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燃料電池

文章最終更新日:2023年09月28日

トレンド概要

FCVやエネファームは政策による後押しが必要、大型車は既に普及が進む

燃料電池は、水素と酸素を反応させて、水に変化させる過程で電気を発生させる電池である。主用途は、自動車(FCV)・フォークリフトなどモビリティ向けと、家庭用エネファーム・産業用電源用途などの定置型の2つである。その他にも、モバイルバッテリーなどのポータブル用途での活用が期待されている。本トレンドでは、モビリティ向けと定置型を中心に、燃料電池の特徴や課題、今後の普及の可能性を見ていく。

燃料電池は、普及には企業単独の力ではなく政策の後押しが必要な段階と言え、官民一体の動きや国際協力の動きが活発になっている。今後本格的な普及期に入るかどうかの正念場を迎えている。

モビリティで先行している分野は、フォークリフトなどの大型車向けが挙げられる。脱炭素に資するモビリティとしては電気自動車(EV)が挙げられ、乗用車およびその充電ステーションに関してはEVの普及が先行している。一方で、大型車は燃料電池自動車の方がエネルギー効率についてメリットが大きいほか、走行ルートが限られているため、定点的に水素ステーションなどのインフラがあれば活用は可能である。そのため、局所的に使える燃料電池フォークリフトなどが北米を中心に既に普及が加速している。

定置型については、2010年前後に日本が各国に先駆けて家庭用エネファームを普及させたが、直近は補助金の縮小などを受け伸び悩んでいる。直近ではグローバルで大規模な商業・産業向けの定置型の事例が多くみられるようになっている。

燃料電池の原理

出所:Uzabase作成

主な燃料電池の用途

出所:Uzabase作成

燃料電池の特徴はクリーンさと高効率性

燃料電池のメリットは、利用時に二酸化炭素を排出しないクリーンさと高効率性である。

化石燃料による発電に比べてエネルギー効率が高いこと、発電時に発生する熱を利用して総合効率を高められること(コジェネレーション:熱電併給)、発電装置であり充電完了を長時間待たなくて良い等のメリットがある。

また、電力会社の大規模集中発電設備ではなく、分散配置が可能な小規模な発電設備(分散型エネルギーシステム)としても利用可能で、送電ロスの削減や災害時のリスクヘッジにも資する。

燃料電池のメリット

出所:Uzabase作成

モビリティ用途はFCVが主だがコスト・インフラ課題などが残り発展途上

モビリティ用途では、FCVとフォークリフトを含む商用車が中心となっている。FCVについては内燃自動車やEVを扱う企業が参入することも多く、2014年にトヨタ自動車が量産車として世界初となる「MIRAI」を販売開始したほか、本田技研工業や韓国の現代自動車が市販車を投入している。

ただし、コスト課題やインフラ不足、充填時の課題などが克服されておらず、まだ発展途上と言える。購入時の価格も、MIRAIは国や地方自治体の補助金を加味すると600万円前後で購入できるが、それでも同タイプの内燃機関自動車より高額である。

EVに対してもインフラで遅れをとっている。航続距離はFCVのほうが有利と言えるが、水素ステーション普及が遅れている。航続距離が長くても適切な場所で燃料が補給できなければユーザーには不便であり、インフラ整備は普及のカギと言える。また、ICVのエネルギー効率は10数%であるのに対し、FCVは2倍以上である30%程度とされているが、EVと比較すると低い。FCVは電力を水素に変換し、圧縮・液化などをした後に、再び電力にする経路が一般的である。このため、電力を送配電し、充電すれば走行できるEVと比較すると、プロセス中のロスが大きいことが理由と言える。

FCV、EV、ガソリン車の特徴と課題

出所:Uzabase作成

注1:エネルギー効率では、FCVで利用する水素は化石燃料改質、EVで利用する電気は火力発電によるものを想定

注2:補給時間では、FCVにおける蓄圧時間は考慮していない

モビリティ用途でもフォークリフトなど産業用途の大型車は普及が先行

商用車、特にフォークリフトは欧米を中心に既に普及しはじめている。

フォークリフトの場合、倉庫など限られた敷地内で稼働するため、水素ステーションは定点的にあれば問題が無いと言え、インフラ不足の影響が小さい。また、蓄電池式では長距離で稼働するには高価なリチウムイオン電池を大量に搭載させる必要があるのに対し、燃料電池では燃料タンクの増設で対応が可能であり、充填時間も短い。

さらに作業効率向上という顧客価値もある。蓄電池式の場合は充電に8時間程度かかり、バッテリーは0.5~1トン程の重さの物が多く交換作業にも時間を要するとされている。一方で、燃料電池式は、数分間で8時間の稼働に必要な水素を充填できると言われており、大幅な時間短縮ができる。実際に、米国カルフォルニア州では 2030年頃までに燃料電池フォークリフトの累計販売台数 30 万台を目指す計画が発表されている。日本においても、導入にむけて都や県の自治体が助成金を出す動きが近年見られている。

フォークリフト以外も、欧州では 2030 年頃までに燃料電池トラック9.5 万台の普及、非電化路線区間の新規車両導入を燃料電池列車へ20%シフトさせることなどが掲げられている。

日本の家庭用エネファームは販売台数が伸び悩む

家庭用エネファームは、日本が先行し2009年から販売を開始した。その後、世界各国で補助金制度や固定価格買収制度が普及を後押しした。しかし、補助金は次第に縮小し、日本では2020年度に一度国からの補助金が終了し、直近日本でも年間販売台数は伸びておらず、導入家庭は全家庭の1%以下に過ぎない。2023年から再び国による補助金への交付申請受付が開始されたが、補助金は15万円/台で設置費用の1割前後程の額にとどまっている。

一方で業務・産業用途も近年は需要が増している。なお、日本では3~100kW未満程度の業務用(小中規模施設やビル向け)、100kW以上の産業用(大規模工場や排水処理用途)は、比較対象となる従来電源のコストが低くなりやすく、コスト面での競争力で不利になる。日本では、電気料金は高圧ほど規模が効いて安くなる一方で、燃料電池の本体価格は大型ほど高くなる傾向がある。経産省の試算では5kW級でも現状の約1/3程度の350万円程度まで電池価格を押さえる必要がある。

一方、系統電源の信頼性が低い国もある欧米では、分散電源やバックアップ電源のニーズがある。また、電力料金に比べガス代が安いため、産業・業務用燃料電池普及のハードルが低いと言われている。

素材別では白金を使用せず低コスト化が見込めるSOFCの開発が進む

燃料電池は下表のように分けられる。

既に実用化されているPAFC(リン酸形燃料電池)はエネルギー密度が低く、触媒に白金を用いる故に高価で広く普及するには至っていない。PEFC(固体高分子形燃料電池)も白金触媒の使用により高価なことが課題だが、常温で作動するため運転操作性に優れている。また、高電流密度で小型軽量化が可能なこともあり、家庭用定置型や自動車用、携帯用などに適している。パナソニックのエネファームやMIRAIもこのPEFCを使用している。

近年注目を集めているのは、電解質にセラミックスを用いるSOFC(固体酸化物形燃料電池)だ。作動温度が高温であり動力源としての応答性に劣る課題がある一方で、発電効率が高く、触媒に白金が不要なため低コスト化が可能である。また、発電時の排熱を利用した複合発電システムによって総合効率も高められ、エネファームなどでは既に採用されている。

燃料電池の種類とその特徴

出所:Uzabase作成

注:LHV(Lower heating Value:低位発熱量)は水分の蒸発潜熱を含まない発熱量を示す

各国政府が燃料電池技術に投資

各国の政策も燃料電池技術の開発や関連製品の普及を後押ししている。日本でも早くから燃料電池技術開発の目標を定めたロードマップが策定され、2023年には約6年ぶりに「水素基本戦略」が改訂された。また、米国やドイツでは政府や国家規模のプロジェクトから、各領域(燃料電池、水素燃料、インフラ等)や個別プロジェクトに資金が投じられている。

欧州では特にドイツがFCVの購入支援に力を入れていたが、2022年に燃料電池(および電気自動車)に対し、補助金の減額が発表された。

燃料電池に関連する各国の動き

出所:Uzabase作成

マネタイズ

FCVコストの大部分は燃料電池

FCVの全車体コストの50~70%程度は燃料電池システムが占め、そのうち60%程度を燃料電池スタック(燃料電池の最小単位であるセルを積層したもの)が占める。

DOE(米国エネルギー省)の資料では、燃料電池システム/スタックの量産が進むと総コストは大幅に下がり、年間生産台数が10万台になれば、燃料電池システム/スタックのコストは現在の1/5程度になると見ている。また、量産効果が効くセパレータなどの燃料電池部材のコスト比率が小さくなる一方で、高コストな触媒やセパレータといった部材のコスト比率が大きくなり、コスト構造が変化し得る。

なお、2021年3月にトヨタ自動車は初代MIRAIに対し燃料電池システムのコストを半減することに成功したと発表しており、低コスト化に向けての技術開発が進捗している。

量産による燃料電池システム/スタックの総コスト変化予測

出所:DOE(米国エネルギー省)「DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record」を基にUzabase作成

量産による燃料電池スタックのコスト構造変化予測

出所:DOE(米国エネルギー省)「DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record」を基にUzabase作成

航続距離300km以上の長距離ではFCVがEVに対してコスト優位に

水素協議会(Hydrogen Council)が発行する調査レポート「Hydrogen scaling up」によると、2030年のコスト予測を前提に、航続距離300km以下ではEVがコスト優位になるが、それ以上の航続距離ではFCVがコスト優位になるとしている。

これは、前述した通り、航続距離を増やすためには、FCVでは水素タンクの増設をするのに対し、EVでは質量がかさむ電池自体の増設が必要で、コストがかかりやすいからだ。バスやトラックといった長距離移動が必要な商用車に加え、MIRAIと同等のクラスでもFCVがコスト優位になる可能性も考えられる。

FCV/EVの出力容量(航続距離)に応じたコスト比較

出所:Hydrogen Council「Hydrogen scaling up」を基にUzabase作成

新車種の開発が進み燃費は改善、純ガソリン車よりはランニングコストが良い場合も

FCVと内燃機関自動車のランニングコスト比較を見る。新型MIRAIの燃費を参考に、ランニングコストを下表のように試算すると近年はガソリンのみを燃料とする車(下表はトヨタのクラウンで比較)より既にランニングコストが良いと捉えることができる。

ただし、近年はハイブリット車が主流であり、ハイブリット車の燃費(20~30km/l程度)と比較した場合は、FCVが有利とは言い難い。環境問題を重視するユーザー層以外にも訴求できるポイントは増えているが、ハイブリット車との比較や、水素ステーション普及など顧客利便性の向上などが今後の課題になるだろう。

また、排出量削減の観点で見ると、ガソリン車からFCVへ乗り換えた場合、1台あたり年間およそ1.5トンのCO2が削減される。2030年に80万台(日本の経産省ロードマップの目標値)のFCVが普及すると、年間のCO2排出削減量は約120万トンとなり、環境対策にも大きく貢献する。ただし、日本の場合、FCVの普及台数は2022年7月時点で約7,400台と、2016年に発表した2020年に4万台という目標より大幅に遅れており、普及の遅れを考慮すると実際の削減量は見積もりを下回る可能性が高い。

FCVと内燃機関自動車のランニングコストの比較

出所:各種資料を基にUzabase作成

注1:2023年の水素の価格は2023年の各種報道の目安値、2030年は経産省ロードマップの目標価格

30円/Nm3を仮定して計算

注2:FCVの燃費はTOYOTAが公表した執筆時点最新のMIRAIの主要諸元表から抜粋

注3:ガソリン・軽油価格は資源エネルギー庁『給油所小売価格調査』の2023年1~9月最新値までの平均値

注4:ガソリン車およびディーゼル車の燃費はMIRAIと近い車種の主要諸元表から抜粋

商業・工業用の定置型燃料電池はCAGR20%で今後成長の見込み

商業・工業用も含めた定置型燃料電池は商用利用フェーズに入り、家庭用以外での用途拡大もグローバルで期待されている。Fact.MRの調査によると、世界の定置型燃料電池システム市場の規模は2022年に32 億米ドルと推定され、今後10年のCAGRは20.3%となっている。現状は東アジアのシェアが約4割と高く、北米、欧州がそれに続いている。

i一方、エネファームのみで見ると、先行していた日本での販売台数は伸び悩んでいる。一般財団法人 コージェネレーション・エネルギー高度利用センターによると、2023年6月末時点で日本の累計販売台数は48.6万台程度だが、これは全世帯数の1%以下に過ぎない。緩やかに販売台数は増加しているものの、このペースだと2030年にエネルギー基本計画で目標とした530万台の販売台数達成は難しい。

日本におけるエネファームの累計メーカー販売台数の推移

出所:一般財団法人 コージェネレーション・エネルギー高度利用センター

未来

FCV部材には数多くの企業が参入、燃料電池システムのパッケージ外販の動きも

FCVの車体やFCシステムは自動車メーカーで内製していることが多いが、それらを構成する部材には多くの企業が関与している。2020年にはトヨタ自動車の新型「MIRAI」が発売されたが、高圧水素タンクには豊田合成、プロトン交換膜に日本ゴア、水素タンクライナー用のナイロン樹脂には宇部興産、高圧水素用ステンレス鋼では愛知製鋼など、多くの企業がかかわっている。なお、トヨタ自動車は2023年秋頃に高級モデル「クラウン」の新型セダンでもFCVを投入するとしており、当該モデルにも各部材メーカーが関わる可能性が高い。

2015年にトヨタ自動車が約5,680件の燃料電池関連特許の実施権を無償で提供すると発表したのは、多くの企業の参入を促し、FCVの普及を促進するという意志の表れでもある。同社は2021年春には「MIRAI」の燃料電池システムをパッケージ化し、外部販売する方針を発表した。2023年には燃料電池の外販について2030年までに、10万台供給すると目標を立てた。販売先は鉄道や船舶、発電設備などと考えられ、FCVを核に各モビリティで採用が進む可能性もある。

また、水素タンクに用いられる炭素繊維や高圧バルブ、燃料電池部材となる電解質膜や触媒などは、他の分野・製品で培われてきた基礎技術を適用できる。例えばスポーツメーカーミズノの子会社であるミズノテクニクスが開発・製造する炭素繊維強化プラスチックを、水素タンクの外殻部分に適用している。

FCV製造に参入する企業

出所:Uzabase作成

日中など各自動車メーカーがグローバルで連携

各自動車メーカーがグローバルで連携してFCV開発・生産を進める動きが活発になっている。ただし、水素ステーションの普及不足などを背景に日産自動車、Mercedes-Benz(DEU)、Ford Motor(USA)が共同開発していたFCVについて2018年に商用化の凍結を発表するなど、量産まで至らないケースも出始めている。近年はトヨタ自動車が中国での市場拡大を狙った地場企業との協力が目立つ。

なお、共同開発以外にも、他社が開発したモジュールを動力源として活用する契約や、水素ステーションの普及に向けたガス・燃料サプライヤーとの連携も増加している。

直近の自動車メーカーのFCVに関するグローバル連携

出所:Uzabase作成

注:北汽福田汽車は北京汽車の商用車部門

先行する商用車での燃料電池適用

燃料電池は、前述した通り、サイズが大きく走行距離が長い商用車に適しており、フォークリフトやトラックは既に普及が進んでいる。

Amazon(USA)は燃料電池製造を手掛ける米国のPlug Power(USA)に出資し、自社の配送センターの一部でバッテリー式フォークリフトを燃料電池式フォークリフトに切り替えている。Walmart(USA)もPlug Powerに同様の出資を行い、流通センター内車両の燃料電池化を推進している。

燃料電池トラックの実用化に向けた動きも活発だ。2020年にトヨタ自動車と日野自動車が共同で大型燃料電池トラックを開発することを発表した。2023年には欧州トヨタがHyliko(FRA)の大型トラック向けに燃料電池モジュールを提供するなど、グローバルに展開している。現代自動車も2020年に開発を進めていた大型燃料電池トラック「XCIENT」の欧州向け出荷を開始した。2023年には日本で初めての燃料電池大型トラックの走行実証をアサヒグループジャパン、西濃運輸、NEXT Logistics Japan、ヤマト運輸が開始している。

鉄道では、鉄道車両製造会社Alstom(FRA)の100%水素燃料電池で走行する旅客列車が2022年8月にドイツで運用開始された。日本は欧州と比較するとやや遅れているが、JR東日本が2022年2月に国内初の水素ハイブリッド電車「HYBARI」を公開、2030年の実用化を目指している。

産業・業務用へとシフトする定置型燃料電池

世界ではエネファアームに対し、産業・業務用燃料電池が先行している。

売電制度や補助金制度が整備された国が多いことも産業・業務用燃料電池の普及を後押ししていることが主因と言える。

Bloom Energy(USA)は、現状の電源の電力供給の不安定さに対し、信頼性が高く、停電リスクの低い電源を目指し、量産化を見据えてコスト低下と発電効率の向上に注力した。現在同社は、Adobe (USA)やGoogle(USA)、AT&T(USA)といった多くの大手企業を顧客としている。

近年は日本でも産業・業務用燃料電池市場へ参入する企業が増えている。当初日本では富士電機やBloom Energy Japanなどに参入企業が限られていたが、2017年以降、京セラや三菱日立パワーシステムズ、三浦工業などが製品化を行い、市場が活性化している。産業・業務用の大規模設備で燃料電池の需要が増すことでコスト低下が進めば、家庭用や輸送機器用への好循環も期待される。また、EVと同様にFCVでも車載電池を定置用にリユースする動きもあり、2023年には本田技研工業がFCV用スタックをリユースした非常用FC定置電源の実証実験を米国で開始した。

定置型燃料電池への参入企業

出所:Uzabase作成

青山 武史

青山 武史

グロービス経営大学院大学でMBAを取得し、キャリアを一貫してクリエイティブ、テクノロジー、ビジネスを高度に融合させた新規事業開発やイノベーションの創出を主導して来た。スタートアップ(最高事業責任者)や事業会社(マーケティング最高責任者)等でマーケティングからサービス開発までの新規事業開発の経験を積み、多くの事業で収益規模を拡大し、大手企業とのアライアンスに携わった。現在はYKK APにて新規事業開発部担当部長として、再生エネルギー事業の推進と新規領域の探索を担当。Point0を通して大手企業と共創活動を推進。渋谷未来デザインとSWiTCHとのカーボンニュートラルプロジェクト「CNUD」に参画。個人としても大手エネルギー企業のヘルスケ領域の新規事業開発支援コンサルティング実績多数。

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