燃料電池自動車

燃料電池自動車（ねんりょうでんちじどうしゃ）は、搭載した燃料電池で発電し、電動機の動力で走る電気自動車を指す。燃料電池に水素やメタノールなどを使用する。燃料電池の乗り物を総称してFCV（）といい、燃料電池自動車がFCVとして言及される場合が多い。走行時にCO2を排出しないゼロエミッション車の1つ。
分類と規格.
燃料電池自動車は燃料電池と規格とにより分類され、他には定置型燃料電池の用途や可搬型燃料電池の用途の規格がある。
車載用燃料電池の詳細.
すべての燃料電池は一般的な電池と同様に電解質、正極、陰極の3つの部品で作られている。燃料電池の機能は既存の蓄電池と似ているが充電の代わりに燃料を補給し、酸素は大気中から調達される。水素を燃料とするものとして、固体高分子形（PEFC）、ダイレクトメタノール形、リン酸形、炭酸溶融塩形、固体酸化物形（SOFC）、再生型など、異なる種類の燃料電池がある。車載用燃料電池には一般的に水素を80 - 90℃で反応させるPEFCが用いられるが、低温でも高い活性を持つ触媒の利用が求められることから白金などの希少触媒を使用する必要があり車載用燃料電池が高価なものとなってしまっている。白金の代わりにカーボンアロイを用いる技術や、白金そのものの凝集を抑えて使用量を減らす技術、トラックやバスでの利用を想定して700 - 800℃で反応させるSOFCの車載化などが現在検討されている。
水素燃料電池自動車.
水素燃料を用いる燃料電池自動車は、充填した水素と酸素を化学反応させて発電し、その電力で電動機を動かし走行する自動車。
2000年代から公道上での使用が始まった。乗用車で2022年現在日本国内でリース含め市販されている車種は、トヨタ・MIRAI、メルセデス・ベンツ・GLC F-CELL、ヒュンダイ・ネクソの3車種である。商用車においてはトヨタ・FCバスなどバス車両として納入されている。ホンダ・クラリティ フューエル セルもあったが、2021年8月に製造を中止している。
日本では、購入者に対して1台あたり200 - 300万円の補助金が支給される見通しである。自治体では愛知県が補助金を支給することを発表している。
歴史.
1959年にHarry Ihrigによって出力15kWの水素燃料電池を備える製のトラクターが始めて製造された。
道路を走行できる最初の燃料電池自動車は、1966年（昭和41年）にゼネラルモーターズによって製造されたElectrovanだった
。Electrovanは極低温のタンクに充填された液体水素と液体酸素を使用して一充填での走行距離が240 kmで最高速度は110 km/hだった。固体高分子形燃料電池はユニオンカーバイト製で定格出力は32 kWで短時間では160 kWの出力で90 kWの三相交流電動機を駆動した。しかし当時は普及にはいたらず、開発は中断した。
日本においては1972年（昭和47年）、工業技術院大阪工業試験所、ダイハツ工業、パナソニックの共同により燃料電池自動車の試験が行われた。これは水素を水加ヒドラジンから得る方式で、電気自動車（軽トラック）の荷台に燃料タンクと燃料電池を載せたものだった。
1980年代末頃からカナダのベンチャー企業である Ballard Power Systems 社 （Ballard 社）による自動車用 PEFC の研究が注目を浴びるようになり、Benz 社が Ballard 社に資本参加した頃から，FCV が注目を集めるようになった。FCV を市販したのはこれが世界で初めてとなる。
2000年にフォードがフォーカスFCVのプロトタイプを発表。当時は水素の技術がまだ初期段階であったため、アルコールなどを燃料とし、改質器によってそこから水素を取り出すものが多かった。
2002年10月に本田技研工業(ホンダ)がホンダ・FCXをリース販売を、同年12月にトヨタ自動車がトヨタ・FCHVを日本とアメリカでそれぞれ限定リースを開始。
2003年9月に、三菱自動車が当時の親会社のダイムラー・クライスラー製の燃料電池システムを搭載したバンのグランディスで公道試験を行った。12月にはメルセデス・ベンツ・AクラスをベースとしたF-CELLがリースにより発売した。また同時期には当時GM（ゼネラル・モーターズ）の傘下であったオペルがFCVバンを開発。2005年にはドイツのイケア家具がこれを運用していた。
2004年3月には日産自動車がエクストレイルFCVのリース販売を開始。
2006年11月、BMWが760Li（E66）をベースに燃料電池車を開発しロサンゼルスモーターショーでお披露目。2006年末に100台が限定生産。
2007年にフォードが、プラグインハイブリッドシステムと燃料電池を同時採用したエッジ ハイドロゲン ハイブリッドを公開。しかしこれは発売には至らなかった。
2013年2月に現代自動車は、ヒュンダイ・ツーソンでライン生産を開始し、年間1000台の生産を目指すと宣言したが、2015年5月までに生産されたのは韓国国内向けや米国向けなどすべてを含めてもわずか273台、10分の1にも達しなかった。1回の充填での航続距離は約415キロメートルとされている。なお、2014年6月に航続距離を約426キロメートル(約265マイル)に伸ばすことを発表した。
2014年12月15日、トヨタは日本国内でセダンタイプのトヨタ・MIRAIを発売することを発表した。1回約3分の充填での航続距離は約650キロメートル走行するという。事前受注は日本だけで400台を超えた。
2016年3月10日、ホンダが量産型セダン「ホンダ・クラリティ フューエル セル」を発売した、1充填（3分）あたり航続距離750kmを実現している。ホンダがリースしてきたFCXクラリティより高圧の70MPaの圧縮水素タンクを採用し、トヨタ・MIRAIと共通化を果しており、水素ステーションの設備の共通化の貢献する取り組みとなっている。
2011年9月にルノー・日産自動車アライアンス（現在のルノー・日産・三菱アライアンス）とダイムラーが燃料電池自動車開発分野での共同開発に合意した。なお、ルノー・日産自動車アライアンスとダイムラーとの提携自体は2010年4月に開始されており、提携する技術分野として2011年に燃料電池自動車分野が付け加えられたものである。
2013年1月には、ルノー・日産アライアンスとダイムラーの提携にフォードが加入して拡大した。しかしこれは2018年にルノー・日産が燃料電池車の開発凍結により離脱し、フォードもダイムラーとの提携を解消したことで瓦解した。
また同時期の2013年1月には、トヨタとBMWが提携。同年7月にはホンダとゼネラルモーターズ(GM)が提携。
2018年にアウディが燃料電池開発での現代自動車との提携を発表。
2019年にトヨタと北京汽車が提携している。
2019年メルセデス・ベンツはフォードが10年前発売し得なかった、世界初の「燃料電池プラグインハイブリッド車」となるGLC F-CELLを発表し、水素インフラの整っている日欧限定でのリース販売を開始した。
2020年9月からトヨタはデンソーと共同開発した燃料電池車の実証運転を開始。さらに2022年にアサヒグループ、NLJ（日野自動車子会社）、西濃運輸、ヤマト運輸、トヨタの5社が、トヨタと日野自動車が共同開発した燃料電池大型トラックを運航する計画を発表した。
2021年にステランティスの旧PSAグループにあたるプジョー・シトロエン・オペルは商用バンの燃料電池車「eエキスパート ハイドロジェン」/「eジャンピー ハイドロジェン」「「ヴィヴァロe ハイドロジェン」をそれぞれ発売した。
2021年にボルボ・グループは「ダイムラートラックフューエルセル」の株式を50%取得した上で、ダイムラーと燃料電池システムの開発・生産を行う合弁企業を設立。さらにABボルボは2022年に燃料電池の大型トラックの試運転を開始。
2022年自動車部品メーカー大手のボッシュは米国にて大型トラック向け燃料電池スタックの生産を開始。
モータースポーツ.
WEC（世界耐久選手権、ル・マン24時間を含む）の最高クラスであるLMP1でアウディが燃料電池車を導入する計画があったが、2016年に同社が撤退したことで一度は立ち消えとなった。
アウディ撤退の年にFCVベンチャーのグリーンGTが開発した車両「H2」が、ル・マンの舞台となるサルト・サーキットで一周を走りきった。これを見たWEC運営のフランス西部自動車クラブは、2018年にグリーンGTと共同プロジェクト「ミッションH24」を立ち上げ、2024年のル・マンへの燃料電池車クラス導入を目指し、プロトタイプレーシングカーの「LMPH2G」が製作された。このマシンはしばしデモランや、公式セッションでのテスト走行を行った。
2020年にはアデス製LMP3車両をベースとする「H24」が登場。。2021年に、コロナ禍の影響で導入計画は2025年へと一年繰り下げられた。2022年ル・マンのデモランでは、最高時速290.8km/hをマークした。グリーンGT以外にも、レッドブル・アドバンスド・テクノロジーズがオレカとの共同開発でH24車両を投入することを目指している。
ル・マン以外では2020年に米国商用車大手のパッカー社が、子会社ケンワース製トラックのT680をFCV化したモデルをパイクスピーク・ヒルクライムのクラス8（ゼロ・エミッション車）にエントリーさせ、標高4,302mまでを駆け上がって完走した。このほかエコカーレースやラリー・ヒルクライムなどのタイムアタック系競技のフリークラスにトヨタ・MIRAIでのプライベーターの参戦が数例ある。
WECに参戦しているスクーデリア・キャメロン・グリッケンハウス（SCG）は、2022年に長距離デザートレースのバハ1000へ燃料電池車を投入する計画を発表していたが、実現せずに終わっている。
2023年時点では規模の大小問わずまだ燃料電池車だけのためのレースは存在していないが、EVオフロードレースのエクストリームEは、燃料電池車版の「エクストリームH」の創設計画があることを明らかにしている。
メリットとデメリット.
従来のエンジン車と比較してのメリットは、走行時に地球温暖化の原因となる二酸化炭素(CO2)や、大気汚染の原因となる一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)、硫黄酸化物(SOx)などの有害物質を排出しないゼロエミッション車である点である。
電気自動車（BEV）と比較してのメリットは、エネルギー保存性に優れ、バッテリーの自然放電による影響が少ない点が挙げられる。また水素ステーションに事前連絡や予約をして水素の圧縮作業を済ませた状態からなら充填が3分程度で済む。ただし一連の作業では約30分の所要時間を要する。
航続距離も従来はBEVより有利とされていたが、新型MIRAIの航続距離は国際基準WLTPで約650km、車体価格がより安価なBEVのテスラモデル3ロングレンジのWLTPは614kmと差はなくなりつつある。
水素燃料電池自動車の課題.
水素燃料の最大の問題はその存在意義が喪失しており、目的が曖昧化している事である。 それが表面化している問題として、2019年に全国で製造販売された水素ステーションの水素製造量5312kg/年(約600万円相当)に使われた運営補助金は約40億円(1基あたり年間4000万円)であり、大義名分で有るはずの再生可能エネルギーの利用は無く、これが常態化している事である。化石燃料由来の水素を年間600万円販売する為に、追加で40億円相当の石油・電力・消耗品・人件費等を消費している。これはまぎれもなく省エネ化に反した自動車と言える。
現状の水素は主に化石燃料から製造している。燃料電池車は走行時こそCO2やNOxを出さないが、水素は自然界には存在しないため、再生可能エネルギーによって生産された場合以外は水素の製造工程において汚染物質を発生する。
特殊技術やレアメタルが必要で車両価格が高額であり（トヨタ・MIRAIの場合、710万～860万円）、まだ走行車両が少ないため水素ステーションの数も少なく営業時間も短い。また、水素の製造・輸送に多額のコストがかかるなど、課題は多い。
水素脆化への対策も高額な維持費の原因となっている。充填にも大量の電力を消費しており、MIRAIへの1回の充填作業だけで約40kwhの消費電力を必要とする。これはテスラモデル 3 が300km走行する時に消費する電力に相当する。プレクールという水素を80Ｍpaまで圧縮と同時に-40℃まで冷却する必要があるためである。[JHFC千住水素ステーション70Mpa充填実証試験平成15年度より]。プレクールには約30分の所要時間を必要とするため、事前連絡や予約なしでは水素充填に30分以上の時間を要してしまう。 水素ステーションは安全性を確保する上で立地やタンクの設置方法、安全装置など多数の制約があり、建設費用は現状でガソリンスタンドの約4倍のコストがかかる（ガソリンスタンドの建設費用は約1億円、水素ステーションは約4億円である）。高額な水素ステーションだがその供給能力も低く1時間に2 - 3台を充填するのが限界。2020年からは1時間あたり5 - 6台の充填能力を有する水素ステーションも建設されたが、建設費が5億円を超えている。トレーラーでの移動式水素ステーションも存在するが、その輸送能力は水素20kg未満のものがほぼすべてで、抜本的な打開策にはなっていない。 またFCV自体の熱効率も30%前後であり、近年のガソリンエンジンの熱効率40%台が出てきている現状では、その優位性を見いだすことが難しくなっている。
水素ステーションの整備計画.
※水素ステーションの整備は進んでいるものの、その計画は鈍化傾向に幾度も修正されている。
燃料電池自動車の普及促進のため、購入の際の補助金や水素ステーションなどのインフラ整備などの普及促進策が採られている。2012年には、トヨタやダイムラー、GMなど世界の大手自動車企業11社が水素供給システムの規格を統一することで合意した。
水素ステーションに対しても、2013年度より水素供給設備整備事業費補助金を経済産業省から事業者に支給することにより設置数の増加を図っている。2013年夏時点での日本国内における水素ステーションの数は17ヶ所であったが、2016年3月38基、2022年5月現在、日本国内の水素ステーションは161カ所となっている。日本政府は2025年度には約320基にすることを目標にしている。
2015年2月、トヨタ、ホンダ、日産自動車の3社が水素ステーションの整備促進に向け、共同支援に乗り出すことで合意したと発表している。また同月、トヨタは水素社会の実現に向けて約5700件の燃料電池車に関する特許を無料で公開した。
世界最大の電気自動車市場である中国は、世界最大の燃料電池自動車市場も目指しているとされ、2017年に上海市政府は50カ所に水素ステーションを整備する計画を発表している。
その他の燃料電池自動車.
アルコール燃料電池自動車.
アルコールを搭載し、燃料電池で発電して走る電気自動車。アルコールを直接燃料電池に供給するもの（ダイレクトメタノール燃料電池車）と、アルコール改質器を車に搭載しアルコールから水素を得て水素燃料電池に供給するもの（水素燃料電池車）がある。
短所（内燃機関自動車との比較）.
アルコール改質型は最も複雑なシステムのため、許容できないほどの車上有効スペースの減少と重量の増加とコスト高になる
ダイレクトメタノール燃料電池車.
メタノール燃料を用いてダイレクトメタノール燃料電池で発電して電動機で走行する車。
金属燃料電池（金属空気電池）自動車.
新しい材料と構造の金属空気電池を使い電動機を駆動する自動車。エンドユーザーにとっては空気電池を一次電池のように電池パックごと交換して使い、バックエンドの再生場で金属燃料と正極電解液を交換して燃料電池として再利用する。金属空気電池は燃料密度が大きく、容量が非常に大きいので、1回の交換あたり1000km以上を走行できる。金属燃料として金属リチウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄、亜鉛などが検討されている。
貴金属フリー液体燃料電池車.
貴金属を含まない燃料電池に液体燃料を供給し、電動機で走行する車。
関連項目.
技術・原理面
参考文献.
Carr. "The power and the glory: A special report on the future of energy", page 11. "The Economist", 2008.