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【未来予想】2030年以降の車両普及率予測!水素エンジンとFCV、どちらが主流?

燃料電池車vs水素エンジン車 時事ハイライト
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自動車業界において、環境に配慮した自動車の需要が高まる中、燃料電池車(FCV)と水素エンジン車が注目を集めています。

これらの車種はどちらも燃料として水素を利用し、排出されるのは水だけという環境に優しい特徴を持っています。

しかし、それぞれに独自の仕組みや課題があるため、将来的にどちらが主流になるのかはまだ定かではありません。

本記事では、FCV(Fuel Cell Vehicle)と水素エンジン車の特徴や課題、そしてそれぞれの将来性について比較検討し、どちらが主流になる可能性が高いかを考察します。

※以下は筆者の予測に基づく情報であり、将来の出来事を保証するものではありません。読者は、自己の判断に基づいて情報を活用することを推奨します。

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FCVの構造

燃料電池車は、その独特の構造で注目を集めています。

車両の駆動に必要な電力は、水素燃料と酸素の化学反応によって生み出され、この反応は燃料電池スタックと呼ばれる膜電極装置内で起こり、複数の薄いセルを積み重ねた構造をしています。

セルには陽極と陰極という極板があり、水素が陽極に供給され、そこで電子とプロトンに分解されます。

電子は外部に放出され、車両の電気モーターを駆動するための電力を生み出します。

一方、プロトンは膜を通過し、酸素が陰極で供給されると、そこで再び電子と結合して水となります。

このように、水素と酸素の反応によって発生する電力を利用して、燃料電池車は驚くほど静かに走行することができます。

そして、排出されるのは、ただの水だけです。

FCVは、高いエネルギー効率と環境負荷の低さを両立した、画期的なエネルギー変換技術を駆使しています。

燃料電池車(FCV)構造 写真AC

水素エンジン車の構造

水素エンジン車の構造は、従来の内燃機関と非常に似ていますが、その動力源はまったく異なります。

燃料として水素を使用し、内燃機関のように燃焼させることで発電し、車両を駆動します。

水素はタンクに圧縮されて保存され、エンジンに供給したのちエンジン内で水素が酸素と反応し、水蒸気と熱を発生させ動力を生み出します。

また、内燃機関(エンジン)と電気モーターのハイブリッド構造を組み合わせれば、電気モーターの駆動力を発揮し、燃費を低減させるシステムが見込めます。

このように、水素エンジン車は、新しいエネルギー源を取り入れながら、従来の内燃機関を活用した画期的な自動車技術の一つと言えます。

FCVと水素エンジン車の比較

水素エンジン車と燃料電池車は、どちらも水素を燃料として使用するクリーンな自動車ですが、いくつかの点で異なります。

動力源の違い

水素エンジン車は水素を燃料として内燃機関を動かし、燃料電池車は水素と酸素を反応させて発電し、モーターを駆動します。

発電効率

燃料電池車の方が発電効率が高く、燃料からエネルギーを効率的に取り出せます。

一方、水素エンジン車は内燃機関を使用するため、熱エネルギーの一部がロスとなってしまいます。

駆動性能

燃料電池車のモーターは、高トルク・低騒音・低振動の走行性能を発揮します。

一方、水素エンジン車は内燃機関を使用しているため、燃料が燃える音や振動が発生することがあります。

環境負荷

どちらも、排気ガスは水蒸気が主成分であり、二酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質がほとんど出ません。

ただし、水素エネルギーの製造・輸送・貯蔵などの過程で、環境負荷が生じることがあります。

コスト

燃料電池車は高価な技術を使用しているため、車両本体価格が高くなります。

一方、水素エンジン車は内燃機関を使用しているため、燃料電池車よりも価格が安くなる傾向があります。

総合的に見ると、燃料電池車の方が高い発電効率や駆動性能を持ち、環境負荷も低いとされています。

ではなぜ水素エンジンを作ろうとしているのでしょう?

水素エンジン車が開発された背景には、燃料電池車と比較していくつかの利点があるためです。

出典:水素エンジンイメージ トヨタHPより

その利点は以下のようになります。

既存の技術を利用できる

水素エンジン車は、従来の内燃機関技術を利用しているため、燃料電池車に比べて開発に必要な技術や部品の数が少なく、開発期間が短くて済みます。

コストが低い

燃料電池車は高価な技術を使用しているため、車両本体価格が高くなります。

一方、水素エンジン車は内燃機関を使用しているため、燃料電池車よりも価格が安くなる傾向があります。

就業機会の確保

水素エンジン車の開発・製造・販売には多くの人員が必要となり、その過程で多くの就業機会が生まれます。

内燃機関(エンジン)を残すことで、自動車製造サプライヤーの維持に貢献できます。

また、水素エンジン車の普及に伴い、水素製造・貯蔵・供給インフラの整備やメンテナンスなど、関連する産業も発展し、新たな就業機会が生まれることが期待されます。

内燃機関をなくしても、就業機会は増える?

内燃機関(エンジン)を減らすことで、自動車産業においてはエンジニアや技術者を中心に、新たな技術の開発・研究が求められるようになります。

例えば、燃料電池技術やバッテリー技術など、エコカーに必要な技術分野に注力した研究開発や、エコカーに特化した部品や素材の開発、製造に従事する人々が求められることになります。

また、エコカー関連のインフラ整備やメンテナンス、充電スタンドや水素ステーションなどの建設・管理に携わる人々も増えると考えられます。

さらに、自動車だけでなく、エネルギー分野や環境分野にも新たな技術やサービスが求められることで、それに対応するエンジニアや専門家の需要も高まることが予想されます。

自動車産業は日本経済において非常に重要な産業の一つであり、多くの人々が関わっています。

自動車産業に関連する企業や業種も含めると、影響を受ける労働者数は膨大な数になるでしょう。

また、自動車産業に限らず、脱炭素社会に向けた取り組みが進展することで、新たなエネルギー関連産業や環境関連の仕事が生まれる可能性があります。

内燃機関を残して就業機会を維持した方がいいのか、内燃機関をなくして新たな就業機会を増やす方がいいのか、長い目で見たら、もちろん後者ですよね。

燃料電池車のバッテリー開発

燃料電池車には、リチウムイオン電池以外にも、ナトリウムイオン電池や水酸化ナトリウムナトリウム硫化鉄電池、金属空気電池、マグネシウム空気電池などの電池が使われる可能性があります。

これらの電池は、高いエネルギー密度を持ち、リチウムイオン電池よりもコストが安いため、燃料電池車においてバッテリーの代替品として注目されています。

また現在、多くの企業が研究を進めている電池技術として、全固体電池がその筆頭と言えます。

全固体電池は、リチウムイオン電池よりもエネルギー密度が高く、充電時間が短くなるなどの特徴があります。

ただし、まだ実用化には課題が残されており、高コストや大量生産の難しさなどがあります。

そのため、今後も様々な電池技術の研究開発が進められ、より優れた電池が開発されることが期待されています。

これらの電池は全て、まだ実用化されておらず、開発が進んでいる段階で、2030年までを目処に実用化されると予想されています。

世界の動き

世界的には、環境規制の厳格化やクリーンエネルギーの需要の増加に伴い、自動車産業においてもクリーンなエネルギーの採用が進んでいます。

水素エンジン車やFCVもその一環として、各国で研究や開発、実用化が進められています。

日本では、2020年に発表された「カーボンニュートラル2050」の目標に向け、水素社会の構築を進めるための政策が進められています。

その中で、水素エンジン車やFCVの導入も推進されており、国内メーカーを中心に開発や販売が進められています。

米国でも、バイデン政権が掲げる「クリーンエネルギー・リボリューション」において、水素エネルギーの利用を推進する方針が打ち出されており、水素エンジン車やFCVの開発や導入も進んでいます。

欧州では、2020年に欧州委員会が発表した「欧州の緑の取り組み」において、水素エネルギーの利用を推進するための戦略が打ち出され、FCVの普及も進められています。

また、2035年までにハイブリッド車も含めたエンジン車の新車販売を禁止していた法案を改め、「合成燃料」を使用するエンジン車の販売を認めることを明らかにしたことを発表したため(3/25発表)、欧州においても水素エンジンが普及していくものと思われます。

世界的には、自動車産業においてクリーンなエネルギーの採用が進む中で、水素エンジン車やFCVの導入が広がっていくと予想されています。

世界中でこのシフトが進むことにより、エネルギー安全保障やコストの面で良い方向へ向かうことは間違いありません。

水素エンジン車の研究

現在、FCVの普及が水素エンジン車よりも進んでいますが、水素エンジン車も技術の進歩や価格の低下などにより今後の普及が期待されています。

ただし、水素エンジン車はまだ商用化されていない段階であり、市販化には数年から十数年かかると予想されています。

一方、FCVは現在でも一部の自動車メーカーから市販されており、今後も技術の進歩により普及が進むと予想されます。

将来的には、より環境にやさしい車両が求められる中で、水素エンジン車やFCVはどちらも需要が高まる可能性があり、水素エンジン車においてエンジン効率を上げるために、燃料として使用される水素の燃焼効率を向上させることが重要です。

そのため、水素の燃焼速度を高めるための新しい触媒や燃焼方式、燃焼室の設計などを開発しています。

また、水素の貯蔵・供給技術の改善により、より効率的な水素の供給が可能となり、エンジンの性能が向上することが期待されています。

例えば、燃焼における混合気の質を高めるために、燃焼室の形状や噴射方式を最適化する研究が行われており、燃料の噴射タイミングや圧力を調整することで、より効率的な燃焼が可能となるような燃料噴射システムの開発も行われています。

さらに、熱効率を高めるために、エンジンの排熱エネルギーを利用する方法も研究されています。

例えば、排気ガスを再利用することで熱効率を向上させる方法があり、冷却系統を最適化することで、エンジンの熱効率を改善することも研究されています。

これらの研究によって、水素エンジン車のエンジン効率は着実に改善されつつあり、将来的には、より高い効率で水素を燃料とする車両が実用化され、より持続可能な社会の実現に向けて貢献することが期待されています。

FCVの価格低下の取り組み

FCVの価格低下に向けた研究には、以下のような取り組みがあります。

材料コストの削減

FCVには高価なプラチナが使用されており、そのコストが価格の一因となっています。

そのため、プラチナ以外の代替材料を開発することでコスト削減を目指す研究が行われています。

生産コストの削減

FCVの生産には高度な技術が必要であり、生産ラインの設備投資などコストが高くつく傾向があります。

そのため、より合理的な製造プロセスを導入し、生産コストを削減する研究が進められています。

水素製造コストの削減

FCVには水素が必要であり、水素製造コストが価格に反映されることがあります。

そのため、より効率的な水素製造プロセスや、再生可能エネルギーを利用した水素製造技術の開発が進められています。

大量生産による経済規模の拡大

FCVの需要が増えることで、生産量が増え、経済規模が拡大することで、コスト削減につながるという考え方があります。

そのため、FCVの需要拡大を促進する施策が進められています。

水素価格を下げる取り組み

水素の価格を下げるためには、水素の製造コスト自体を下げることが必要です。

そのため、以下のような取り組みが行われています。

再生可能エネルギーを利用した水素の製造

再生可能エネルギーを利用して水素を製造する方法が注目されています。

太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用して電気を生成し、その電気を使って水を電気分解することで水素を製造する方法です。

再生可能エネルギーを利用することで、水素の製造コストを下げることができます。

水素の配管・輸送コストの削減

水素を製造した後に配管・輸送する際のコストも重要な要素となります。

水素は圧力容器や液体化することで輸送できますが、これらの方法には高いコストがかかります。

そこで、高圧水素を使用する代わりに、水素を安定的な化合物に変換して輸送する技術が研究されており、アンモニアを水素の運搬体として利用する研究が進められています。

水素の効率的な貯蔵技術の開発

水素を効率的に貯蔵することも、水素の価格を下げるために重要です。

現在、水素は高圧ガスや液化された状態で貯蔵されますが、これらの方法には貯蔵コストがかかります。

そこで、水素を固体化して貯蔵する技術や、金属ハイドライドなどの吸蔵合金を用いた貯蔵技術が研究されています。

これらの取り組みによって、水素の製造・輸送・貯蔵コストを下げることができれば、水素エネルギーを利用する車両の普及が進み、結果的に水素の価格も下がることが期待されます。

将来の全車種普及率割合

筆者が独自に予想した将来の日本において、全車種で考えた普及率の割合です。

2030年〜40年の日本での各車種の普及割合はこのようになると予想しております。

(左から、2023年→2030年→2040年)

  • EV: 2.5% →30%→35%
  • FCV: 0.5% →5%→20%
  • 水素エンジン車:0% →5%→5%
  • HV: 43% →30%→20%
  • PHV:0.5% →10%→10%
  • ガソリン車: 48.5% →15%→5%
  • ディーゼル車: 5% →5%→5%

これらの割合は、政策や技術の進歩、燃料価格の変化、消費者の需要や嗜好など、様々な要因によって影響を受けるのであくまでも予想ですが、割合としてはこのような結果になる可能性が高いと思われます。

2050年については、国際的な温暖化対策の目標である二酸化炭素排出量の実質的なゼロ化を達成するため、日本政府は「カーボンニュートラル社会実現のための技術革新戦略」を掲げており、以下のような予測がされています。

・電気自動車(EV)や燃料電池車(FCV)などの新エネルギー車の普及率が高まり、約90%程度が新エネルギー車になると予測されています。

・内燃機関車の普及率は低下、ほぼ消滅し、ハイブリッド車(HV)やプラグインハイブリッド車(PHV)は、EVやFCVの普及に伴い徐々に減少すると予測されています。

普及率が多く見込まれるEVの課題克服

現在のEV車にはまだまだ大きな課題が残されていますが、そういった課題も徐々に解消される方向に進んでいます。

EVのバッテリー性能は温度によって影響を受けることがあり、低温下では充電容量が減少するなどの問題があります。

しかし、最新のEVは寒冷地においても使用可能なように改良が加えられており、北欧地域での使用に対応したEVを開発。

バッテリーの加熱装置が搭載されていたり、寒冷地用のタイヤが採用されていたりします。

さらに、高性能なエアコンやヒーターも装備されており、運転席と同乗者の快適性も向上しています。

したがって、今後もEVの寒冷地での利用は可能性が高くなっていくと考えられます。

EVの充電時間は、急速充電器を利用すれば最短で約30分程度ですが、一般的な家庭用のコンセントでは充電に数時間~数十時間程度かかることがあります。

このため、長距離走行や急ぎの移動などには不向きとされています。

しかし、充電時間の問題についても、急速充電器の普及や、高速充電技術の向上によって、今後改善が期待されています。

また次世代のバッテリー技術の開発により、より高い充電効率や容量を持つバッテリーが実用化されることで、充電時間の短縮につながる可能性もあります。

EVの充電時間を短縮するために、以下のような技術開発や研究が行われています。

高出力充電技術の開発:急速充電器の充電速度を向上させることで、短時間で充電ができるようにする取り組みが進められています。例えば、日産自動車は、最大充電出力が240 kWに達する高出力充電器を開発しています。

電池技術の改善:EVの充電時間を短縮するためには、高容量かつ高出力の電池が必要です。リチウムイオン電池の改良や新しい電池技術の開発が進められています。例えば、トヨタ自動車は、全固体電池の開発を進めています。

蓄電技術の活用:EVの充電時間を短縮するためには、充電器側の蓄電技術を活用することも考えられます。蓄電システムを充電器に組み込むことで、充電器の負荷を軽減し、高速充電を実現する取り組みが行われています。

自動充電技術の開発:EVが自動で充電するための技術開発が進められています。例えば、日産自動車は、自動運転技術と組み合わせた自動充電技術を開発しています。EVが自動的に充電スポットに移動して充電を開始し、充電が完了すると自動で電源を切る仕組みです。

まとめ

自動車業界は現在、さまざまなエネルギー源を利用した車両の研究開発に力を注いでいます。EV、FCV、水素エンジン車、HV、PHV、ガソリン車、ディーゼル車など、各種類の車両が存在していますが、それぞれに特徴や課題があります。

EVはゼロエミッションのクリーンなエネルギーを使用し、静かで快適な走行が可能ですが、航続距離や充電時間、寒冷地での使用など、まだ課題が残されています。

FCVは長距離走行が可能で、充填時間が短く、走行中に発電できるという特徴がありますが、高価格や水素供給インフラの整備など、課題もあります。

水素エンジン車は、電気自動車やガソリンエンジンに比べてまだエネルギー効率が低いとされており、燃焼時に発生する酸素と窒素の一部が反応して窒素酸化物を発生させるため、環境負荷が気になる問題もあります。

2030年から2050年にかけて、各車種の普及割合がどのように推移するかは未知数ですが、EVが今後さらに改良され、充電時間や航続距離の課題が解消されることで、EVが一番普及する可能性が高いとされています。

その一方で、FCVや水素エンジン車も、課題解決に向けた研究開発が進んでおり、今後ますます注目されることでしょう。

自動車業界は、地球環境の保護や省エネルギーに貢献するクリーンなエネルギーの普及を目指しています。

今後も、技術開発やインフラ整備などに取り組んでいくことで、自動車業界が持続可能な未来を築いていくことが期待されます。

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この記事を書いた人
びわおちゃん

☆1971年生まれ ☆滋賀県在住
☆物流系30年 ☆92'立命館大学卒
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