液体水素の密度は？kg/m3やg/cm3の数値と気化後の体積変化・用途も解説

液体水素は、次世代エネルギーとして世界的に注目を集めている物質です。

しかし、「液体水素の密度はどのくらいなのか」「気化するとどれほど体積が変わるのか」など、具体的な数値についてはあまり知られていないことも多いでしょう。

本記事では、液体水素の密度をkg/m³およびg/cm³の単位で詳しく解説するとともに、気化後の体積変化や実際の用途についても幅広く取り上げていきます。

水素エネルギーや液体水素の取り扱いに関心がある方は、ぜひ最後までご覧ください。

液体水素の密度は約70.8kg/m³（0.0708g/cm³）である

それではまず、液体水素の密度の基本的な数値について解説していきます。

液体水素の密度は、標準沸点（−253℃、約20K）における値として約70.8kg/m³とされています。

これをg/cm³に換算すると、約0.0708g/cm³となります。

液体水素は非常に軽い物質であり、同じ液体である水の密度（1000kg/m³）と比べると、その約1/14程度の密度しかありません。

液体水素は「超低温液体（極低温流体）」の一種であり、−253℃という極めて低い沸点を持つことが大きな特徴です。

この温度は絶対零度（−273.15℃）に近い領域であり、その取り扱いには専用の断熱容器や特殊な設備が必要になります。

また、液体水素の密度は温度や圧力によって変化するため、条件によって若干異なる点にも注意が必要でしょう。

kg/m³とg/cm³の換算について

液体水素の密度を表す際、単位の換算について正確に把握しておくことは重要です。

1g/cm³は1000kg/m³に相当します。

したがって、液体水素の密度0.0708g/cm³をkg/m³に換算すると70.8kg/m³となります。

工学や産業の現場ではkg/m³が使われることが多く、化学・物性の分野ではg/cm³やg/mLが使われることが多い傾向があります。

どちらの単位でも正確に扱えるよう、換算方法を押さえておくとよいでしょう。

他の低温液化ガスとの密度比較

液体水素の密度を他の低温液化ガスと比較すると、その軽さがより際立ちます。

物質	沸点	密度（kg/m³）	密度（g/cm³）
液体水素	−253℃	約70.8	約0.0708
液体ヘリウム	−269℃	約125	約0.125
液体窒素	−196℃	約808	約0.808
液体酸素	−183℃	約1141	約1.141
液体メタン	−162℃	約422	約0.422

上表からわかるように、液体水素は低温液化ガスの中でも特に密度が小さい物質です。

液体ヘリウムよりも密度が低い点は意外に思われるかもしれませんが、これは水素分子（H₂）が非常に軽い分子量（約2g/mol）を持つためです。

密度に影響する温度・圧力条件

液体水素の密度は、温度と圧力によって変化します。

例えば、加圧することで沸点が上昇し、密度が若干高くなります。

一般的に使用される標準沸点（1気圧、−253℃）の70.8kg/m³はあくまで基準値であり、高圧タンクや特殊な貯蔵条件下では異なる数値になることも覚えておきましょう。

液体水素を安全かつ正確に扱うためには、使用条件に応じた密度の把握が欠かせません。

液体水素が気化すると体積は約800倍に膨張する

続いては、液体水素が気化したときの体積変化を確認していきます。

液体水素を常温・常圧（20℃、1気圧）で気化させると、体積は液体状態の約800倍にまで膨張するといわれています。

これは他の液化ガスと比べても非常に大きな膨張比であり、液体水素の取り扱いにおいて特に注意が必要な特性の一つです。

気化膨張比の計算方法

気化後の体積変化は、液体密度と気体密度の比から計算することができます。

この計算から、1リットルの液体水素が気化すると約800リットルの水素ガスになることがわかります。

体積が急激に膨張するため、密閉容器内での気化は爆発的な圧力上昇を招く危険性があります。

液体水素の貯蔵・輸送設備には、安全弁や放出装置などの圧力管理機構が必ず設けられています。

他の液化ガスとの膨張比の比較

液体水素の膨張比を他の液化ガスと比較すると、その特異性がよく理解できます。

物質	液体密度（kg/m³）	気体密度（kg/m³）	膨張比（倍）
液体水素	70.8	0.0899	約787
液体窒素	808	1.165	約694
液体酸素	1141	1.331	約857
液体メタン（LNG）	422	0.717	約589

液体水素の膨張比は液体窒素やLNGより大きく、液体酸素と同程度の水準にあります。

この膨張特性が、水素エネルギーの輸送・貯蔵設計において重要な設計因子となっています。

気化による体積膨張が引き起こすリスクと対策

液体水素の大きな体積膨張は、さまざまなリスクを伴います。

代表的なリスクとして、密閉空間での圧力上昇による容器破損、水素ガスの漏洩による爆発・火災などが挙げられます。

これらのリスクに対応するため、液体水素設備では以下のような安全対策が講じられています。

液体水素を安全に扱うためには、物性への深い理解と適切な設備設計が不可欠といえるでしょう。

液体水素の主な用途と産業での活用事例

続いては、液体水素が実際にどのような用途で使われているかを確認していきます。

液体水素は、その高いエネルギー密度と超低温特性を活かして、宇宙開発・燃料電池・半導体製造など幅広い分野で活用されています。

宇宙開発・ロケット燃料としての液体水素

液体水素の代表的な用途として、まず挙げられるのがロケット推進剤です。

液体水素は液体酸素と組み合わせることで、非常に高い比推力（燃料効率）を発揮します。

NASAのスペースシャトルやJAXAのH-IIAロケットなど、世界の主要な宇宙ロケットに液体水素燃料が採用されてきた実績があります。

単位質量あたりのエネルギー量が非常に高い水素は、宇宙推進分野における理想的な燃料の一つとされています。

燃料電池車（FCV）と水素ステーションへの応用

液体水素は、燃料電池自動車（FCV）や水素ステーションへの応用も進んでいます。

液体水素は同じ容積のタンクに高圧ガス水素よりも多くのエネルギーを蓄えられるため、輸送効率が高いという利点があります。

特に、大量の水素を長距離輸送するトレーラーや、水素ステーションへの供給インフラにおいて液体水素の活用が広がっています。

日本でも「液体水素サプライチェーン」の構築が国家プロジェクトとして推進されており、今後のさらなる普及が期待されるところです。

半導体製造・冷却剤・医療分野への活用

液体水素はその超低温特性を活かして、半導体製造における雰囲気制御や、超電導磁石の冷却剤としても使用されています。

MRI（磁気共鳴画像法）装置に使われる超電導コイルの冷却には液体ヘリウムが主流ですが、液体水素を活用した研究も進められています。

また、水素同位体であるトリチウムや重水素を用いた核融合研究においても、液体水素の精製・供給技術が重要な役割を担っています。

このように、液体水素はエネルギー分野だけでなく先端技術分野においても欠かせない存在となっています。

液体水素の貯蔵・輸送における技術的課題と今後の展望

続いては、液体水素の貯蔵・輸送に関する技術的課題と将来の展望を確認していきます。

液体水素を実用化するにあたっては、その超低温特性から生じるさまざまな技術的課題があります。

これらの課題を理解することで、液体水素技術の現状と将来性がより明確に見えてくるでしょう。

ボイルオフガスの問題と断熱技術

液体水素の貯蔵において最大の課題の一つが、「ボイルオフガス（BOG）」の問題です。

ボイルオフガスとは、外部からの熱侵入により液体水素が自然に蒸発して発生する水素ガスのことを指します。

液体水素タンクは完全な断熱は不可能なため、常に微量の蒸発が起きており、長期貯蔵ではその損失が無視できなくなります。

これを防ぐために、真空断熱（多層断熱）構造を持つ特殊タンクが使用されています。

最新技術では、蒸発した水素を再液化する装置を組み合わせた「ゼロボイルオフシステム」の開発も進められています。

液体水素の大規模輸送インフラの整備

液体水素を社会全体のエネルギーとして活用するためには、大規模な輸送インフラの整備が必要です。

日本では川崎重工業が中心となり、世界初の液体水素運搬船「すいそ ふろんてぃあ」を開発し、オーストラリアからの液体水素輸送実証実験を実施したことは広く知られています。

この取り組みは、国際的な液体水素サプライチェーンの実現に向けた大きな一歩として注目を集めました。

今後、再生可能エネルギー由来の「グリーン水素」を液化して輸送するルートの確立が、脱炭素社会の実現に向けて重要な課題となっています。

コスト削減と液化技術の進化

現状、液体水素の普及を妨げる大きな要因の一つが製造・液化コストの高さです。

水素ガスを液化するためには、−253℃まで冷却する大規模な液化装置と大量のエネルギーが必要です。

液化に要するエネルギーは水素が持つエネルギーの約30〜40%ともいわれており、エネルギー効率の観点で課題があります。

しかし、液化プロセスの効率化・大型化や再生可能エネルギーの活用により、将来的なコスト低減が期待されている状況です。

まとめ

本記事では、「液体水素の密度は？kg/m³やg/cm³の数値と気化後の体積変化・用途も解説」というテーマのもと、液体水素に関する基礎的な物性から実用的な情報まで幅広く解説しました。

液体水素の密度は標準沸点（−253℃）において約70.8kg/m³（0.0708g/cm³）であり、水の約1/14という非常に軽い物質です。

また、気化すると約800倍の体積に膨張するという特性があり、安全な取り扱いには適切な設備と知識が欠かせません。

用途としては、ロケット推進剤・燃料電池・半導体製造・超電導冷却など、先端技術から次世代エネルギーまで多岐にわたります。

今後の脱炭素社会の実現に向けて、液体水素技術はますます重要性を増していくでしょう。

液体水素の物性・安全性・用途への理解を深めることが、水素社会の発展に貢献する第一歩となるはずです。