燃料電池自動車の設計・評価・普及に関する研究
環境経済システム学分野

36653

長谷川貴彦

1．研究背景と目的
運輸部門からの温室効果ガス排出量は 1990 年以降も増加しており、今後も排出量の増加が見込まれている。
運輸部門の排出量の 90 ％が自動車由来であり、また自動車からの CO2 排出量の 85 ％が運用時からの排出であることから、CO2 排出量の少ない低公害車の導入による運輸部門の CO2 排出削減が有効である。
本研究では次世代の低公害車の本命とされる燃料電池自動車 (FCEV) の CO2 排出削減ポテンシャルを走行エネルギシミュレータを用いて評価すると共に、FCEV 購入に関するアンケート調査のコンジョイント分析及び、実際の消費行動データに基づく車種選好モデルを利用した消費者の FCEV に対する選好調査を行い、FCEV の普及のための施策や利用方法の検討を行うことを目的とする。
2．走行時の消費エネルギー算出
まず FCEV の走行特性を把握するためのケーススタディとして小型電気自動車 MC1EV を FCEV にコンバートすることを想定し、走行時におけるエネルギー消費をシミュレーションすることを行った。走行に必要な力 Ftotal [N] は以下の式、Ftotal = Froll + Fair + Facc

(1)のように表される。式 (1) のパラメータはそれぞれ、Froll :転がり抵抗、Fair :空気抵抗、Facc :加減速抵抗を表している。式 (1) と動力伝達効率、最終減速比のパラメータより、所定の速度で走行させるために必要な力が求められ、これから所要トルクを算出することができる [1]。パラメータ中でデータが公表されていない、または直接測定することが不可能なデータに関しては走行時における電流・電圧の変化を測定することで、シミュレーション結果が測定値を再現できるように未知パラメータの値を推定した。

2.1 燃料電池システムの設計
エネルギーの流れ
電圧・電流信号の流れ設計にあたり、FC として入手可能かつ適当な出力をもつ荏原バラード社の Nexa(出力 1.2kW) を想定した。また負荷変動を平準化するた

H2

アクセル
スロットル開度

燃料電池

DC/DCコンバータ１

DC/DCコンバータ２

EMU

ウルトラ
キャパシタ

DC/DCコンバータ３めのエネルギーストレージデバイスとして、大電力を高速にやり取りするのに適しているキャパシタを採用した。設計したシステムの概略
図を図 1 に示す。

コント
ローラ

モータ

エネルギーマネージメントユニット(エネルギーマネージメントユニット(EMU)EMU)システム

図12.2 MC1-FCEV シミュレータによる試算結果
10 モード走行における CO2 排出係数の試算結果を、自家用自動車・軽自動車・原動機付自転車と比較したものを図 2 に示す。試算
結果から自家用自動車・軽自動車に対し CO2 削減効果あるが、同燃料電池システムの概略図

自家用乗用車軽自動車
原動機付自転車
MC1EV

様な輸送形態を持つ原動機付自転車に対しては CO2 削減効果がな

MC1-FCHV回生なし

いことが分かった。これは FC の発電効率が低い事と、モータ出力MC1-FCHV回生ありと FC 出力の比が適切でなかったためにキャパシタでの充放電量が0.050.0100.0150.0200.0

CO2排出係数[g-CO2/km]

250.0300.0

図 2 CO2 排出係数による比較多くなり、効率が低下したためであると考えられる。

1

表 1 車両パラメータ
空車重量1159kg
乗員[1人当たり55kg]
2人
FCHV化に伴う重量増
200kg
MC1-FCHV重量1469kg
交流同期電動機種類
モータ出力
最大出力75kW (102HP)
最大トルク
206N･m
燃料電池最大出力
80kW
純水素
種類
貯蔵方式
高圧タンク(35MPa)
燃料ボンベ容量
160 l
供給可能ガス量42.9m3種類
ニッケル水素電池
2次電池
容量
47.6Wh37.8kW
最大出力

3. 乗用車サイズの燃料電池自動車 (FCEV) シミュレータの開発
MC1EV ベースのシミュレータをベースに、乗用車サイズ (マーク相当) の FCEV シミュレータを開発した。設定した FCEV の諸元の表 1 に示す。モータ及び車両のパラメータは [1] を参考に、FC・バッ
テリ・水素関係のパラメータは既存の FCEV の値を参考にして設定した。

3.1 FC 制御システムの設計

バッテリアシストによるFC効率改善80

FC システムを最適に運用するための制御ロジックの設

70] 60W[k50ーギ40ル30
ネエ20
力10出0入V
E-10C
F-20

計を行った。図 3 に示すように FC 効率の悪い低出力域でEV 走行、出力が上昇するにつれて部分負荷による FC 運転、バッテリーのアシストによる FC 出力効率の最適化に-30-40

よって車両効率を向上を図っている。

減速エネルギーの回収

バッテリアシストによるFC発電効率の最適化
FCによる負荷追従運転
バッテリによる走行
FC最高効率出力

図 3 FC 制御システム

3.2 FCEV シミュレータによる計算結果
10・15 モード走行時において、FCEV シミュレータにより試算され自家用乗用車

た CO2 排出係数について図 4 に示す。グラフ中の FCEV の CO2 排出係数において、色が異なる部分の上限と下限は [2] に示す 4 種類の軽自動車

FC 効率目標値を用いた試算結果を示している。図 4 より、FCEV のFCEV

CO2 排出量は自家用自動車の 1/3 程度、軽自動車の 3/4 程度であり、0.0大幅な CO2 排出削減ポテンシャルが存在することが示された。

100.0200.0

CO2排出係数[gCO2/km]

300.0

図 4 CO2 排出係数による比較

3.3 消費エネルギの平均走行速度依存性
平均速度の異なる走行パターンにおける消費エネルギと CO2 排出係数の変化を図 5, 図 6 に示す。図 5 より、平均走行速度が低い領域でガソリン車よりも車輌効率が大幅に向上していることが示された。これは回生ブレーキによる減速エネルギの回収と、部分負荷効率の高い FC の特性によるものであると考えられる。また、図 6 より、平均走行速度が 50km/h 以下の領域においてガソリン車に対して CO2 排出削減効果が大きいことが示された。
1000]mk/2
OC 100g[数係
出排 10数対100]mk/JM[ギ10ルネエ
費
消10数対200.1406080100120DOE 2004年目標
DOE 2008年
目標
DOE 2015年
目標
日本 2010年目標
ガソリン自動車

1

平均走行速度[km/h]
図5消費エネルギの平均速度依存性

DOE 2004年
目標
DOE 2008年
目標
DOE 2015年
目標
日本 2010年目標
ガソリン自動車
0204060

80

100

平均走行速度[km/h]

120

図 6 CO2 排出係数の平均速度依存性2

4. FCEV 普及のための課題
FCEV 普及のための課題として、1) 車両コストの低減、2) 水素供給インフラの整備、3) 航続距離の増加、4)水素の価格低下などが挙げられる。これらの課題に対して、消費者がどのような選好を持つか把握し、FCEVの普及ににどのような利用形態や施策が有効であるかを条件付ロジットモデルを用いたコンジョイント分析による選好調査で明らかにする。

4.1 条件付ロジットモデル
条件付ロジットモデルでは、各個人は選択可能な選択肢の中から最大の効用を与える選択肢を選ぶという合理的選択行動をとること、そしてその効用は確率的に変動するというランダム効用理論を仮定する。Ui は選択肢 i を選択した時の効用、Vi は観測可能な要素 (確定項)、εi は観測不可能な要素 (確率項) とし、効用関数を式 (2) のように設定した時に確率項 εi がガンベル分布に従うとすると、プロファイルの選択肢 i を選択する
確率 Pi は式 (3) より得られる。

Ui = Vi + εi(2)Pi =exp(Vi )NPexp(Vj )

(3)

j=1

4.2 アンケートの概要

回 答 者 が 今 後 購 入 を 考 え て い る 自 動 車 の 排 気 量 ク ラ ス ご と に 、ク ラ ス 平 均 値 を 基 に し て 設 定
し た プ ロ フ ァ イ ル に 対 し て 水 素 ス タ ン ド の 水 準 ご と に 10 問 質 問 、計 20 問 に 回 答 し て も ら った 。排 気 量 ク ラ ス は 660cc 超 1500cc 以 下 、1500cc 超 2000cc 以 下 、2000cc 超 の 3 つ を 設 定 し た 。
また、プロファイルの属性と水準として 1) 水素スタンドの普及レベル
を現状のガソリンスタンド並または 20 ％、2) パワートレーンを内燃機関または燃料電池、3) 車両価格を内燃機関ではクラス標準またはその± 15 ％、FCEV では ICE のクラス標準または +15 ％、4) 航続距
離を標準または 75 ％、5) 走行費用 (燃料費) を内燃機関ではクラス標
準またはその± 25 ％、FCEV ではクラス標準または± 50 ％とした。
作製したプロファイルの例を図 7 に示す。

図 7 プロファイル例

4.3 コンジョイント分析結果

排気量別及び、1500cc 超 2000cc 以下のクラスの水素スタンド整備率による変化を分析した結果、1500cc
超 2000cc 以下のクラスは他の排気量クラスよりも、FCEV への選好が強いことが判明した。また、水素スタンド整備率の低下により、FCEV への選好が弱まる傾向が示された。
表 2 コンジョイント分析結果

660cc超～1500cc以下
2000cc超～
1500cc超～2000cc以下
水素スタンド整備率 スタンド整備率100% スタンド整備率20% スタンド整備率100% スタンド整備率100%
属性係数
T値
係数
T値
係数
T値
係数
T値
0.95
3.36 0.67
4.41 1.11
6.99 0.85
4.35
燃料電池
車両価格(円)-2.69 -2.83 -0.41 -3.24 -0.51 -4.65 -2.85 -13.39
0.03
2.80
0.02
2.95
0.02
3.19
0.02
2.95
航続距離
-0.99 -2.18 -0.47 -3.15 -0.44 -3.21 -0.90 -4.40
走行費用(円/km)
回答者数58220131
4.4 FCEV への支払い意思額
FCEV への追加的な支払い意思額の試算を図 3 に示す。試算より、1500cc 超 2000cc 以下のクラスではFCEV への強い選好を反映して平均車両価格の 2.64〜3.17 倍、660cc 超 1500cc 以下・2000cc 超のクラスではハイブリッド自動車とガソリン自動車の価格差と同等の 1.3 倍程度の追加的支払い意思額があることが示された。

3表 3 FCEV への追加的な支払い意思額
660cc超～1500cc以上
水素スタンドの整備率
100%
45.9
支払い意思額[万円]クラス平均車両価格[万円]130.0
車両価格増加率1.35

1500cc超～2000cc以上
20%
100%
312.2
412.5
190.0
2.64
3.17

2000cc超～
100%
89.4
300.0
1.30

4.5 車種選好モデルとの組み合わせコンジョイント分析から得られた SP（Stated Preference）データには市場に存在しない財に対する選好を調査できるというメリットがあるが、その反面、選択バイアスの影響や実際の選択行動を十分に反映していな
いという欠点がある。そこでコンジョイント分析から得られた消費者の選好を、販売実績と自動車の諸元データに基づいた車種選好モデルと組み合わせることで、これらの欠点を改善し、より信頼性の高い選好調査を行うことが可能となる。

4.6 シェア推定と感度分析
車種選好モデルにコンジョイント分析結果を組み合わせたモデルを用いて FCEV のシェア推定を行った結果を表 4 に示す。1500cc 超 2000cc 以下の排気量クラスでは、水素スタンドの整備率がシェアに大きな影響を与える一方で、2000cc 超のクラスではあまり影響を受けない事が判明した。
表41500cc超～2000cc以下
2000cc超～

推定シェア
推定販売台数
推定シェア
推定販売台数

シェア推定結果

スタンド整備率20% スタンド整備率100%
4.9%
5.4%
75,383
82,1110.8%
0.8%
12,45012,941

また、水素価格と FC スタック価格に対する感度分析を行った結果を図 8, 図 9 に示す。分析より、水素価格が 1500cc 超 2000cc 以下のクラスにおける FCEV シェアに大きな影響を与えることがわかった。
6.0%

6.0%

アェ4.0%
シ3.0%
定推
2.0%
1.0%
0.0%

1500cc超～2000cc以下

図8

H2=20%,
FC15000円/kW
H2=100%,FC15000円/kW
H2=20%,
FC10000円/kW
H2=100%,FC10000円/kW
H2=20%,
FC5000円/kW
H2=100%,FC5000円/kW

5.0%

H2=20%,
水素11円/Nm3
H2=100%,水素11円/Nm3
H2=20%,
水素23円/Nm3
H2=100%,水素23円/Nm3
H2=20%,水素39円/Nm3
H2=100%,水素39円/Nm3

5.0%

アェ4.0%
シ3.0%
定推
2.0%
1.0%
0.0%

2000cc超～

1500cc超～2000cc以下

2000cc超～図 9 FC スタック価格に対する感度分析

水素価格に対する感度分析

5. FCEV による CO2 排出削減と普及に向けてこれらの結果を踏まえて FCEV による CO2 排出削減効果の高い地域や利用形態、普及に有効な施策について検討を行った結果、1) 平均走行速度の低い都市圏及び頻繁に発停車を繰り返す路線バスや宅配業務への導入、2) FCEV に対する選好が強い 1500cc 超 2000cc 以下クラスへの導入、3) FC コジェネ導入促進によるスタック価格の習熟効果の実現、4) 安価な水素製造法の開発と水素関連規制の見直しによるスタンド設置数の拡大と設置費用の低減が FCEV による CO2 排出削減と普及促進に有効であることが示された。
参考文献[1] 工藤祐揮; 運輸部門における都市・地球環境改善のためのハイブリッドトロリーバスに関する研究,(2002).
[2] 馬場康子, 石谷久; 日本の条件における先端技術自動車の Well to Wheel 総合効率, (2004).
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