燃料電池自動車
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燃料電池自動車(ねんりょうでんちじどうしゃ、英: Fuel Cell Vehicle, FCV)とは、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。
分類と規格[編集]
燃料電池自動車は燃料電池と規格とにより分類され[1]、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[編集]
全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。[2]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。[3]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)、再生型等、異なる種類の燃料電池がある。[4]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等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。
2009年時点において、大半の自動車はガソリンを使用しており、アメリカ国内で排出される一酸化炭素の60%以上と温室効果ガスの約20%を排出している[5]。一方、燃料電池車は走行時にはCO2やNOxを出さないが、燃料電池で使用される水素が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[6]。
水素燃料電池自動車[編集]
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2020年現在市販されている車種は、トヨタ・MIRAI、ホンダ・クラリティ フューエル セル、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。
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[7]。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[8]。
歴史[編集]
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[9]。
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 [10][11][12]。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。[13]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[14]。
自動車メーカー各社の取り組み[編集]
日本国内においては、2002年12月にトヨタ自動車がトヨタ・FCHVを、本田技研工業(ホンダ)がホンダ・FCXをリース販売した。
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[15]。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[16]。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[17][18]。
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[19]。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[20]、1充填(3分)あたり航続距離750kmを実現している[21]。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[22]。
自動車メーカー各社の間で、燃料電池自動車に対する開発の技術提携の動きも盛んである。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[23]。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[24]。
また同時期の2013年1月には、トヨタとBMWが提携[25]。同年7月にはホンダとゼネラルモーターズ(GM)が提携[26]。2019年にトヨタと北京汽車が提携している[27]。
モータースポーツでは、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[28]、2016年に撤退したことで立ち消えとなっている。2018年現在まで規模の大小問わず燃料電池車だけのためのレースは存在せず、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程度に留まっている[29][30]。 「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。2002 年 12 月に は,トヨタ自動車と本田技研工業が,内閣府をはじめとする 5 省庁に,限定的ではある が直接水素形 FCV のリース販売を行った。FCV を市販したのはこれが世界で初めてと なる。その後,2003 年 12 月には DaimlerChrysler が,2004 年 3 月には日産自動車が FCV のリース販売を開始している。」[31] デンヨー株式会社とトヨタ自動車株式会社が水素で発電する燃料電池自動車を共同開発している。2020年9月から実証運転を行っている。[32]
商用車における展開[編集]

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水素ステーションの整備計画[編集]
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[33]。
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[34]。ちなみに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。2015年までに商用の水素ステーションを100ヶ所設置することが目標となっている[35]。
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[36]。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[37]。
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[38][39]。
主な車種[編集]
トヨタ・MIRAI(初代、2014年)
メリットとデメリット[編集]
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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。二次電池式電気自動車と比べてもエネルギー補給時間がエンジン車と同様に5分程度で済む点、航続走行距離が二次電池式電気自動車やエンジン車と比べても長いことがあげられる。
デメリットは、燃料を補給する水素ステーションが少ないこと、車両価格が高いことがあげられる。
長所[編集]
- ユーザーフレンドリーの観点から
- エコフレンドリーの観点から
短所[編集]
- ユーザーフレンドリーの観点から
- エコフレンドリーの観点から
- 自動車技術上の観点から
- 発電効率
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30~40%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に近く、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。
- 水素の調達
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。
- 水素の格納
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。
常~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。
- エネルギー効率
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[41]。ただし前述のように電気分解はもっともEPRの低い調達方法であるため、この値は取り得る最悪値であり、また調達方法次第で2~3倍上昇する。
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[42]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。
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[43]。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走る」と語った[44]。
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物質である[45]。
このため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。
その他の燃料電池自動車[編集]
アルコール燃料電池自動車[編集]
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。
長所(内燃機関自動車との比較)[編集]
短所(内燃機関自動車との比較)[編集]
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
- 他の方式のアルコール自動車と同じ短所
- アルコール燃料電池自動車固有の短所
- 二次電池を併用するハイブリッド車となる複雑性
- 総合効率の向上のため回生ブレーキ充電用の二次電池が必要とされる
- 改質器のために更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[編集]
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[47]。
金属燃料電池(金属空気電池)自動車[編集]
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[48][49]。
長所(内燃機関自動車との比較)[編集]
- 電池をストックでき、ある程度停電に強い。
- 車載用として最も適した燃料電池
- 金属空気電池を二次電池として使う可能性もある
- 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
短所(内燃機関自動車との比較)[編集]
- 電池本体の問題
- 車載型燃料電池にできそうな金属空気電池は新しすぎて実績が無い
- 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
- 交換式金属電極の規格化が必要
- 放電したあとの金属電極を精錬して再び金属電極とするために多大なエネルギーが必要となる
- (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
- 二次電池を併用する複雑性
- 総合効率の向上のため回生ブレーキ充電用の二次電池が必要とされる
- 寒冷地の起動用にも二次電池が必要とされる
貴金属フリー液体燃料電池車[編集]
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[編集]
- 水素自動車 - 主に水素を燃料とした内燃機関車についての項目
- エコ・ステーション#水素ステーション
技術・原理面
脚注[編集]
- ^ FC Vehicle standards
- ^ "Basics", U.S. Department of Energy, Retrieved on: 2008-11-03.
- ^ "What Is a Fuel Cell?", オンライン燃料電池情報, Retrieved on: 2008-11-03.
- ^ "Types of Fuel Cells", U.S. Department of Energy, Retrieved on: 2008-11-03.
- ^ "Fuel Cells for Transportation", U.S. Department of Energy, updated September 18, 2009. Retrieved June 7, 2010
- ^ "Fuel Cell Vehicles", Fuel Economy, Retrieved on: 2008-11-03.
- ^ 「燃料電池車、1台あたり300万円の補助金」。2014年8月7日、ハフィントン・ポスト。2014年8月10日閲覧。
- ^ 「日本は燃料電池車に手厚い補助金-米中の支援を大きく上回る」。2014年7月25日、ブルームバーグ。2014年8月10日閲覧。
- ^ “HistoryWired: A few of our favourite things”. 2009年10月23日閲覧。
- ^ “GMの水素燃料電池開発50周年を迎えて ケネディ大統領の有人月探査計画で培われた燃料電池技術を初めて転用した「Electrovan」”. ゼネラルモーターズ (2016年10月11日). 2020年11月14日閲覧。
- ^ “The First Fuel Cell on Wheels” (2008年10月21日). 2009年10月23日閲覧。
- ^ GMの燃料電池自動車について
- ^ [1]
- ^ “液体燃料を蓄電媒体とする白金フリー燃料電池自動車 ~“Love Local” 誰からも身近に愛される燃料電池自動車の実現を目指して~”. NanotechJapan Bulletin (2016年2月29日). 2020年11月14日閲覧。
- ^ 「ヒュンダイ、“究極のエコカー”で先手」。2013年2月28日、東洋経済新報社。2014年8月10日閲覧。
- ^ Tucson FCEV ready for launch 現代自動車。2014年8月22日閲覧。
- ^ "WE’VE REIMAGINED THE IDEA OF AN ELECTRIC VEHICLE." 現代自動車。2014年8月10日閲覧。
- ^ Hyundai Tuscon Fuel Cell hits Californian roads with free hydrogen gizmag。2014年8月22日閲覧。
- ^ 「トヨタ、新型燃料電池車(FCV)「MIRAI(ミライ)」を12月15日に正式発売、723万6000円。2014年11月18日 インプレス。2014年11月20日閲覧。
- ^ ホンダ公式サイト - ニュースリリース - 「新型燃料電池自動車「CLARITY FUEL CELL」を発売 〜ゼロエミッションビークルで世界トップクラスの一充填走行距離約750kmを実現〜」
- ^ “【ホンダ クラリティ フューエル セル】航続距離750km、当初目標から50kmも伸長”. Response.. (2016年3月11日) 2016年4月10日閲覧。
- ^ “ホンダのスマート水素ステーションは燃料電池車の普及を後押しする”. SankeiBiz. (2016年3月27日) 2016年4月10日閲覧。
- ^ 「次世代自動車とスマートモビリティが拓く低炭素社会」。2012年2月10日、早稲田大学大学院環境・エネルギー研究科 大聖泰弘氏 。2014年8月10日閲覧。
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- ^ 「トヨタ、BMWと燃料電池車を共同開発 次世代電池も」。2013年1月25日、日本経済新聞社。2014年8月10日閲覧。
- ^ 「ホンダ・米GM、燃料電池車を2020年めどに共同開発へ」。2013年7月3日、ロイター。2014年8月10日閲覧。
- ^ “トヨタ、中国・北京汽車と燃料電池車で提携”. 日本経済新聞. (2019年4月22日) 2019年4月27日閲覧。
- ^ [2]
- ^ 燃料電池車『MIRAI』がヒルクライムに初参戦。平均時速約100kmを記録、車体表面は鏡面仕上げ
- ^ 水素自動車でラリー! 全日本ラリーに参戦したトヨタ・MIRAIに乗った!
- ^ 平成16年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 3.燃料電池車をめぐる現象 3-1燃料電池車の開発経緯
- ^ デンヨーとトヨタ、水素で発電する燃料電池電源車を共同開発し実証運転を開始
- ^ 日本経済新聞 燃料電池車、水素供給システムの規格統一 世界大手11社、普及へ初期段階から協力
- ^ 「水素供給の形が見えてきた、3社の設備の違いとは」。2014年4月9日、ITmedia。2014年8月10日閲覧。
- ^ 「「2015年に100カ所」、商用水素ステーションの建設は間に合うのか」。2014年8月5日、日経BP。2014年8月10日閲覧。
- ^ “自動車3社が水素に支援、ステーション普及を助ける”. ITmedia. (2015年2月3日) 2016年4月10日閲覧。
- ^ トヨタが燃料電池車の特許を無償開放した本当の理由
- ^ “地方政府、FCV普及を推進 水素ステーション設置や公共バス投入計画”. フジサンケイビジネスアイ. (2018年6月28日) 2019年4月26日閲覧。
- ^ “EVだけでなく「燃料電池車」の覇権も狙う中国”. 東洋経済新報社. (2018年7月20日) 2019年4月26日閲覧。
- ^ 燃料電池車はEVに「もう勝ち目がない」は本当か Diamond online 2018年3月22日
- ^ “Efficiency of Hydrogen PEFC, Diesel-SOFC-Hybrid and Battery Electric Vehicles (PDF)” (2003年7月15日). 2009年1月7日閲覧。
- ^ “電気自動車の開発と自動車の環境効率評価”. 国立環境研究所. 2013年12月4日閲覧。
- ^ “Ulf Bossel On Hydrogen” (2006年12月11日). 2009年6月2日閲覧。
- ^ JBPRESS 2015.01.07
- ^ “エネルギー貯蔵媒体としての水素活用” (2014年5月). 2017年9月12日閲覧。
- ^ エタノール改質燃料電池車の問題点
- ^ “日本自動車研究所(JARI)平成18年度燃料電池自動車に関する調査報告書 p. 235 (PDF)”. JARI. 2018年9月9日閲覧。
- ^ 新しい構造の高性能「リチウム-空気電池」を開発 - 産業技術総合研究所 2009年2月24日発表
- ^ トヨタ、電池研究部を新設…金属空気電池などを研究 - レスポンス 2008年6月11日 (水) 22時52分発表
出典[編集]
Carr. "The power and the glory: A special report on the future of energy", page 11. The Economist, 2008.
外部リンク[編集]
- 2005 - Fueva Europa
- Bossel, Ulf "Does a Hydrogen Economy Make Sense?" Proceedings of the IEEE, Vol. 94, No. 10, October 2006
- Heetebrij, Jan. "A vision on a sustainable electric society supported by Electric Vehicles", Olino Renewable Energy, June 5, 2009
- FCVとは?-MOBY
- 燃料電池車普及のカギを握る燃料「水素」 2つの課題
- 日本政策投資銀行関西支店「水素ステーション整備に向けた今後の展望」
- 水素燃料電池自動車トピックスニュース
- デンヨーとトヨタ、水素で発電する燃料電池電源車を共同開発し実証運転を開始
- 平成16年度 燃料電池自動車に関する調査報告書 3.燃料電池車をめぐる現象 3-1燃料電池車の開発経緯
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