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(Fuel Cell Vehicle)といい燃料電池式の飛行機や船舶も開発されている。これらもFCVである。、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。
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。
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 - 90nbsp℃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 - 800nbsp℃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。
1959年にHarry Ihrigによって出力15kWの水素燃料電池を備えるAllis-Chalmers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。
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ACO(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。
トヨタ・FCHV - 乗用車・バス
トヨタ・SORA - バス
トヨタ・MIRAI - 乗用車
ホンダ・クラリティ フューエル セル - 乗用車(生産中止)
ヒュンダイ・ネッソ - 乗用車
ヒュンダイ・エクシエントフューエルセル - トラック
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20億円であり、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20億円相当の石油・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。
充填時間は約3分で、二次電池式電気自動車の急速充電(約40分)よりかなり速く、内燃機関自動車(ICEV、エンジン車)と同等とされる。
自然放電による影響がBEVより少ない。
水素はエネルギー密度が高く、航続距離を延ばしやすい。
上記のような性質から、従来の内燃機関車に近い運用の仕方が可能である。特に大型トラックの分野では燃料電池はBEVよりも適しているとされる。
BEV同様、停止状態から最大トルクを発生させることができる。
走行時に二酸化炭素 (CO2) や窒素酸化物 (NOx) などの大気汚染の原因となる有害物質を排出しない。
電気自動車は(設備こそ必要であるものの)自宅のガレージで充電できるが、燃料電池自動車は水素ステーションまで充填しに行かなければならない。また水素ステーションは全てが赤字運用であり、民間だけの力では到底増えない試算である。
システムが複雑なため車上有効スペースの減少と重量の増加、さらには水素脆化の対策としてメンテナンスが多く消耗品も多い。充填ノズルは数百万円のコストに対して耐久性は低く、充填時の費用に大きく加算される。
実際の水素充填作業には30分以上の所要時間が必要であり、宣伝などで使われている充填3分には予約が必要である。(そもそも予約しないと充填すらできないステーションが多い)
水素充填設備にはMIRAIより大型のタンクにあらかじめ予圧予冷が必要なため、1基で1時間あたりに充填できる車両は2台から6台までである。
水素ステーションには化石燃料・電力・複雑な制御機構・専任技術者がすべて必要となり、災害時に真っ先に休業を余儀なくされる。インフラとして脆弱である。
化石燃料から水素を製造、大電力で充填、さらには水素脆化による消耗品の多さから、水素は非常に高額であり、元々安価にできるポテンシャルは存在しない。実際ここ10年で水素価格は上昇している。ガソリン車よりも数倍悪い燃費を補助金と無税で誤魔化している現状が存在する。
自然界に水素供給源は存在しない。水素生産には天然ガス改質したものがほとんどで、化石燃料から水素を生産するとガソリン自動車と大差ない環境負荷となる。
水素充填に大量の電力を消費してしまう。1回の水素充填作業で約40kWhの電力を消費してしまう。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。 [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]。
純度99.97%以上の水素しか利用できないため、副生水素はほぼ利用できない。(白金触媒の反応性維持のため)。そのため、水素以外の化合物の車載も不可能になる。アンモニアや炭化水素の分解では必ず不純物が残る。
水素脆化により車両全体に及ぶ金属劣化に対する対策が必要。
水素ステーションは全てが赤字であり、補助金目当てで建設されている。実際の数値として、2019年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の額は20億円である。また補助金の大義名分であるはずの再生可能エネルギーの利用はなく、依然化石燃料依存である。そもそも輸送困難な水素には技術的利点はない。
白金触媒の劣化や電解質を通すためのイオン交換樹脂の劣化による性能低下があり、信頼性・耐久性に問題がある。寿命も比較的少なく、商用車に搭載する場合は特殊な対策が必要となる。(例:バスでは大型のバッテリーを搭載し燃料電池の出力一定化を図り寿命を延ばしている。)しかしこの対策が行えるのは低速巡行のバスに限る。寿命や燃費の観点から燃料電池はトラックに不向きである。
実用的な水素吸蔵物質がなく水素吸蔵合金は重量あたりの充填量が少なく非常に高価。
固体高分子形燃料電池 (PEFC) は低温反応のために白金を用いた触媒を不可欠とする。
全世界の自動車を水素燃料電池車にすると、現存するすべての白金を使ってもまったく足りない。2010年現在の水素燃料電池車の白金使用量を10分の1以下に下げる必要がある。
白金は排ガス浄化触媒としても使われているので量産すれば自動車産業自体に大きな影響が出る可能性がある。
白金は高価な貴金属であるため燃料電池車が高価となる。
PEFCは白金触媒の反応性のために、高純度水素(純度99.97%以上)を必要とし、改質における未改質ガスやCOを除去しなければならない。改質器は高価で複雑なものになり車載は困難となる。
水素燃料電池自動車で一般的に利用が考えられている固体高分子形燃料電池の発電効率は30%台である。この数字はコンバインドサイクルを用いない火力発電所の効率より低く、燃料電池自動車をとりまくエコシステム全体としてみれば必ずしもエネルギー効率は高くない。(最新の新型MIRAIでの試算では、最大給電量が75kWh、搭載水素重量5.6kg、水素1kgのエネルギー量39.44kWhから導き出される発電効率は33%である)
水素は自然界に採集可能なものは存在せず、石炭燃焼の副産物である副生水素、褐炭、天然ガスの改質、バイオマス、水の電気分解などによって調達されるが、CO2の発生や効率などの課題があり、とくに大きなエネルギーを費やす水の電気分解にはその実現に際し必要な条件が多い。輸入天然ガス改質が最も効率が良いが、化石燃料から水素を生産するとガソリン自動車と大差ない環境負荷となる。詳しくは「水素」の記事を参照。
水素は体積エネルギー密度が低いため、トヨタやホンダの車両では水素を350ないし700気圧という高圧で格納するが、この圧縮には大きなエネルギーが必要となる。水素を標準状態の理想気体とみなし、かつ圧縮に伴う熱エネルギーはすべて回収でき温度変化はないものと考えても、1気圧から700気圧への圧縮には1モルあたり約15kJが必要であるから、たとえばトヨタ・MIRAIの燃料タンク122.4リットル(合計容量)分の水素を圧縮するのに要するエネルギーは16kWhにもなる。また実際の水素ステーションではプレクールによる冷却と800気圧にするMIRAIよりも大型の与圧タンクが必要となるため、消費電力はさらに多くなる(千住水素ステーションでの実証試験では70Mpa対応型で消費電力40kWhとなっている)。常圧から低圧で液体状となる有機ハイドライドやアンモニアを始めとした水素キャリアの利用も検討されているが、精製に必要となるエネルギーや純度、触媒や分離膜の耐久性といった問題もあり実用化には至っていない。
水の電気分解による水素製造へと投入するエネルギーに対する、製造された水素が貯蔵や輸送を経て動力となり最終的に車のタイヤへと伝わる駆動エネルギーの比は、2003年の資料によれば、圧縮水素を使用する場合は22%、液体水素の場合は17%にとどまる。ただし前述のように電気分解は最もエネルギー収支比(EPR)の悪い調達方法であるが、この値は取り得る最悪値であり、調達方法次第では2~3倍に改善する。
これに対し、2013年の国立環境研究所の評価によれば、従来のガソリン車の効率は13%、ガソリンハイブリッド車の効率は22%程度だが、現代のガソリンのEPRは平均して300%程度であるから、ガソリン製造に投入するエネルギーに対する駆動エネルギーのおおよその比はガソリン車で40%、ガソリンハイブリッド車で66%となる。新型MIRAIは最大給電量75kWhを5.6kgの水素から発電するため、効率33%である。
また膨大なエネルギーを使用して冷却・圧縮と運搬を行うため、「Well-to-Wheel(油田から車輪)」効率(一次エネルギーの採掘から車両走行までの効率)では、燃料電池自動車は電気自動車に比べて大幅に劣る。2009年の資料によれば、再生可能エネルギーによる電力であれば、これを用いた電気分解により水素を生成し圧縮して燃料電池自動車に充填するよりも、そのまま電気自動車へと充電するほうがWell-to-Wheell効率において3倍ほど勝る。テスラのイーロン・マスクCEOは2015年に「水素ステーションに水素を移し変える際に使う電気で、我が社の電気自動車が100km以上走る」と語った。 また2016年にテスラCEOのイーロン・マスク氏は「水素は馬鹿電池("Fool Cell"、燃料電池の英訳の"Fuel Cell"に掛けている)だ」と揶揄している。
水素はもともと、供給の不安定な再生可能エネルギーをリチウムイオンよりも軽い物質で貯蔵するために注目されたが、水素タンクの質量が100kgを超えており、電気分解に80%前後の熱効率とFCスタックによる発電で30%前後の熱効率であり、残るエネルギーが20%台になり、ただでさえ水素による走行特性のメリットはなく、むしろ一般的なリチウムイオンバッテリーと比べ、逐一発電を行う水素燃料電池は出力要求に対する反応性が劣るため、走行特性でも優位とは言えず、定置型と比べて発熱の再利用が限定的であることから、バッテリーの性能(エネルギー密度、充電時間など)が向上した際には水素による燃料電池の存在価値はなくなる。
※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。
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。
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
メタノールは金属を腐食させる/取り扱いに資格が必要
改質の際、CO2と熱が発生する
アルコール直接供給式燃料電池は水素燃料電池よりも寿命が短い(腐食性が原因)
改質器のために、さらに大容量の寒冷地の起動用に二次電池が必須とされる
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。
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。
電池をストックでき、ある程度停電に強い。
金属空気電池用の再生インフラが必要だが、水素燃料インフラより取り扱いと構築が容易である
燃料電池のフィールドでの燃料補給は困難だが、二次電池にして充電できる可能性はある
燃料電池のフィールドでの燃料補給は困難で、電池交換と再生工場が必要
(金属を再生する必要エネルギーが大きくエネルギー収支上問題があるだけでなく、工業レベルで安価に再生する技術的な目処も立っていない状況である)
燃料電池としては最もコスト安だが、既存の二次電池より安くなるか不明
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。