃焼、発電して水を排出します。さらにその水から電気分解で水素を取り出すことができるため、循環型エネルギーとして以前から気球や飛行船などの浮遊用ガス、半導体加工、液体ロケット燃料などの用途でも使用されてきました。

燃料電池車（FCV）では水素と酸素を反応させて、動力となる電気を作りだします。一方水素エンジン搭載車（内燃機関車）ではエンジン内で水素を直接燃焼させ、その熱エネルギーを動力として使用します。

【水素自動車のタイプ】

水素から動力源を得る方法

動力源

燃料電池車

(FCV)

発電

（水素と酸素を結合させて電気をつくる）

電気エネルギー

水素エンジン車

(内燃機関車)

燃焼（水素を直接燃焼させる）

熱エネルギー

水素に危険性はないのか？

水素は、容易に酸素と反応する（＝燃焼しやすい）可燃性の気体です。そのため、その性質を正しく理解したうえで扱う必要があります。

「水素は爆発するから危険」というイメージを抱く方も多いかと思いますが、これは「水爆（原爆の核分裂よりも大きなエネルギーを出す核融合を用いた爆弾）」と「水素爆発」を混同していることによる誤認といえます。

甚大な被害をもたらす水爆を起こすには原爆の使用が不可欠であり、水素が漏れただけでは水爆は起こり得ません。一方水素爆発は空気中に漏れた水素が圧縮され、爆発的に燃焼した現象を指します。ただ水素爆発は常温・常圧では規模が非常に小さく、燃焼の程度でいえばガソリンのほうが大きく危険です。

量産型燃料電池車（FCV）のMIRAIを販売するトヨタでは、燃料としての水素の安全性を証明する要素として以下の点を挙げています。

【水素の安全ポイント】

・発火温度が527℃と高く、自然発火しにくい（ガソリンは300℃）
・水素は空気の約14分の1と非常に軽く、もし漏れたとしても空気中で拡散してすぐに薄まってしまうため、空気中の水素が発火する状況は起こりにくい

※参考：水素の疑問に答えます｜トヨタイムズ

水素は正しく扱えば、ガソリンや石油などと同じく安全に使用することができるのです。

水素エンジンで車が動く仕組みは？

前項でも少し触れたとおり、水素を燃料とする自動車である「燃料電池車（FCV）」と「水素エンジン搭載車（内燃機関車）」では駆動の仕組みが異なります。

燃料電池車（FCV）と水素エンジン搭載車の仕組み、両者の違いは以下の通りです。

【水素エンジン車と燃料電池車の仕組み】

動力源

仕組み

水素エンジン車

内燃エンジン

水素と空気中の酸素を結合させて「燃焼爆発」を起こし、熱エネルギーを作りだす

燃料電池車

(FCV)

電気モーター

水素と空気中の酸素を結合させて「水と電気」を作りだす

水素エンジン車と燃料電池車（FCV）は燃料こそ同じであるものの、原理は全く異なります。水素エンジン車は水素がもたらす燃焼によって得られる熱エネルギーを動力とする内燃エンジン車であるのに対し、燃料電池車（FCV）は電力モーターで駆動する電気自動車です。

水素エンジン車では、既存のガソリンエンジンやディーゼルエンジンをほぼそのままの状態で流用できるため、燃料電池車（FCV）に比べてコストを大きく削減できます。また低純度の水素を使用できるため（燃料電池車の場合は純度99.97％以上の水素しか使えない）水素の生成コストの大幅な削減も期待されています。

燃料電池車（FCV）のMIRAIは最安値のモデルでも約700万円以上と高額であり、普及がなかなか進まないのが現状です。量産化が進めば価格が下がる可能性はありますが、燃料電池の製造コストは非常に高くエンジン車並みの水準に下げることは難しいでしょう。

水素エンジン車であれば既存のガソリンエンジンなどを応用できるうえ、水素燃料においてもガソリンのレギュラーとハイオクのような使い分けができるため、車体価格が安く維持費がそれほどかからない庶民的な車として広く普及する可能性があります。

カーボンニュートラルを実現する次世代カーには、水素自動車のほかに電気自動車があります。次項では、電気自動車と水素自動車の仕組みの違いについて解説します。

電気自動車と水素自動車の仕組みの違い

画像出典：photo AC

本項では、電気自動車と水素自動車の仕組みの違いを見ていきます。

なお、水素自動車の一種である水素エンジン車（内燃機関車）は市販化が実現しておらず、現在一般ユーザーが入手することはできません。そのため、本項では水素エンジン車は省き、「電気自動車と燃料電池車（FCV）」の2つを比較することとします。

【電気自動車と水素自動車（燃料電池車）の仕組み】

電気自動車：内部に搭載した蓄電池に電気を充電して駆動する
燃料電池車：水素を燃料にモーターを回転させて走行する

【電気自動車と水素自動車（燃料電池車）の違い】

	電気自動車	燃料電池車
発電機能の有無	なし（蓄電のみ）	あり
航続距離	約400km	約650km～750km
燃料の補給にかかる時間	家庭用充電：一晩程度急速充電：約10分～1時間程度	約3分程度
燃料の補給方法	ステーション家庭	水素ステーション

電気自動車の航続距離（燃料補給1回あたりの走行可能距離）は約400km程度であるのに対し、燃料電池車は約650km〜750km程度とガソリン車並みの長距離走行を可能としています。これは、燃料電池車の燃料電池に動力を自己生成できる発電機能がついているためです。

また、燃料補給に要する時間についても、燃料電池車はガソリン車と同水準です。日常的な使い勝手に関しては、燃料電池車はガソリン車と遜色ないといってよいでしょう。

ただ、水素燃料の補給場所（水素ステーション）の整備がなかなか進んでおらず、この点が電気自動車に比べて燃料電池車の普及率が著しく低い結果につながっています。

燃料電池車（FCV）と電気自動車との違いについて詳しく知りたい方は、こちらの記事もぜひ参考にしてみてください。

次項では、ガソリン車から水素自動車に乗り換えた場合にどのような点が変わってくるのか、詳しく解説していきます。

ガソリン車から水素自動車に乗り換えたらなにが変わる？

画像出典：photo AC

電気自動車に次ぐエコカーとして近年注目を集める水素自動車ですが、実際に水素自動車を使うようになったら、一体何が変わってくるのでしょうか。本項では、ガソリン車から水素自動車に乗り換えた場合に変わってくるポイントを、ユーザー視点で解説していきます。

CO2排出量がほぼ0になる

従来のガソリン車は、燃料となるガソリンと空気をエンジンに取り込んで爆発を起こすことで走行するため、二酸化炭素を排出します。一方、水素自動車（燃料電池車）は水素を燃料に電力を生成して駆動するため、動力生成の過程で排出するのは水（水蒸気）のみです。

また水素エンジン車もガソリンと混ぜない純度100％の水素を燃料として使用するため、燃料電池車と同じく走行時に二酸化炭素はほとんど排出しない設計となっています。

参考として、トヨタが公表している燃料電池車（FCV）MIRAIの環境仕様を以下に紹介します。

【トヨタ MIRAIの環境仕様】

走行時CO2排出量	0g/km
鉛	1996年比1/10以下
水銀	2005年1月以降使用禁止
カドミウム	2007年1月以降使用禁止
六価クロム	2008年1月以降使用禁止

※鉛・水銀・カドミウム・六価クロムは、人体に悪影響をもたらす有害物質。「環境負荷物質」として、使用を削減、禁止することが強く求められている。

参考：水素は、未来のクルマと社会のエネルギー-TOYOTA

車の騒音が少なくなる

燃料電池車（FCV）にはエンジン（内燃機関）がないため、走行時の騒音や振動がありません。参考として、トヨタが公表している燃料電池車（FCV）MIRAIの車外騒音値を以下に紹介します。

【トヨタ MIRAIの車外騒音】

加速走行騒音	70db（規制値）
定常走行騒音	ー
近接排気騒音	ー

※定常走行騒音とは、一定の速度（日本では通常50km/h）で走行し、20m区間の騒音の最大値をマイクロフォンで測定するもの。近接排気騒音とは、停車時に排気管開口部から出る騒音のこと。

参考：MIRAI｜トヨタ

現在、日本では不正マフラーへの改造を徹底して禁止するため、非常に厳しい騒音規制基準を設けています。この基準をクリアしたものでなければ、日本で販売することはできません。

現行でも相当に厳しい騒音規制ですが、2022年10月からはさらに規制値が引き上げられる見込みです（詳細は未定）。規制が厳しくなった場合、ほとんどのガソリン車は廃止に追い込まれると予想されています。

トヨタのMIRAIは騒音規制の基準値をクリアしており、ほとんど無音の中での快適走行を楽しむことができます。

燃費の概念が変わる

水素は気体であるため、ガソリンのようにリッター換算ではなくキログラム換算となります。したがって、燃費は1㎏あたりの走行距離数kmを指す「km/kg」の単位を使用します。

トヨタ MIRAIの水素タンク総容積は141L、約5.6㎏の水素を貯蔵することができます。航続距離（1回の燃料満タン補給で走行できる距離）はバッテリーのみで750〜850km、燃費は134〜152km/kgです。

水素の燃料代は水素充填量と水素ステーションごとの単価によって異なりますが、4〜5gの水素充填で約5,000前後が相場となっています。

2021年6月時点の水素ステーションにおける水素の販売価格はおよそ1,210円/kg（税込）で、現在のハイオクと同水準です。

これを前出のトヨタ MIRAIに当てはめると、1,210円×5.6㎏＝6,776円（税込）となります。

現段階では、水素自動車の燃費性能、航続距離は、ガソリン車に及びません。

しかし、トヨタの新型MIRAIの航続距離は約850kmと初代モデルよりも30％ほど伸びており、最近ではフランスで航続距離1,000kmを達成しています。今後の技術進化によっては、ガソリン車に相当する燃費性能、航続距離を獲得する日もそう遠くはないでしょう。

以下の記事では、水素自動車の仕組みと電気自動車、ガソリン車との違いを詳しく解説していますので、ぜひ参考にしてください。

関連：水素自動車の仕組みとは？電気自動車やガソリン車と何が違うかも解説

水素ステーションで燃料を補給する

水素自動車（燃料電池車）は、各地に設置された水素ステーションで燃料を補給します。水素ステーションは、4大都市圏を中心に全国に159か所設置されています。

【水素ステーションの設置数（2022年5月時点）】

地域	設置数	都道府県（設置数）
首都圏	59か所	茨城県（1）栃木県（1）群馬県（1）埼玉県（11）千葉県（5）東京都（23）神奈川県（16）山梨県（1）
中京圏	46か所	岐阜県（6）静岡県（4）愛知県（33）三重県（3）
関西圏	19か所	滋賀県（1）京都府（3）大阪府（9）兵庫県（3）奈良県（1）和歌山県（2）
九州圏	14か所	福岡県（10）佐賀県（1）熊本県（1）大分県（1）鹿児島県（1）
その他	21か所	北海道（3）宮城県（2）福島県（4）新潟県（1）富山県（1）福井県（1）長野県（1）岡山県（1）広島県（2）山口県（1）徳島県（3）香川県（1）

現在日本で運用されている水素ステーションには、ガソリンスタンドと同じ「定置式」とトレーラー移動が可能な「移動式」の2つがあります。さらに定置式水素ステーションは、「オンサイト方式」と「オフサイト方式」の2つに分けられます。

【定置式水素ステーションの種類】

種類	特徴	例
オンサイト方式	都市ガスやLPガスなどを使用して、水素ステーション内で水素を製造する方式	とよたエコフルタウン水素ステーション
オフサイト方式	あらかじめ製油所や化学工場などで製造された水素をステーションに運搬してくる方式	イワタニ水素ステーション芝公園

【移動式ステーションの特徴】

特徴	例
大型トレーラーに水素供給設備を積んで移動する方式	みえ水素ステーション四日市

水素ステーションは、上記の四大都市圏と四大都市圏を結ぶ幹線沿いを中心に整備が進められており、今後も拡大していく見込みです

車検の点検項目が増える

現在個人が入手できる水素自動車である燃料電池車（FCV）は、一般の点検に加えてFCV特有の点検を受ける必要があります。

燃料電池車（FCV）特有の点検項目は、以下の通りです。

【燃料電池車（FCV）特有の点検項目】

部位	点検項目
インバータ	水量、水漏れ
燃料供給装置	導管・継手部のガス漏れガス容器取り付け部の緩み
冷却装置	水量、水漏れ
エア供給装置	エアクリーナエレメントの状態
水素センサ	水素センサの検知機能

参考：MIRAI専用メンテナンスプラン

【トヨタ MIRAIの車検整備料金表】

24カ月定期点検（FCV専用点検含む）	45,650円
FCV容器再検査	7,150円
継続検査	7,700円
検査代行手数料	9,900円
車検整備料合計	70,400円

参考：MIRAI専用メンテナンスプラン

車のことなら楽天Carにおまかせ！

画像出典：photo AC

この記事では、水素エンジン車について詳しく解説しました。

水素エンジン車は現在開発の段階にあり、実用化のめどは立っていません。もし、実用化が叶えば、ガソリン車と同等の利便性を持つ究極のエコカーとして広く普及していくことが期待されます。

現在、個人が入手できる水素自動車の一種である燃料電池車（FCV）は、これまでの課題であった水素ステーションの整備が進んでいることで、徐々に普及が進んでいます。そのため、車の買い替えや新車の購入時に水素自動車を候補として検討する方も増えてきているのが現状です。

楽天Carでは、車の購入から車検・メンテナンス（洗車コーティング・キズ修理・タイヤ交換）・売却まで、様々なシーンであなたのカーライフをお得にするサービスを提供しています。

楽天Car車検：掲載店舗数ナンバーワンの車検予約サイト。ENEOSやオートバックスなどたくさんの車検店舗の中から車検費用や口コミを比較し、かんたん見積もり申し込み！期間限定キャンペーンで最大2,500ポイント獲得も！

　＞楽天Car車検はこちら

楽天Car洗車・コーティング：手洗い洗車＆コーティング予約サイト。ネット価格であのKeePerコーティングもお得に実施。しかも実施金額に応じて楽天ポイントが貯まって嬉しい！手洗い洗車でもコーティングでも賢くポイント貯める人が増えてます。

　＞楽天Car洗車・コーティングはこちら

楽天Carキズ修理：キズ・へこみ直しの比較・予約サイト。写真を送るだけで修理金額目安が分かる便利な『画像診断』！実施金額に応じて最大10,000ポイント獲得も！あなたにぴったりなお店がきっと見つかります！

　＞楽天Carキズ修理はこちら

楽天Carタイヤ交換：楽天市場で購入したタイヤをご希望の取付店へ直送！タイヤ交換までをセットで提供するサービスです。交換作業料は全国一律で楽天ポイントも貯まります。

　＞楽天Carタイヤ交換はこちら

楽天Carオークション：信頼度の高い中古車販売店が多数登録しているオークション形式の中古車買取サービス。出品手数料や査定費用、名義変更の代行手続きや売却時のサポートも全て無料です。最低希望落札価格を自分で設定できるので納得の価格で売却できます。

　＞楽天Carオークションはこちら

楽天Carの中古車販売：すべての車両に楽天Car保証が1年無料、全車ドラレコ標準装備、“正直”キズ写真も満載なので安心して買うことができ、もちろん楽天ポイントも貯まります。

　＞楽天Carの中古車販売はこちら

いずれのサービスも、楽天ポイントが進呈されますのでぜひチェックしてみてくださいね。

よくある質問

Q1:水素エンジンの仕組みとは？

A:水素エンジンでは、車の内部に搭載されたエンジンに水素と酸素を取り込んで動力となる熱エネルギーを作りだします。

Q2:電気自動車と水素自動車の仕組みの違い

A:電気自動車は内部に搭載した蓄電池に電気を充電して駆動しますが、燃料電池車は水素を燃料にモーターを回転させて走行します。

Q3:ガソリン車から水素自動車に乗り換えたらなにが変わる？

A: ガソリン車から水素自動車に乗り換えると、CO2排出量がほぼ0になる・車の騒音が少なくなる・燃費がリッター換算ではなくキログラム換算になる・水素ステーションで燃料を補給する・車検の点検項目が増える、といったことが変わります。

参考サイト

充電スポット／水素ステーション（参照日：2-22–5-16）
http://www.cev-pc.or.jp/lp_clean/spot/

水素の疑問に答えます｜トヨタイムズ（参照日：2022-05-16）
https://toyotatimes.jp/spotlights/037.html#:~:text=%E3%81%9D%E3%81%97%E3%81%A6%E7%87%83%E8%B2%BB%E3%81%AF%EF%BC%9F-,FACT%206.%E6%B0%B4%E7%B4%A0%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E3%81%A7%E3%81%AE%E8%B2%A9%E5%A3%B2%E4%BE%A1%E6%A0%BC%E3%81%AF%E3%81%8A%E3%82%88%E3%81%9D,%E7%A8%8B%E5%BA%A6%E3%81%A7%E5%85%85%E5%A1%AB%E3%81%8C%E5%8F%AF%E8%83%BD%E3%80%82

水素ってなんだっけ？｜株式会社 ENEOS水素サプライ＆サービス（参照日：2022-05-16）
https://www.eh.jx-group.co.jp/hydrogen-energy/what-is-hydrogen/#link01