【H・元素#1】水素の科学と産業を見ていく

元素は実験室だけでなく、社会や産業の現場で日々使われています．本記事では水素の基礎的な性質から、製造・輸送、用途、そして市場の動向までを一望します．研究室時代に実際に元素を扱った際の感想つき．

原子番号１番、水素（H、Hydrogen）
主な製法
輸送・貯蔵
利用
関連企業
固体科学的イメージ
実際に扱ってみた感想
参考文献

リンク

原子番号１番、水素（H、Hydrogen）

水素は宇宙で最も軽い元素で、常温常圧では無色・無臭の気体です．CO₂を排出することなく多量のエネルギーを取り出せるので、次世代エネルギー源として非常に注目されています．

水素は質量あたりのエネルギー密度が非常に高く、低位発熱量（LHV）で約120 MJ/kgあります（参考：ガソリンは44.9 MJ/kg）．一方で、体積あたりのエネルギー密度は低い（液体で約8 MJ/L、700 bar圧縮でもガソリンに比べ大幅に低い）ため、輸送や貯蔵には工夫が必要です．液体にすると密度約70.8 kg/m³（−253℃付近）になります．

世界需要のほとんどは石油精製や化学産業（アンモニアやメタノール製造）に集中しています．なお、そのうちCO₂をほぼ出さない低排出水素の割合は1%未満です．

（低位発熱量（LHV）と高位発熱量（HHV））燃料を燃焼することにより得られるエネルギーには２通りの解釈があります．
１つは、燃焼時に発生する水蒸気の熱量（蒸発潜熱）を無視して算出するもので、真発熱量（net heating value）または低位発熱量（low heating value, LHV）と呼ばれます．
他方は、水蒸気の持つ熱量を考慮し加えたもので、総発熱量（gross heating value）または高位発熱量（high heating value, HHV）と呼ばれます．[1]
　　HHV　＝　LHV　＋　水蒸気潜熱

主な製法

現在の製造方法の主流は、天然ガス (主成分はメタン) を高温の水蒸気と反応させて水素を生成する天然ガス改質（SMR）で、未対策では水素1 kgあたり10〜13 kgのCO₂を排出します．石炭ガス化は中国で広く行われていますが、排出量はさらに多く、22〜26 kgに達します．これらに二酸化炭素回収・貯留（CCS）を組み合わせたブルー水素では、条件次第で3 kg程度まで削減可能です．

（天然ガス改質（SMR））1. 水蒸気改質反応
　　 $\rm{CH_4 + H_2O → CO + 3H_2}$
2. 水性ガスシフト反応
　　 $\rm{CO + H_2O → CO_2 + H_2}$

また、再生可能エネルギーや原子力の電力で水を電気分解するグリーン水素もありますが、製造には50〜58 kWh/kg-H₂程度の電力が必要で、コストや稼働率が課題です．近年では、地下から直接産出する「天然水素（ホワイト水素）」の探査もマリ、米国、豪州などで始まっています．

専用製造の約2/3は天然ガス起源、約2割は石炭（大半が中国）起源、残りは副生水素です．中でも中国は世界最大の生産・消費国で、特に石炭由来比率が高いです．

（水素の色）

水素はその算出手法やCO₂排出量などに応じて様々な「色」で呼ばれます．

グレー：化石燃料由来で作られた水素で、CO₂を回収せずそのまま大気へ放出するもの．現在もっとも一般的．

ブルー：化石燃料由来だが、発生するCO₂を回収・貯留（CCS）したもの．

ターコイズ：メタン熱分解で作られた水素．生成物に固体炭素が出るためCO₂をその場で排出しない点が特徴．

グリーン：再生可能エネルギー由来の電力で水を電気分解して得る水素．一般に最も「真に脱炭素的」とみなされる．

ピンク／パープル：原子力（核）由来の電力で電気分解して作る水素．

イエロー：太陽光発電由来の電解水素を指して使われる場合あり．

ブラック／ブラウン：石炭ガス化や石炭の化学処理で作られた水素．排出量多し．

ホワイト：地下に自然に存在する可採性の“天然水素（natural/underground hydrogen）”を指すときに使われることあり．

輸送・貯蔵

水素は質量あたりのエネルギー密度こそ高いものの、体積あたりの密度が極めて低く、常温常圧では取り扱いに向きません．そのため、輸送や貯蔵では圧縮、冷却、化学的吸蔵などの方法を組み合わせて体積を減らす必要があります．方式は大きく分けて以下の通りです．

圧縮ガス（CGH₂）：水素を350 barや700 barといった高圧にしてボンベやタンクに充填します．燃料電池車などの燃料や小規模需要地向け配送に適します．圧縮に必要なエネルギーはおおよそ2〜4 kWh/kg-H₂です．
液化水素（LH₂）：水素の融点付近の−253℃（20 K）まで冷却して液化します．密度は約70.8 kg/m³となり、常温常圧の気体に比べて約800倍の体積削減が可能です．このため大量・長距離輸送に有効であり、宇宙ロケット燃料や国際海上輸送で利用されています．
液体有機水素キャリア（LOHC）：トルエンやメチルシクロヘキサンなどの有機化合物に化学的に吸蔵し、常温常圧の液体として輸送します．通常の石油タンク・タンカーで取り扱えるためインフラ流用が可能です．
アンモニア（NH₃）：水素と窒素から合成したアンモニアは液化温度が−33℃と扱いやすく、水素キャリアおよび燃料としても利用可能です．世界的に肥料輸送のインフラが整っており、既存タンカーを流用できます．
パイプライン輸送：水素専用パイプラインは米国・欧州を中心に約5,000 km稼働しています．中距離（数百〜数千 km）・大量輸送では最も低コストな手段です．
固体吸蔵材：金属水素化物や化学吸蔵材（例：MgH₂、NaAlH₄）に水素を取り込み、常温近くで高密度に貯蔵します．現状は重量・反応速度・コスト面で商業利用は限定的．

利用

水素の最大の用途は石油精製で、水素化脱硫（HDS）・水素化分解（HC）・改質ガソリンの処理等に不可欠です．

Haber-Bosch法（N₂＋H₂→NH₃）によるアンモニア合成への需要も大きく、肥料原料としてだけでなく、今後は燃料・エネルギーキャリアとしての利用拡大が期待されています．

CO/CO₂＋H₂より合成されるメタノールは化学品や樹脂原料、MTO（メタノールからオレフィン製造）に使われます．

比較的新しい用途としては、水素直接還元鉄（H₂-DRI）による製鉄や、ガスタービンやボイラーでの燃焼、合成燃料（e-fuels）の原料などがあります．燃料電池を利用するモビリティ分野（バス、トラック、乗用車、フォークリフト）や、高純度水素を用いる半導体製造、ガラス加工、食品加工、金属熱処理などの産業用途もあります．

可燃範囲が広く（空気中4〜75%）、着火エネルギーが極めて低いため、漏えい検知や換気、防爆設計が必須です．金属脆化、火炎の可視性の低さなど、水素特有の物性をも考慮して設計・運用する必要があります．

固体科学的イメージ

水素は全元素中でも珍しく、固体中で中性原子、陽イオン、陰イオンの３つの状態をとります．

分子の水素はもちろん中性ですが、金属中に中性の水素が取り込まれる場合があります．パラジウムは特に水の吸収量が多い金属元素です．鋼鉄に取り込まれた水素は水素脆化を引き起こす要因として嫌われます．

陽イオンになった状態は電子のない原子核（プロトン）です．非常に軽く、固体の内部を動き回ることができ、特にプロトンの伝導度が高い物質をプロトン伝導体と呼びます．反対に陰イオンの状態をとることもでき、ヒドリドと呼ばれます．強力な還元剤として馴染み深いほか、近年ではヒドリド伝導体の開発も盛んです．

実際に扱ってみた感想

当然ながら常温では気体です．無味無臭無色で、仮に漏れていても人力では気づきません．

反応中に水素気流を流して還元状態を作り出すために使用しました．水素中では酸素分圧が著しく下がるため、酸素分圧を制御した実験でも使用できます．また、アルカリ土類金属と直接反応させて金属水素化物を合成したりしました．

リンク

参考文献

Hydrogen Factsheet | Center for Sustainable Systems

Hydrogen Production and Uses - World Nuclear Association

Hydrogen - IEA

Executive summary – Global Hydrogen Review 2024 – Analysis - IEA

テキストの一部にChat GPT-5を使用

[1] JOGMEC 用語解説

はじめよう固体の科学

電池、磁石、半導体など固体にまつわる話をします