燃料電池車

ソウルモビリティショー2025で展示された第2世代ヒュンダイネクソ
2021トヨタ ミライ
福田BJ6123FCEVCH-1燃料電池バスが運行中

燃料電池自動車( FCV ) または燃料電池電気自動車( FCEV ) は、燃料電池を小型バッテリーまたはスーパーキャパシタと組み合わせて、車載電気モーターに電力を供給する電気自動車です。車載燃料電池は、一般的に空気中の酸素と圧縮水素を使用して電気を生成します。ほとんどの燃料電池自動車は、ゼロエミッション車に分類されます。内燃機関車と比較すると、水素自動車は、水素が通常改質天然ガスから得られる水素製造現場で汚染物質を集中させます。[ 1 ]水素の輸送と貯蔵によっても汚染物質が発生する可能性があります。[ 2 ]燃料電池は、クリーンな排出が空気の質にとって重要な屋内用途や宇宙用途など、フォークリフトを含むさまざまな車両に使用されています。燃料電池は、トラック、バス、ボート、船舶、オートバイ、自転車など、さまざまな車両で開発およびテストされています。

燃料電池を搭載した最初の道路車両は、1966年にゼネラルモーターズが発表したシボレーエレクトロバンでした。 [ 3 ] 2002年12月2日にリースを開始したトヨタFCHVとホンダFCXは、世界初の政府認定商用燃料電池車となり、[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 、2008年にリースを開始したホンダFCXクラリティは、既存モデルを改造するのではなく、量産向けに設計された世界初の燃料電池車でした。[ 7 ] 2013年、ヒュンダイモーターズは、世界初の量産燃料電池電気自動車であると主張するヒュンダイix35 FCEVの生産を開始し、 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]その後、リース専用車両として市場に導入されました。[ 11 ] [ 12 ]トヨタは2014年に世界初の燃料電池専用車であるトヨタミライの販売を開始した。 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

2020年12月現在、水素を燃料とする乗用型FCVは世界中で31,225台販売されている。[ 16 ] 2021年現在、一部の市場で市販されている燃料電池車は、トヨタ・ミライ（2014年～現在）とヒュンダイ・ネクソ（2018年～現在）の2車種のみである。ホンダ・クラリティは2016年から2021年まで生産され、その後生産が中止された。[ 17 ]ホンダCR-V e:FCEVは、2024年にリースのみで非常に限られた数量で販売されました。[ 18 ] 2020年時点で、水素インフラは限られており、米国で公的に利用できる自動車用水素燃料ステーションは50か所未満でした。 [ 19 ]批評家は、他のゼロエミッション技術と比較して、水素が自動車にとって効率的または費用対効果が高いかどうか疑問視しており、2019年にモトリーフールは次のように意見を述べています。「議論するのが難しいのは、水素燃料電池の夢が乗用車市場ではほぼ死んだということです。」[ 20 ]

カリフォルニア州の公共水素燃料ステーションの多くは水素を供給できない。[ 21 ] 2024年、ミライの所有者は、燃料電池電気自動車用の水素が入手できないことを理由にカリフォルニア州で集団訴訟を起こし、詐欺的な隠蔽と虚偽表示、カリフォルニア州の虚偽広告法違反、黙示の保証違反などを主張した。[ 22 ]

車両用燃料電池の説明と目的

すべての燃料電池は、電解質、陽極、陰極の3つの部分で構成されています。[ 23 ] 原理的には、水素燃料電池はバッテリーのように機能し、電気モーターを動かすことができる電気を生成します。しかし、燃料電池は充電を必要とせず、水素を補充することができます。[ 24 ] 燃料電池には、固体高分子電解質膜（PEM）燃料電池、直接メタノール燃料電池、リン酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、改質メタノール燃料電池、再生型燃料電池などがあります。[ 25 ]

歴史

1966年式GMエレクトロバン[ 26 ]

燃料電池の概念は1801年にハンフリー・デービーによって初めて実証されましたが、実際に機能する燃料電池を発明したのは化学者、弁護士、物理学者であったウィリアム・グローブです。グローブは1842年、「ガスボルタ電池」と名付けた実験を行い、白金触媒上で水素と酸素の電気化学反応によって電流を生成できることを実証しました。[ 27 ]イギリスの技術者フランシス・トーマス・ベーコンはグローブの研究を発展させ、 1939年から1959年にかけて様々なアルカリ燃料電池を開発・実証しました。[ 28 ]

最初の現代的な燃料電池車は、1959年頃に15キロワットの燃料電池を搭載した改造アリス・チャーマーズ農業用トラクターでした。 [ 29 ] 冷戦時代の宇宙開発競争が燃料電池技術のさらなる開発を促しました。 計画ジェミニでは、有人宇宙ミッション中に電力を供給するために燃料電池をテストしました。[ 30 ] [ 31 ] 燃料電池の開発は、アポロ計画とともに続けられました。アポロカプセルと月着陸船の電源システムには、アルカリ燃料電池が使用されました。[ 30 ] 1966年、ゼネラルモーターズは最初の燃料電池道路車両、シボレーエレクトロバンを開発しました。[ 32 ] PEM燃料電池を搭載し、航続距離は120マイル、最高速度は70マイルでした。燃料電池スタックと水素と酸素の大きなタンクがバンの後部を占めていたため、座席は2つしかありませんでした。プロジェクトはコストがかかりすぎると判断されたため、1台のみが製造されました。[ 33 ]

ゼネラル・エレクトリック社をはじめとする企業は1970年代もPEM燃料電池の開発を続けた。[ 30 ]燃料電池スタックは1980年代も、スペースシャトルを含む宇宙用途に主に限られていた。[ 30 ]しかし、アポロ計画の終了に伴い、多くの業界専門家が民間企業に移った。1990年代には、自動車メーカーが燃料電池の応用に興味を持ち、実証車両が準備された。2001年には、初の700バール（10000 PSI）の水素タンクが実証され、車両に使用できる燃料タンクのサイズが縮小され、航続距離が延長された。[ 34 ]

アプリケーション

あらゆる交通手段に対応する燃料電池車があります。最も普及している燃料電池車は、乗用車、バス、フォークリフト、資材運搬車両です。[ 35 ]

自動車

ホンダFCXは、トヨタFCHVとともに、世界初の政府認証を受けた商用水素燃料電池車です。[ 5 ] [ 4 ]
2008年式ホンダFCXクラリティ

ホンダは2008年に世界初の燃料電池自動車販売店ネットワークを設立し、当時は水素燃料電池自動車を個人顧客にリースできる唯一の企業であった。[ 36 ] [ 37 ]ホンダFCXクラリティは2008年に日本と南カリフォルニアの顧客へのリース用に導入され、2015年に販売が中止された。2008年から2014年にかけて、ホンダは米国で合計45台のFCXユニットをリースした。[ 38 ]その期間中に20台以上の他のFCEVプロトタイプとデモカーがリリースされ、[ 39 ] GM HydroGen4、[ 32 ]メルセデス・ベンツF-Cellなどがある。

ヒュンダイix35 FCEV燃料電池車は2014年から2018年までリース販売され、[ 40 ] 54台がリースされた。[ 41 ] 2018年、ヒュンダイはNEXOを発売した。[ 42 ] 2024年、ヒュンダイは欠陥のある「圧力緩和装置」による燃料漏れや火災の危険性を理由に、当時米国で販売されていたNEXO車1600台すべてをリコールした。[ 43 ]

トヨタ・ミライの日本での販売は2014年12月に開始された。 [ 44 ]価格は税抜き670万円（約57,400米ドル）で、政府の補助金200万円（約19,600米ドル）が加算される。[ 45 ]元欧州議会議長のパット・コックスは、トヨタは当初ミライ1台あたり約10万ドルの損失を出すだろうと見積もった。[ 46 ] 2017年12月現在、ミライの世界販売台数は5,300台。販売台数上位は米国が2,900台、日本が2,100台、欧州が200台だった。[ 47 ]

トヨタは2015年、水素燃料電池車および水素燃料電池充電ステーション技術に関する20年以上研究してきた5,680件の特許すべてを競合他社に無償提供し、水素自動車市場の活性化を図ると発表した。[ 48 ]ホンダクラリティフューエルセルは2016年から2021年まで生産された。 [ 49 ] [ 50 ] 2017年型クラリティは、その年にEPA（環境保護庁）によって評価されたすべての水素燃料電池車の中で、複合燃費と市街地燃費で最高の評価を受け、市街地/高速道路複合燃費はガソリン換算1ガロンあたり67マイル（MPGe）、市街地走行では68 MPGeだった。[ 51 ] 2019年、ホンダヨーロッパの井上勝志社長は、「私たちは現在、ハイブリッド車と電気自動車に重点を置いています。水素燃料電池車が登場する可能性もありますが、それは次の時代の技術です」と述べた。[ 52 ]

2017年までに、ダイムラーはバッテリーコストの低下とEVの航続距離の延長を理由にFCEVの開発を段階的に中止し、[ 53 ]水素自動車を開発していた自動車会社のほとんどがバッテリー電気自動車に重点を切り替えました。[ 54 ] 2020年までに、水素自動車を製造していたか、積極的な製造プログラムを持っていた自動車メーカーは3社のみになりました。[ 55 ] 2023年には、米国での水素自動車の販売台数は3,143台、BEVの販売台数は38万台でした。[ 56 ]クラリティは後に生産中止になりましたが、ホンダCR-V e:FCEVが2024年に非常に限られた数量でリースのみで販売されました。[ 18 ] 2024年（11月まで）、トヨタの世界販売台数は1,702台に落ち込みました。[ 57 ]

カリフォルニア州の公共水素燃料ステーションの多くは水素を供給できない。[ 21 ] 2024年、ミライの所有者は、燃料電池電気自動車用の水素が入手できないことを理由にカリフォルニア州で集団訴訟を起こし、詐欺的な隠蔽と虚偽表示、カリフォルニア州の虚偽広告法違反、黙示の保証違反などを主張した。[ 22 ]

燃費

以下の表は、2021年9月時点でEPAによって評価され、カリフォルニア州で販売されている2つの水素燃料電池車の燃費を、ガソリン換算1ガロンあたりのマイル数（MPGe）で比較したものです。[ 51 ]

水素燃料電池車の燃費（MPGe）の比較

カリフォルニア州で販売またはリース可能であり、2021年9月現在、米国環境保護庁によって評価されている[ 51 ]

車両 モデル年 組み合わせ

燃費

市

燃費

高速道路

燃費

範囲 年間

燃料費

ヒュンダイ ネックス2019～2021年 61 mpg-e65 mpg-e 58 mpg-e 380マイル（610キロ）
トヨタ ミライ2016～2020年 66 mpg-e 66 mpg-e 66 mpg-e 312マイル（502 km）
トヨタ ミライ2021 74 mpg-e 76 mpg-e 71 mpg-e 402マイル（647 km）
注:水素1kgのエネルギー含有量はガソリン1ガロンとほぼ同じです。[ 58 ]

エタノール改質装置で駆動する燃料電池

2016年6月、日産は水素ではなくエタノールを燃料とする燃料電池車の開発計画を発表した。日産は、この技術的アプローチは水素インフラよりも安価で、燃料インフラの導入も容易だと主張している。[ 59 ]この車両には水とエタノールの混合物が入ったタンクが搭載され、車載改質器に供給され、水素と二酸化炭素に分解される。その後、水素は固体酸化物燃料電池に供給される。日産によると、液体燃料はエタノールと水を55:45の割合で混合したものになる可能性があるという。[ 59 ]

バス

2022年に中国・鄭州のYutong F12

2020年現在、世界中で5,648台の水素燃料電池バスが運行されており、そのうち93.7%が中国で運行されている。[ 60 ]

1980年代後半から、バスのディーゼル排出ガスに対する懸念から、燃料電池を動力源とする実験が始まりました。リン酸燃料電池を用いた初期の実験の後、1990年代後半には水素を燃料とする燃料電池バスが都市部で試験運行されました。[ 61 ] 2000年代には、世界中の都市でバスの試験運行が開始され、欧州連合（EU）は「欧州クリーン都市交通」研究プロジェクトを支援しました。[ 62 ]

2010年代までに、世界中で水素燃料電池バスの商用導入が進められていました。[ 63 ] [ 64 ]しかし、多くの交通事業者は、購入費用と運用コストが安いバッテリー式電気バスを導入していました。 [ 65 ]しかし、バッテリー式電気バスはディーゼルバスに比べて航続距離が短く、充電に時間がかかり（すぐに充電できる水素燃料電池バスに比べて、多くの場合一晩かかる）、寒い天候では航続距離が短くなります。一部の企業は、燃料電池をレンジエクステンダーとして使用し、より大きなバッテリーやスーパーキャパシターと組み合わせることを提案しました。[ 66 ]

水素燃料電池バスは、歴史的にディーゼルバス、ハイブリッドバス、電気バスに比べて購入と運行にかなり費用がかかっていました。[ 61 ] [ 65 ]近年では、購入コストはディーゼルバスと同程度にまで削減されましたが、[ 67 ]運行コストは依然としてはるかに高いままです。[ 68 ]

現在、様々なバスメーカーが水素燃料電池バスを生産しているが[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]、2025年までにヨーロッパのほとんどの水素バスプログラムはキャンセルされるか、燃料電池バスの購入が中止されている。[ 68 ]バスメーカーは、バラードパワーシステムズやトヨタなどの水素燃料電池プロバイダーと協力してバスに電力を供給することがある。[ 69 ] [ 70 ]

フォークリフト

燃料電池フォークリフト（燃料電池リフトトラック、燃料電池フォークリフトとも呼ばれる）は、燃料電池を動力源とする産業用フォークリフトで、資材の持ち上げや輸送に使用されます。フォークリフトに使用されている燃料電池のほとんどは、 PEM燃料電池によって駆動されています。 [ 72 ]

2013年には、米国で4,000台以上の燃料電池フォークリフトが資材搬送に使用されており[ 73 ]、そのうち500台はDOE （2012年）から資金提供を受けている[ 74 ]。[ 75 ] 2024年時点で、世界中で約5万台の水素フォークリフトが稼働しており（その大部分は米国）、2021年には120万台のバッテリー式電動フォークリフトが購入されている[ 76 ]。

PEM燃料電池フォークリフトは、排出ガスを排出しないため、石油燃料フォークリフトに比べて大きな利点があります。燃料電池フォークリフトは、1つの水素タンクで8時間稼働でき、3分で燃料補給でき、寿命は8～10年です。燃料電池フォークリフトは、低温でも性能が低下しないため、冷蔵倉庫でよく使用されます。[ 77 ]設計上、燃料電池ユニットはドロップイン交換式として作られることが多いです。[ 78 ] [ 79 ]

ヤマハFC-me バイク

オートバイと自転車

2005年、英国のインテリジェント・エナジー社は、水素燃料で走る世界初の実用バイク「ENV（Emission Neutral Vehicle）」を開発した。このバイクは4時間走行でき、市街地で最高時速80km（50mph）で160km（100マイル）走行できる燃料を搭載している。[ 80 ]水素燃料電池エンジンを搭載したバイク[ 81 ]や自転車[ 82 ]の例は他にもある。スズキ・バーグマンはEUで「車両全体型式」の認可を受けた[ 83 ]。PHBは電動モーターを搭載した水素自転車である。 2008年に上海でデビューしたが[ 84 ]、水素燃料供給サービスの不足により生産中止となった。その前身は、カナダのバンクーバーに拠点を置く水素自転車「パルカン」であった[ 85 ] 。

飛行機

水素燃料電池を搭載したボーイング燃料電池デモンストレーター

ボーイング社の研究者と欧州各地の業界パートナーは、2008年2月に燃料電池と軽量バッテリーのみで駆動する有人航空機の実験飛行試験を実施した。燃料電池実証機と呼ばれるこの航空機は、プロトン交換膜（PEM）燃料電池とリチウムイオンバッテリーのハイブリッドシステムを使用して、従来のプロペラに連結された電動モーターを駆動した。[ 86 ] 2003年には、燃料電池のみで駆動する世界初のプロペラ駆動航空機が飛行した。この燃料電池は独自のフラットスタックスタック設計を採用しており、航空機の空力面に燃料電池を統合することができた。[ 87 ]

燃料電池で動く無人航空機（UAV）はいくつかある。ホライゾン燃料電池UAVは2007年に小型UAVによる飛行距離の記録を樹立した。[ 88 ]軍は、低騒音、低熱特性、高高度到達能力のため、この用途に特に興味を持っている。2009年には海軍研究所（NRL）のイオンタイガーが水素で動く燃料電池を使用し、23時間17分飛行した。[ 89 ] ボーイングは、20,000メートル（65,000フィート）で最大4日間飛行し、調査や監視を行う高高度長時間滞空（HALE）機、ファントムアイのテストを完了させている。[ 90 ] 燃料電池は、以前はエンジンの始動や機内の電力需要に電力を供給するために使用されていた化石燃料発電機に代わって、航空機の補助電源としても使用されている。[ 90 ]燃料電池は飛行機の二酸化炭素排出量やその他の汚染物質の排出や騒音を減らすのに役立ちます。

ボート

ハイドラ燃料電池ボート

世界初の燃料電池ボート「HYDRA」は、正味出力6.5kWのAFCシステムを搭載していました。平均的な船外機は、燃料1リットルあたり、平均的な現代の自動車が排出する炭化水素の140分の1しか排出しません。燃料電池エンジンは内燃機関よりもエネルギー効率が高く、航続距離が長く、排出量も大幅に削減されます。[ 91 ]アムステルダムは2011年に最初の燃料電池ボートを導入し、市内の運河で人々を運んでいます。[ 92 ]

潜水艦

燃料電池を潜水艦に初めて適用したのは、ドイツの212型潜水艦です。[ 93 ] 212型潜水艦には9個のPEM燃料電池が艦内に設置されており、それぞれ30kWから50kWの電力を供給します。[ 94 ] これにより、212型潜水艦はより長時間潜航することができ、発見されにくくなります。また、燃料電池搭載潜水艦は、原子力潜水艦よりも設計、製造、保守が容易です。[ 95 ]

電車

アルストム Coradia iLintがInnoTrans 2016でデビュー

2015年3月、中国南鉄公司（CSR）は青島の組立工場で世界初の水素燃料電池式路面電車を披露しました。[ 96 ]この新型車両用の線路は、中国の7都市で83マイル（約138キロメートル）建設されました。中国は今後5年間で2,000億元（約320億ドル）を投じ、路面電車の線路を1,200マイル（約1900キロメートル）以上に延長する計画でした。[ 97 ]

2016年、アルストムは水素燃料電池を動力源とする地域列車「コラディア・イリント」を発表しました。この列車は、水素を満タンに充填した状態で時速140キロメートル（87マイル）で走行し、600～800キロメートル（370～500マイル）走行できるように設計されています。 [ 98 ]この列車は2018年にドイツで運行を開始し、2019年からはオランダで試験運行が開始される予定です。[ 99 ]

スイスの鉄道メーカーであるスタドラーレールは、カリフォルニア州で、アロー通勤鉄道サービスの一環として、2024年に米国で水素燃料電池列車「FLIRT H2列車」を納入する契約を締結した。[ 100 ]

トラック

スイス、ヴィンタートゥールのヒュンダイ Xcient 燃料電池

長距離トラックなどの輸送用途において、燃料電池はゼロエミッション輸送の潜在的なソリューションとなる可能性があります。2022年にEnergies誌に掲載された研究では、電気トラックの充電時間と比較して比較的短い燃料補給時間と、バッテリーのエネルギー密度の現状限界を挙げていますが、「運用上の制約」には「水素製造による大量のCO2排出量」、貯蔵・燃料補給インフラの不足、水素漏れと安全性の課題、「圧縮、貯蔵、供給における効率の低下」などが含まれると指摘されています。[ 101 ]

2020年、ヒュンダイはXCIENTというモデル名で水素燃料の34トン貨物トラックの製造を開始し、スイスに10台を出荷しました。燃料タンクを満タンにすると400キロメートル（250マイル）走行でき、燃料補給には8～20分かかります。[ 102 ] 2022年には、Total Transportation Services（TTSI）、Toyota Logistics Services（TLS）、UPS、Southern Counties Express（SCE）が、ロサンゼルス地域の港湾から水素燃料電池トラックを運行する12ヶ月間の「Shore-to-Store（S2S）プロジェクト」を実施しました。[ 103 ] [ 104 ]ロサンゼルスとロングビーチで使用されているケンワースT680水素プロトタイプは2018年に発表され、シアトル地域でも試験運用されました。[ 105 ]

水素インフラ

エベルレとリットマー・フォン・ヘルモルトは2010年に、燃料電池車が他の技術と競争できるようになるまでには課題が残っており、米国には広範な水素インフラが不足していることを挙げている。 [ 106 ] 2020年7月現在、米国には公的にアクセス可能な水素燃料補給ステーションが43か所あり、そのうち41か所はカリフォルニア州にある。[ 19 ] 2013年、ジェリー・ブラウン知事は、10年間で年間2000万ドルを拠出し、最大100か所のステーションを建設する法案であるAB 8に署名した。[ 107 ] 2014年、カリフォルニア州エネルギー委員会は28か所のステーションを建設するために4660万ドルの資金を提供した。[ 108 ]

日本では2014年に初の商用水素ステーションが開設された。[ 109 ] 2016年3月時点で、日本には80の水素ステーションがあり、日本政府は2020年までにこの数を倍増して160にすることを目指している。[ 110 ] 2017年5月時点で、日本には91の水素ステーションがあった。[ 111 ]ドイツでは2015年7月時点で18の公営水素ステーションがあった。ドイツ政府は2016年末までにこの数を50に増やしたいとしていたが[ 112 ] 、 2017年6月時点で開設されていたのは30にとどまった。[ 113 ]

規格と基準

燃料電池自動車の規制枠組みは、安全性、性能、そして環境保護を確保するために設計された包括的な国際規格、国内規格、そして組織規格を網羅しています。これらの規格は、貯蔵容器から電気安全システムに至るまで、水素燃料システムの様々な側面を扱っています。

国際的な規制枠組み

国連世界技術規則第13号（GTR 13）

燃料電池自動車の国際規制の基礎は、2013年6月27日にドイツ、日本、米国の支援を受けて制定された国連世界技術規則第13号（GTR 13）である。[ 114 ] GTR 13は、車両総重量（GVM）が4,536kg以下のカテゴリー1-1および1-2のすべての水素燃料自動車に適用される。この規制は、水素燃料電池自動車が従来の燃料自動車と同等の安全性を確保することを主な目的として、国連自動車規制調和世界フォーラム（UN/WP29）によって策定された。[ 115 ]

GTR 13は、車両レベルの高電圧システム、水素貯蔵システム、水素燃料システムの3つの主要セクションで構成されています。この規則は、使用中および衝突後の両方のシナリオに対する規定を規定しています。[ 116 ]フェーズ2は、2023年6月21日に開催されたWP.29の第190回会合で採択され、適用範囲が大型車両にまで拡大されました。[ 117 ]

ISO規格

ISO 19881（ガス状水素 - 陸上車両燃料容器）：この規格には、陸上車両の運転のための圧縮水素ガスの貯蔵のみを目的とした、量産される詰め替え可能な容器の材料、設計、製造、マーキング、試験に関する要件が含まれています。[ 118 ] 2025年版は、安全基準の相互承認をサポートするために、特に火災試験プロトコルに関して、UN GTR 13 Phase 2と調和されています。[ 119 ]

ISO 23273:2013：この国際規格は、圧縮水素を燃料とする燃料電池道路車両の安全仕様と水素災害に対する保護を規定しています。[ 120 ]

国家基準と実施

アメリカ合衆国

NHTSAは、自動車における水素の貯蔵と使用に関する安全上の懸念に対処するため、2つの新たな連邦自動車安全基準（FMVSS）を提案しました。FMVSS No. 308「圧縮水素貯蔵システムの完全性」とFMVSS No. 307「水素自動車の燃料システムの完全性」です。これらの提案基準は、GTR No. 13の要件と一致しています。[ 121 ]

SAE国際規格

自動車技術協会は、燃料電池車に関するいくつかの重要な規格を策定しました。

  • SAE J2578：燃料電池自動車の安全性に関する推奨基準。燃料電池システム、水素燃料貯蔵・取扱システム、高電圧電気システムを燃料電池自動車全体に安全に統合するための要件を特定し定義しています。[ 122 ]
  • SAE J2579：燃料電池およびその他の水素自動車の燃料システムの規格。路上走行車の水素燃料貯蔵および取り扱いシステムの設計、構造、運用、保守要件を定義しています。[ 123 ]性能耐久性のテストは、この業界標準と密接に一致しています。[ 124 ]
  • SAE J2601シリーズ：SAE J2579の要件を満たす圧縮水素貯蔵システムを使用する軽自動車、乗用車、トラックの常温水素燃料供給のプロセス限界を定める規格。[ 125 ]

燃料電池技術に関するIEC規格

国際電気標準会議は、燃料電池の安全性のさまざまな側面をカバーする IEC 62282 シリーズを制定しました。

  • IEC 62282-2-100：燃料電池モジュールの構造、通常時および異常時の運転、試験に関する安全関連要件を規定し、人に危険をもたらしたり、燃料電池モジュールの外部に損傷を引き起こす可能性のある条件を扱っています。[ 126 ]
  • IEC 62282-4-101：道路車両および補助動力装置（APU）以外の推進用燃料電池電力システムの安全性を扱い、特に電動産業用トラックで使用することを意図した燃料電池電力システムの安全要件をカバーしています。[ 127 ]

技術要件と耐用年数

圧縮水素貯蔵システム

GTR13では、圧縮水素貯蔵システムの耐用年数は15年以下でなければならない。[ 128 ]システムには、水素貯蔵容器、熱作動式圧力逃し装置（TPRD）、チェックバルブ、遮断弁、およびコンポーネント間の配管と継手が含まれる。水素は通常、公称作動圧力（NWP）35 MPaまたは70 MPaで貯蔵され、最大燃料圧力はNWPの125%（それぞれ43.8 MPaまたは87.5 MPa）である。[ 129 ]

性能耐久性試験では、3つの容器を破損することなく、22,000サイクルにわたりNWPの125%まで油圧加圧する必要があります。15年の耐用年数を考慮すると、11,000サイクル以内に漏れが発生しないようにする必要があります。[ 130 ]

安全要件

主要な安全要件には水素漏洩率の制御が含まれており、衝突試験中の排気システムからの水素漏洩率は118NL/h未満であることが求められています。乗員室および荷物室の水素濃度は、体積分率で4%未満に維持する必要があります。[ 131 ]

密閉空間または半密閉空間において、空気中の水素濃度が体積比で2％±1.0％以上検出された場合には警報システムが作動し、空気中の水素濃度が体積比で3％±1.0％を超える場合には主遮断弁を閉じなければならない。[ 132 ]

世界的な調和と発展

規制、規格、基準は、商業化における技術的障壁を克服するのに役立ちます。[ 133 ]過去10年間、欧州連合、米国、カナダ、日本、中国、国際機関を含む国際的な水素コミュニティでは、車載ガス水素貯蔵用の複合タンクに関する包括的な規格の開発に重点的に取り組んできました。[ 134 ]

GTR13の実施は、燃料電池自動車と圧縮水素貯蔵システムの開発に世界的な影響を与え、燃料電池自動車産業における貿易障壁を排除するために国家基準を国際要件と整合させることが必要となった。[ 135 ]

米国の政策と資金

初期の連邦政府の取り組み（2003～2013年）

2003年、ジョージ・ブッシュ米国大統領は水素燃料イニシアチブ（HFI）を提唱した。HFIは、水素燃料電池とインフラ技術のさらなる開発を行い、燃料電池車の商業導入を加速させることを目的としていた。2008年までに、米国はこのプロジェクトに10億ドルを拠出した。[ 136 ] 2009年、当時の米国エネルギー長官スティーブン・チューは、水素自動車は「今後10年から20年は実用化されないだろう」と断言した。[ 137 ] [ 138 ] しかし、2012年には、天然ガス価格の低下と水素改質技術の進歩により、燃料電池車はより経済的に実現可能になると述べた。[ 139 ] [ 140 ]

カリフォルニアのリーダーシップとH2USAプログラム（2013）

カリフォルニア州は2013年に水素インフラ開発のリーダーとして浮上した。2013年6月、カリフォルニア州エネルギー委員会は水素燃料ステーションに1,870万ドルの助成金を交付した。[ 141 ]同年、ジェリー・ブラウン知事は州議会法案8に署名し、州全体で最大100の水素燃料ステーションを支援するために10年間で年間2,000万ドルの資金を提供する法案が提出された。[ 142 ]

同時に、米国エネルギー省は、燃料電池電気自動車や材料搬送装置などの新興用途に十分な車載貯蔵を提供するための「先進的水素貯蔵システムの継続的な開発」に、2014年度に最大400万ドルの資金提供を発表しました。[ 143 ] 2013年5月13日、エネルギー省は、米国全土における水素インフラの展開を推進することに重点を置いた官民パートナーシップであるH2USAを立ち上げました。[ 144 ]

インフラ投資・雇用法（2021年）

2021年11月15日、バイデン大統領は1.2兆ドルのインフラ投資・雇用法（超党派インフラ法とも呼ばれる）に署名し、水素産業への大規模な導入と投資を促進するための95億ドルの水素関連条項が盛り込まれた。[ 145 ]この法律は、大規模な地域クリーン水素ハブに80億ドル、クリーン水素電気分解の研究開発に10億ドル、クリーン水素の製造とリサイクルに5億ドルを認可している。[ 146 ]

地域クリーン水素ハブ・プログラムでは、原料、最終用途、地理的多様性が求められており、少なくとも1つのハブが化石燃料から、1つが再生可能エネルギーから、そして1つが原子力エネルギーから水素を生産している必要があります。最終用途の多様性要件では、ハブは発電、産業部門、住宅および商業暖房、そして輸送における水素の利用を実証する必要があります。[ 147 ]

2023年10月、バイデン政権は全米7か所の地域クリーン水素ハブに70億ドルの資金提供を発表しました。これらのH2ハブは、年間合計300万トンの水素を生産すると予想されており、これは2030年の米国の生産目標の約3分の1に達し、最終用途からの二酸化炭素（CO2）排出量を年間2,500万トン削減することになります。[ 148 ]

インフレ抑制法（2022年）

インフレ抑制法は、水素に関する重要なインセンティブを確立しました。その中には、適格なクリーン水素生産施設に対し、水素1キログラムあたり最大3ドルを支給する新たなクリーン水素生産税額控除が含まれています。[ 149 ]控除額は炭素強度に基づいており、排出量がほぼゼロの水素を生産した場合、最も高いインセンティブが適用されます。プロジェクトは、第48条に基づき、最大30%の投資税額控除を申請することもできます。[ 150 ]

この法律は、燃料電池投資に対する30%の税額控除を2024年まで延長するとともに、水素貯蔵を含むエネルギー貯蔵に対する30%の投資税額控除を新たに盛り込んでいます。さらに、代替燃料燃料供給資産税額控除の上限を3万ドルから10万ドルに引き上げ、商用車を含む燃料電池自動車に対する税額控除も対象としています。[ 151 ]

2025年1月3日、米国財務省はクリーン水素生産税額控除の最終規則を発表し、電気、炭素回収天然ガス、再生可能天然ガスなど、さまざまな供給源を使用する水素生産者に明確さと投資の確実性を提供しました。[ 152 ]

連邦政府による追加支援

インフラ投資・雇用法に基づいて設立された充電・燃料供給インフラ助成プログラムは、2024年に指定された代替燃料回廊沿いの水素燃料供給インフラの展開に対して競争的助成金を提供しました。このプログラムには推定総額13億2000万ドルの資金が含まれており、少なくとも50%は農村地域や低所得・中所得地域を優先するコミュニティ助成金に充てられました。[ 153 ]

米国エネルギー省の水素・燃料電池技術局は、手頃な価格のクリーン水素技術の研究、開発、実証、導入に最大1000万ドルの助成金を提供し、また、水素燃料電池電気自動車とその部品の国内生産のために、国内製造転換助成金プログラムを通じて最大5億ドルの助成金を提供している。[ 154 ] [ 155 ]

料金

2010年までに、燃料電池技術の進歩により、燃料電池電気自動車のサイズ、重量、コストが削減されました。[ 156 ] 2010年に米国エネルギー省（DOE）は、自動車用燃料電池のコストは2002年以降80％低下しており、大量生産によるコスト削減を前提とすると、このような燃料電池は1kWあたり51ドルで製造できる可能性があると推定しました。[ 157 ]燃料電池電気自動車は、「燃料補給間の走行距離が250マイル以上」で生産されています。[ 157 ] 燃料補給は5分未満で可能です。[ 158 ] 配備されている燃料電池バスは、ディーゼルバスよりも燃費が40％高くなっています。[ 156 ] EEREの燃料電池技術プログラムは、2011年時点で、燃料電池はフルパワーで42～53%の燃料電池電気自動車効率を達成し、[ 156 ] 75,000マイル以上の走行距離と10%未満の電圧低下を実現したと主張している。これは2006年の2倍である。[ 157 ] 2012年、Lux Research, Inc.は、「資本コストにより、2030年までに導入はわずか5.9GWに制限される」と結論付けたレポートを発表した。これは「ニッチな用途を除いて、導入にはほぼ乗り越えられない障壁となる」という。Lux Researchの分析では、2030年までにPEM定置型燃料電池の用途は10億ドルに達し、燃料電池フォークリフトを含む車両市場は合計20億ドルに達すると結論付けられている。[ 159 ]

2023年9月現在、カリフォルニア州の公共充電ステーションにおける水素の価格は1キログラムあたり36ドルで、ミライの場合、テスラ モデル3の1マイルあたりの価格の14倍となっている。 [ 160 ] 2023年のドイツの平均価格は1キログラムあたり12.5ユーロである。[ 161 ]

環境への影響

燃料電池車の環境への影響は、水素を製造するために使用された一次エネルギーによって異なります。燃料電池車が環境に優しいのは、水素が再生可能エネルギーで製造された場合のみです。[ 162 ]しかし、2024年の時点で、95%以上の水素は依然として水蒸気メタン改質法を使用して製造されています（約95%がグレー水素、残りの大部分がブルー水素、わずか約1%がグリーン水素です）。[ 163 ]さらに、燃料電池車は、1マイルあたりのエネルギー消費量がはるかに少ないバッテリー電気自動車ほど効率的ではありません。 [ 164 ]通常、燃料電池車はバッテリー電気自動車の2.4倍のエネルギーを消費します。これは、水素の製造と貯蔵が、電気を使用して直接バッテリーに充電するよりもはるかに効率が悪いためです。[ 162 ]さらに、国際気候環境研究センター（CICERO）による2023年の研究では、漏洩した水素の地球温暖化への影響はCO2の11.6倍であると推定されています。[ 165 ]

2009年時点で、自動車は米国で消費される石油の大部分を使用し、米国の一酸化炭素排出量の60％以上と温室効果ガス排出量の約20％を排出しているが、その工業用途の主であるガソリン生産に使用される水素化分解用の水素生産は、車両全体の温室効果ガス排出量の約10％を占めている。[ 166 ]純粋な水素を燃料とする自動車は、排気管からほとんど汚染物質を排出せず、主に水と熱、微量のNO x、SO x 、 NO 2、SO 2、CO、炭化水素、粒子状物質を生成する。[ 167 ]水素の製造は、再生可能エネルギーのみを使用して製造される少量を除いて、一般的に汚染物質を生成する。[ 168 ]

2006年、ウルフ・ボッセルは、天然化合物（水、天然ガス、バイオマス）から水素を分離し、その軽いガスを圧縮または液化によってパッケージ化し、エネルギーキャリアをユーザーに届けるのに必要な膨大なエネルギーに加え、燃料電池で有用な電力に変換する際に失われるエネルギーを考慮すると、実用的に利用できるのは25%程度であると述べました。[ 169 ]リチャード・ギルバート氏（『 Transport Revolutions: Moving People and Freight without Oil 』（2010年）の共著者）も同様に、水素ガスの製造には、最終的に生成されるエネルギーの一部が使用されると述べています。その後、燃料電池内で水素を再び電力に変換する際に、エネルギーが消費されます。「これは、当初利用可能なエネルギーの4分の1しか電気モーターに到達しないことを意味します。…このような変換における損失は、例えば日産リーフやシボレー・ボルトのような電気自動車（EV）を壁のコンセントから充電する場合と比べて、はるかに大きいものです。」[ 170 ] [ 171 ] 2010年の水素燃料電池自動車に関するWell-to-Wheels分析レポートアルゴンヌ国立研究所の研究では、再生可能水素の経路の方が温室効果ガス削減効果がはるかに大きいと述べている。[ 172 ]この結果は最近確認された。[ 162 ] 2010年に米国エネルギー省が発行したWell-to-wheelsに関する出版物では、燃料補給ステーションで水素を6,250 psi（43.1 MPa）まで圧縮する単一ステップの効率は94％と想定されていた。[ 173 ]スタンフォード大学とミュンヘン工科大学の科学者による2016年のEnergy誌11月号の研究では、たとえ地元での水素生産を想定したとしても、「全電気バッテリー自動車への投資は、主に低コストと大幅に高いエネルギー効率のため、二酸化炭素排出量削減のためのより経済的な選択である」と結論付けている。[ 174 ]

燃料電池車への批判

2008年、ジェレミー・P・マイヤーズ教授は電気化学協会の学術誌「インターフェース」に、燃料電池は「主に酸素還元反応の非効率性のため、バッテリーほど効率的ではない」と記した。「燃料電池は、電力網から切り離された状態で運転する場合、または燃料が継続的に供給できる場合に最も適している。頻繁かつ比較的迅速な起動が求められる用途や、倉庫などの密閉空間のようにゼロエミッションが求められる用途にも適している」と記した。[ 175 ]また2008年、ワイアード・ニュースは「専門家によると、水素がガソリン消費や地球温暖化に何らかの意味のある影響を与えるまでには40年以上かかるとされており、そこまで待つ余裕はない。その間、燃料電池はより即効性のある解決策から資源を転用している」と報じた。[ 176 ] 2008年、『Energy Victory』の著者であるロバート・ズブリンは、「水素は『最悪の自動車燃料』と言える」と述べた。[ 177 ]再生可能エネルギーを使って水素を生産できれば、「このエネルギーを電気自動車やプラグインハイブリッド車のバッテリー充電に使う方が簡単だろう」と述べている。[ 177 ]ロサンゼルス・タイムズ紙は2009年に、「どう考えても、水素は車を動かす手段としては最悪だ」と書いている。[ 178 ]ワシントン・ポスト紙は2009年11月に、「アメリカ中のコンセントから電気エネルギーが吸い出され、自動車のバッテリーに蓄えられるのを待っているのに、なぜ水素という形でエネルギーを貯蔵し、その水素を使ってモーターの電気を作ろうとするのか？」と疑問を呈している。[ 179 ]

モトリーフールは2013年、「水素自動車には、輸送、貯蔵、そして最も重要な生産において、依然としてコスト面で大きな障壁が存在している」と述べた。 [ 180 ]フォルクスワーゲンのルドルフ・クレブス氏は2013年、「自動車自体をどれだけ優れたものにしても、物理法則が全体的な効率を阻害する。エネルギーを移動手段に変換する最も効率的な方法は電気だ」と述べた。彼はさらに、「水素移動はグリーンエネルギーを利用する場合にのみ意味を持つ」と説明した。しかし…まず「低い効率で」水素に変換する必要があり、「初期エネルギーの約40%を失う」。その後、水素を圧縮して高圧下でタンクに貯蔵する必要があり、さらにエネルギーを消費する。「そして、燃料電池で水素を再び電気に変換する必要があるが、これもまた効率が低下する」。クレブス氏はさらに、「最終的には、元の100%の電気エネルギーから、30～40%しか残らない」と述べた。 [ 181 ]

2014年、電気自動車とエネルギーの未来学者であるジュリアン・コックスは、メタンから水素を製造することは「石炭よりもエネルギー単位あたりの炭素排出量がはるかに多い」と記した。シェールの水圧破砕から得られる化石水素を環境的に持続可能なエネルギー源と誤解することは、再生可能エネルギーと経済的に両立する自動車技術への投資と焦点を逸らすリスクがあり、気候変動を阻止するための世界的な取り組みを弱め、場合によっては頓挫させるようなエネルギー政策を促進する恐れがある。[ 182 ] 2014年、元エネルギー省高官のジョセフ・ロムは、再生可能エネルギーは「現在も将来も」FCV車両用の水素製造に経済的に利用できないと結論付けた。[ 183 ]​​ グリーンテック・メディアのアナリストも2014年に同様の結論に達した。[ 184 ] 2015年、クリーン・テクニカは水素燃料電池車の欠点をいくつか挙げた。[ 185 ] [ 186 ]

2017年にGreen Car Reportsに掲載された分析によると、最も高性能な水素燃料電池車は「電気自動車に比べて1マイルあたり3倍以上の電力を消費し、他のパワートレイン技術よりも多くの温室効果ガスを排出し、燃料費が非常に高い」ことがわかりました。新しいインフラに必要なすべての障害と要件（最大4000億ドルの費用がかかると推定）を考慮すると、燃料電池車はせいぜいニッチな技術にとどまり、米国の石油消費にはほとんど影響を与えないと思われます。[ 111 ] 2017年、マイケル・バーナードはForbes誌に寄稿し、水素燃料電池車の継続的な欠点を列挙し、「2008年頃までに、水素は自動車のエネルギー貯蔵としてバッテリー技術より劣っており、今後も劣ることが非常に明らかになった。2025年までには、最後の抵抗勢力も燃料電池の夢を諦めているだろう」と結論付けました。[ 187 ]リアルエンジニアリングが2019年に公開したビデオでは、自動車の燃料として水素を使用することは、輸送における炭素排出量の削減には役立たないと指摘されています。化石燃料から生産される水素の95%は依然として二酸化炭素を排出し、水から水素を製造するプロセスはエネルギーを消費します。水素を貯蔵するには、液体になるまで冷却するか、高圧下でタンクに充填するかのいずれかでより多くのエネルギーが必要であり、さらに水素を燃料ステーションに輸送するにはさらに多くのエネルギーが必要であり、より多くの炭素を排出する可能性があります。燃料電池自動車（FCV）を1キロメートル移動させるのに必要な水素のコストは、同じ距離を電気自動車（BEV）を移動させるのに必要な電力の約8倍です。[ 188 ]また2019年、ホンダヨーロッパの井上勝志社長は、「現在、私たちはハイブリッド車と電気自動車に重点を置いています。水素燃料電池自動車が登場するかもしれませんが、それは次の時代の技術です」と述べました。[ 52 ]

2020年以降の評価では、水素自動車の効率は依然として38%に過ぎないのに対し、バッテリーEVは80%から95%の効率があると結論付けられています。[ 189 ] [ 190 ] CleanTechnicaによる2021年の評価では、水素自動車は電気自動車よりもはるかに効率が悪いものの、生産される水素の大部分は汚染物質であるグレー水素であり、水素を供給するには広大で高価な新しいインフラの構築が必要になると結論付けられています。残りの2つの「燃料電池自動車の利点である長距離走行と高速燃料補給は、バッテリーと充電技術の進歩によって急速に失われています。」[ 55 ] Nature Electronicsの2022年の研究もこれに同意しています。[ 191 ]

革新

燃料電池特許出願の増加を示すグラフ

水素燃料電池分野における特許出願件数は、1960年代にNASAの宇宙計画の影響もあり増加しました。また、1980年代には自動車研究が牽引役となり、再び増加しました。その後、2000年から2005年にかけて、日本、米国、韓国の発明者による出願件数が急増しました。それ以降、この分野における特許出願件数は中国が圧倒的に多く、日本、ドイツ、韓国、米国でも少数の出願が続いています。[ 192 ] 2016年から2020年にかけて、特に輸送機器関連の出願件数は年間でさらに23%増加しました。[ 193 ] [ 194 ]

輸送用燃料電池の分野における特許の約80％は自動車会社によって出願された。[ 195 ]学界は産業界と積極的に協力している。[ 196 ]車やトラックなどの道路車両に関連する出願が大部分を占めているが、船舶、航空、鉄道、その他の特殊車両など他の分野の発明も増加している。[ 197 ]大手航空機メーカーのエアバスは、2019年以降、この分野での特許活動を増やしている。[ 198 ]船舶用途の燃料電池特許の数は、航空用途の特許と規模がほぼ同じで、同様に成長が遅い。[ 196 ]

2022年の世界知的所有権機関の報告書では、建設車両、フォークリフト、空港タグボートなどの大型車両はより高い積載量を必要とするため、水素の高エネルギー密度により、燃料電池はバッテリー用途よりも有利なソリューションになる可能性があると主張しています。[ 198 ]

参照

注記

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