水素燃料電池電気自動車（FCEV）は、過去20年の間に何度か脚光を浴びたり浴びなかったりしてきた。実際、最初のFCEV（シボレー・エレクトロバン）は1966年にさかのぼるが、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がコンセプトとして少量導入した。2008年には、ホンダが初めてFCEVを実際の顧客にリース販売した。一方、ヒュンダイは2013年のix35フューエルセルからFCEVを本格的に量産した最初の自動車メーカーである。いずれの場合も、FCEVの普及は非常に限られており、年間販売台数はわずか1万台に過ぎない。一般的には、水素燃料供給ネットワークが最も確立されている韓国、東京、カリフォルニアなどの特定の市場で販売されている。では、なぜ顧客はBEV（あるいはICE）ではなくFCEVを求めるのだろうか。FCEVの約束は、BEVのような環境に優しいモビリティを提供し、テールパイプから排出されるのは水だけでありながら、ICE車のような燃料補給の利便性を持ち、燃料補給に必要な時間はわずか3～5分で、満タンでの航続距離が長いことである。消費者の視点から見れば、これはまさに両方の世界のベストを約束するものだ。しかし、いつものように、悪魔は細部に宿る。
このトピックに関する前回の記事で、BEVがICE車と比較して初期段階のカーボンフットプリントが非常に大きいことをお話した。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見ている理由を説明する一助となる。燃料電池技術は確かにその「より良い何か」になるかもしれないが、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、消費者にとっても懸念事項である。実際、SBDが2021年に6,000人以上の消費者を対象に実施した調査では、ICE所有者の38%がバッテリー生産による環境への影響を懸念しているのに対し、EV所有者は69%にとどまっており、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る可能性が高いことを示している。つまり、最初からBEVよりもFCEVの方が進むべき道は明らかだと思われるかもしれないが、もちろん使用段階にも目を向けなければならない。ここがより複雑になるところだ。
まず、燃料そのものを見てみよう。水素はさまざまな方法で製造することができる。水素はH2という非常に軽い気体であるため、大気下層には大量に存在しない。その代わりに、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る。このような分子結合は非常に強く、壊すには多くのエネルギーを必要とする。水素の最も豊富な供給源は、2個の水素原子が1個の酸素原子とH2Oとして結合した水である。これらの元素を分離する簡単な方法は、水に電流を流して分子結合を切断し、元素を気体として放出させる電気分解のプロセスである。この水素ガスの製造方法は、どのような電力源でも使用できるという点で非常に柔軟性があり、製造者は太陽光発電や風力発電のような完全に再生可能な電力源を選択することができる。再生可能な電力源を使用する場合、水素は「グリーン」水素と呼ばれる。
しかし、電気分解は水素製造の最も効率的な方法ではなく、効率は最高でも80％程度で、コストは1kgあたり10米ドル程度である。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、効率は最高85％、コストはわずか2米ドル/kg程度である。このようにして製造された水素ガスは、他の炭化水素原料と同様、「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、炭素回収プロセスがなければ、一酸化炭素や二酸化炭素の形で大気中に大量の炭素を放出する可能性がある。このような環境への悪影響があるため、FCEVが提供する環境上のメリットを実現するためには、認証されたグリーン水素のみを使用することが重要である。現在、価格は青色水素の5倍であるため、商業的な成功は、政府の義務化と水素製造の影響に対する消費者の意識によってのみ達成される。
水素を製造したら、充填ステーションまで輸送しなければならない。将来的には、長距離輸送は主にパイプラインを通じて行われるようになるかもしれないが、現在のところ、輸送のほとんどは冷蔵トラックによって行われている。もちろん、輸送と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。充填ステーションまで輸送された水素は、車の水素タンクに貯蔵される必要がある。水素の密度は非常に低い（0.07g/L）ため、車両に貯蔵するためにはガスを極限まで圧縮しなければならない。一例として、トヨタ・ミライのタンクには約5kgの水素を貯蔵できる。もしガスが標準大気圧であれば、タンクは7万1500リットルの容積を持つ必要があるが、もちろんそれは現実的ではない。その代わり、ミライのタンクは142リットルしかないため、5kgの水素をタンクに収めるには、水素を700バール（10,000psi以上）まで圧縮しなければならない。この圧縮プロセス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る。
FCEVの動力源として使用される場合、水素は電気を化学的に運ぶものと考えることができる。なぜなら、電気は基本的に電解プラントで水素に「変換」され、自動車の燃料電池で再び電気に戻るからである。残念ながら、この両端での変換はプロセス全体の効率を著しく低下させる。現代の燃料電池の効率は約60％で、水素と酸素の再結合から得られるエネルギーの40％は電気ではなく熱の形になっている。寒冷地では、この熱エネルギーを車内の暖房に使うことができ、車内の暖房に電気を使わなければならず航続距離が短くなるBEVに比べて、システム効率が劇的に向上する。しかし、温暖な気候では、熱は大気に放散されるだけで、効率は60％に戻る。
燃料電池またはバッテリーで発電された電気は、交流波形に変換され、車のパワートレインのモーターに電力を供給する。FCEVは通常、小型バッテリーを搭載しており、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「ウェル・トゥ・ホイール」効率数値を比較すると、現時点ではFCEVがあまり有望視されていないことが想像できる。両方のエネルギーの流れが同じ再生可能エネルギーで賄われていたとしても、FCEVの効率は40％程度であるのに対し、BEVの効率は80％近くである。
では、効率がBEVの約半分であるFCEVを検討する理由は何だろうか。先に述べたように、FCEVの生産はBEVよりも環境に優しいため、FCEVはOEMや政府にとって非常に魅力的である。加えて、効率ははるかに低いが、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有利に映る。しかし、FCEVが本当に有望なのは自動車ではなく、長距離トラックである。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、最大積載量を減らし、長い充電時間を必要とする膨大な量のバッテリーを必要とするため、バッテリー駆動の推進力としては不向きである。圧縮水素は非常にエネルギー密度が高いため、燃料電池トラックは燃料電池自動車と同じメリットを享受できる。効率の問題も同じであるが、燃料電池の効率はディーゼルエンジンよりも高いため、現在の技術では、水素がカーボンニュートラルな長距離トラック・フリートの唯一の選択肢となる可能性がある。
多くの政府は、水素を燃料としてだけでなく、経済全体としてとらえ始めており、エネルギー貯蔵と送電の基幹を形成し、これまで実現不可能だったエネルギー自立を可能にする可能性がある。また、水素はクリーンな燃料として燃焼させることも、アンモニアなど他の燃料を製造するベースとして使用することもできるため、非常に汎用性が高い。こうした要因から、水素の研究やインフラ整備に対する政府の支援は強力で、フランス、ドイツ、日本、韓国からの支援も増えている。研究者たちが電解槽や燃料電池の効率を大幅に向上させることができれば、FCEVは環境に最も優しい個人輸送の選択肢になるかもしれないが、その道のりは長い。もうひとつの可能性は、極端な圧縮をせずに使用できる、より高密度の水素の開発である。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る。大気圧で同じ体積の水素は、水素の約1600倍である。アンモニア燃料電池プロセスには、まだ解決すべき多くの問題があるが、適切な進歩があれば、非常に高いエネルギー密度と迅速な燃料補給を可能にし、カーボンニュートラルな輸送をサポートし、水素ベースの経済に非常にうまく適合する。
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