水素燃料電池電気自動車（FCEV）は、過去 20 年間に何度もスポットライトを浴びたり浴びなかったりした。実際、最初の FCEV（シボレー・エレクトロバン）は 1966 年に遡り、より実用的な例は 2000 年代初頭にほぼすべての主要自動車メーカーからコンセプトとして少量導入されたものである。2008年にはホンダが初めてFCEVのリース販売を開始し、2013年には現代自動車がix35 Fuel Cellを皮切りにFCEVを本格的に量産化した。いずれの場合も、FCEVの販売台数は年間わずか1万台と非常に限られており、そのほとんどは韓国、東京、カリフォルニアなど、水素燃料供給ネットワークが最も確立されている特定の市場での販売にとどまっています。では、なぜ顧客はBEV（あるいはICE）ではなく、FCEVを求めるのでしょうか。FCEVの約束は、テールパイプから水しか排出しないBEVのグリーンモビリティと、3〜5分で燃料補給ができ、満タンで長い走行距離が得られるというICE車の利便性を併せ持つことです。消費者の視点に立てば、これはまさに両者の良いとこ取りと言えるかもしれません。しかし、いつものように、悪魔は細部に宿るのです。
前回の記事で、BEVの初期段階のカーボンフットプリントは、ICEに比べて非常に大きいということをお話ししました。これは、どのような自動車にとっても重要な指標であり、多くの企業や政府がBEVをより良いものへの足がかりに過ぎないと考える理由の一端を担っている。燃料電池技術は、確かにその「より良い何か」かもしれないが、まずは「ゆりかごから墓場まで」の詳細を見てみよう。現在の推定では、FCEVの生産とリサイクルは、BEVの約40%の温室効果ガスを排出する。BEVのカーボンフットプリントは、自動車メーカーや環境保護団体だけでなく、消費者の関心事でもある。実際、SBDが6,000人以上の消費者を対象に行った2021年の調査では、ICE所有者の38%がバッテリー生産による環境影響を懸念しているのに対し、EV所有者の69%が懸念しており、EVの普及が進むにつれてカーボンフットプリントに対する意識が高まっていくことが予想されます。というわけで、最初からBEVに比べてFCEVが進むのは当然と思われるかもしれませんが、当然ながら使用段階にも目を向けなければなりません。ここがややこしいところです。
まず、燃料そのものについて見てみましょう。水素はさまざまな方法で製造することができる。水素は非常に軽い気体であるため、大気中にはあまり存在せず、空気中から集めることはできません。そこで、水素が他の元素と結合している分子から取り出す必要があります。この分子結合は非常に強力で、壊すのに多くのエネルギーを必要とします。水素の最も豊富な供給源は、2つの水素原子が1つの酸素原子と結合したH2Oとして存在する水です。この元素を簡単に分離する方法として、水に電流を流すことで分子結合を切断し、気体として放出させる電気分解という方法があります。この水素ガスの製造方法は、電力源を選ばないため、太陽光発電や風力発電など、完全に再生可能な電力源を選択することが可能である。再生可能な電力源を使用する場合、その水素は「グリーン」水素と呼ばれる。
しかし、電解は最も効率的な水素製造方法ではなく、効率は最高でも80％程度、コストは1kgあたり10ドル程度である。現在生産されている水素の大部分（約96％）は、メタン（天然ガス）の水蒸気改質によるもので、効率は最大85％、コストはわずか2ドル/kg程度である。このようにして製造された水素ガスや、その他の炭化水素原料は、「ブルー」水素と呼ばれる。ブルー水素は炭化水素を原料としているため、再生不可能であり、炭素捕捉プロセスを経なければ、一酸化炭素や二酸化炭素として大気中に大量の炭素を放出してしまう可能性がある。このような環境負荷があるため、FCEVの環境メリットを実現するためには、認定されたグリーン水素のみを使用することが重要です。現在、価格は青色水素の5倍であるため、政府の義務付けと水素製造の効果に対する消費者の意識によってのみ、商業的な成功が達成されるでしょう。
水素を製造したら、充填所まで輸送する必要がある。将来的には、長距離輸送は主にパイプラインで行われるようになるかもしれませんが、現在は冷蔵トラックによる輸送がほとんどです。もちろん、輸送や冷蔵にもエネルギーが必要で、これは特定の場所によって異なる。充填所まで輸送した後は、自動車の水素タンクに貯蔵する必要がある。水素の密度は0.07g/Lと非常に低いため、車内に貯蔵するためには極限までガスを圧縮する必要がある。例えば、トヨタ自動車の「MIRAI」は、タンクに約5kgの水素を貯蔵することができます。例えば、トヨタ自動車のMIRAIのタンクには約5kgの水素が入りますが、通常の大気圧であれば71,500リットルのタンク容量が必要で、もちろん現実的ではありません。その代わり、MIRAIのタンクは142リットルしかないので、その5kgの水素をタンクに収めるには、700気圧（10,000psi以上）まで圧縮しなければならない。この圧縮の過程でもエネルギーを消費し、水素に含まれるエネルギーの約10％のコストで廃熱を発生させます。
FCEVの動力源として水素を使用する場合、電気分解プラントで電気を水素に「変換」し、自動車の燃料電池で再び電気に戻すため、水素は電気の化学キャリアと考えることができる。しかし、この両端での変換が、プロセス全体の効率を著しく低下させる。つまり、水素と酸素の再結合で得られるエネルギーの40%は、電気ではなく熱の形で利用されているのだ。寒冷地では、この熱エネルギーを車内の暖房に利用できるため、車内を電気で暖める必要があるBEVに比べてシステム効率が劇的に向上し、その結果、走行距離が短くなる。一方、温暖な地域では、熱は大気中に放散されるだけなので、60％の効率に戻される。
燃料電池やバッテリーで発電した電気を交流波形に変換し、パワートレインのモーターを駆動する。FCEVは通常、小型バッテリーを搭載し、BEVと同様にブレーキ時の運動エネルギーを回収できるため、走行効率はほぼ同じである。しかし、一歩下がってBEVと同等のFCEVの「Well-to-Wheels」効率数値を比較すると、現時点ではFCEVがあまり有望ではないことが想像できる。両者のエネルギー源が同じ再生可能エネルギーであったとしても、FCEVの効率は40%程度であるのに対し、BEVの効率は80%に近く、これは主に送電とAC-DC変換における損失によるものである。
では、BEV の約半分の効率で、なぜ私たちは FCEV を検討しているのでしょうか？先に述べたように、FCEVの生産はBEVよりも環境に優しいので、OEMや政府にとってFCEVは非常に魅力的です。また、効率はかなり落ちるが、FCEV の燃料はすべて再生可能エネルギーで生産できるため、環境規制当局の目 にも留まりやすい。しかし、FCEVが本当に期待されているのは、自動車ではなく、むしろ長距離トラックです。このシリーズの最初の記事で説明したように、長距離トラックは、大量のバッテリーを必要とするため、最大積載量が少なく、充電時間も長くなるため、バッテリー駆動の推進力としては不向きなのです。圧縮水素は非常にエネルギー密度が高いため、燃料電池で駆動するトラックは、燃料電池で駆動する自動車と同じように、高速燃料補給、長い航続距離、低い生産炭素排出量というメリットを得ることができる。しかし、燃料電池の効率はディーゼルエンジンよりも高く、現在の技術でカーボンニュートラルな長距離トラックを実現するには、水素が唯一の選択肢となる可能性があります。
多くの政府は、水素を燃料としてだけでなく、経済全体として捉え始めており、エネルギー貯蔵や送電の基幹となり、これまで実現不可能だったエネルギーの自立を可能にする可能性があります。また、水素はクリーンな燃料として燃やすことも、アンモニアなど他の燃料の製造の基礎として使うこともできるため、非常に汎用性の高い燃料です。こうした背景から、水素の研究やインフラ整備には、フランス、ドイツ、日本、韓国など、政府からの強いサポートがあります。電解槽や燃料電池の効率が大幅に向上すれば、FCEVは最も環境に優しいパーソナルな移動手段ということになりますが、その道のりはまだまだ長いです。もうひとつの可能性は、極端な圧縮をせずに使える高密度な水素の開発である。例えば、水素と大気中の窒素からアンモニア（NH3）を製造することができます。大気圧で同じ体積の水素を含むと、水素の約1600倍にもなります。アンモニア燃料電池のプロセスには、まだ多くの解決すべき課題があります。しかし、うまくいけば、非常に高いエネルギー密度と迅速な燃料補給が可能になり、カーボンニュートラルな輸送を支え、水素ベースの経済と非常にうまく調和することができます。
