水素から電気を生み出す燃料電池、そのポテンシャルとは

水素から電気を生み出す燃料電池、そのポテンシャルとは

地球温暖化が影響していると言われる世界的な気候変動や大規模森林火災が問題となる中、CO2を排出しない水素社会の実現に向けた取組みが進められています。

特に燃料電池は、水素から電気を作り出すクリーンなエネルギーシステムとして注目を集めています。
水素社会の実現に向けて、燃料電池にはどのような可能性があるのでしょうか。また、どのような課題があるのでしょうか。

次世代のエネルギーシステムとして注目を集める燃料電池

次世代のエネルギーシステムとして注目を集める燃料電池は、発電するのに水素を使うというのが大きな特徴です。
しかし、発電に必要な水素を供給するインフラの整備は、まだ始まったばかりであり、本格的な普及はこれからです。

ところで、燃料電池の発電の仕組みやメリットとは、どのようなものなのでしょうか。

燃料電池が発電する仕組み

水は電気分解すると、水素と酸素になります。
燃料電池はこれとは逆に、水素と空気中の酸素を反応させ、その際に化学反応によって生じるエネルギーを電気エネルギーという形で取り出します。
これが燃料電池が水素から電気を作り出す仕組みです。

出所)日本ガス協会「エネファーム(家庭用燃料電池)の仕組み」
https://www.gas.or.jp/gas-life/enefarm/shikumi/

燃料電池は、燃料である水素を供給し続ければ、連続して電気を作り続けることができます。
このため燃料電池は、電池というよりも発電装置に近いものなのです。

燃料電池が注目を集める理由

それでは燃料電池には、どのようなメリットがあるのでしょうか。

燃料電池には環境中に漏れ出すと危険な重金属が含まれているため廃棄時に気をつける必要がありますが、発電時に排出するのは水だけで環境を汚染することが無いためクリーンです。
さらに、発電に使用する水素も、川や海に存在する水を電気分解すればいくらでも作り出すことができ、化石燃料のように枯渇する心配がありません。
また、発電能力があるため、災害時には非常用の電源としても使えるというメリットもあります。
他にも、省エネという観点では、発電所で発電する場合に比べ送電による電力ロスが無いことから、エネルギーの利用効率は高くなります。

さらに、家庭や工場などで使用する燃料電池に関しては、発電の際に生じた熱エネルギーを給湯に利用すれば、エネルギーの利用効率を高めることができます。

以下の図に示すように、従来システムによる発電では、送電によるロスが生じるため、エネルギー利用率は41%程です。
しかし、家庭用燃料電池であれば、送電によるロスが無いうえに、発電で生じる熱を給湯に利用することで、エネルギー利用率を約87~97%にまで高めることができます。

出所)日本ガス協会「エネファーム(家庭用燃料電池)の特徴」
https://www.gas.or.jp/gas-life/enefarm/tokucho/

このように、電気と熱エネルギーを同時に発生させて利用する形態はコージェネレーションと呼ばれ、省エネという観点から注目を集めています。

海外での燃料電池の普及

地球温暖化は一国の問題ではなく、世界が一丸となって取り組まなければならない課題です。
そのため燃料電池の普及に向けた活動は、世界中で行われています。
海外では燃料電池の普及に向けて、どのようなことが行われているのでしょうか。

アメリカでの動向

アメリカでは、以下の表に示すようにフォークリフトを中心に燃料電池の利用が進んでいるというのが特徴です。

フォークリフトが動き回る範囲は、工場や倉庫の敷地の中だけです。
そのため、広範囲にわたって大規模な水素ステーションを作る必要がありません。
また、日勤と夜勤の交代時のフォークリフトが止まっている間に燃料補給を行えば、時間も有効に活用できます。

とりわけAmazon等が燃料電池を搭載したPlug Power社製のフォークリフトを大量に導入しています。*1

出所)NEDO「米国における水素・燃料電池技術開発動向」P10,11
https://www.nedo.go.jp/content/100895017.pdf

また、燃料電池自動車についても、カリフォルニア州を中心に普及が進んでおり、まだまだ自動車全体数から見ると少ないものの、2024年までには47,200台に増加すると見込まれています。*1

中国での動向

中国の場合には、バスやトラックでの普及がメインになっています。
2019年末までに累計で販売された燃料電池自動車6,178台は、ほぼ全てが商用車(バス、トラック)です。*2

バスやトラックが動き回る時間や路線は、あらかじめ決まっています。
そのため、いつ、どこで燃料補給すべきなのかが明確になり、水素ステーションの数も必要最小限に抑えることができます。

水素ステーションは中国全土で52ヵ所あり、以下に示す図はそのうちの29ヵ所の分布を示したものです。

出所)NEDO「中国の水素・燃料電池産業の動向」P1
https://www.nedo.go.jp/content/100902859.pdf

まずは決まった路線を動くバスやトラックを中心に基盤を固めておいてから、自動車に普及させようと考えている様子がうかがえます。

欧州での動向

欧州の場合を見てみると、中国と同様にバスを中心に燃料電池の普及が計画されています。
以下に示すのは、JIVEと呼ばれるプロジェクトで予定されている、燃料電池で動くバスの導入予定数です。

出所)経済産業省「水素・燃料電池戦略ロードマップの進捗確認及び国内外における水素・燃料電池利活用状況調査」P34
https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/H30FY/000245.pdf

JIVE・JIVE2プロジェクトにおいて、2020年代前半に300台の燃料電池で動くバスの導入を目指すとされています。*3

この他にも、自然エネルギーを使って水素を作り出し、その水素を燃料電池で利用しようという取組みも行われています。
これは「Power to Gas」と呼ばれ、欧州でのこの取組みは実証事業数や多様性において他地域を先行しており、その動向に注目が集まっています。*3

太陽光や風力といった自然エネルギーでは、発電量が天候に左右されてしまうため、電力の供給が安定しません。
そこで、そのような問題を解決するために、自然エネルギーを用いていったん水素に変えてから利用するという取組みが行われているのです。

日本での取組み

日本はエネルギーの大部分を中東の石油に依存しています。
さらに、日本は地震などの災害が多い国でもあります。
地球温暖化の解決に向けて技術力で貢献するという一面もある一方で、日本にはエネルギー自給率や災害への備えといった課題があります。
そんな日本では、どのような取組みがされているのでしょうか。

日本の現状

日本で最も普及が進んでいる水素関連技術は、家庭用燃料電池(エネファーム)です。
日本は燃料電池に関する技術的優位性を背景に、世界に先駆けて定置用燃料電池が一般家庭に導入され、すでに23万台以上が普及しました。
2030年までに530万台の導入を目指すとされています。*4

海外では物流やバスでの動力源としての燃料電池の利用が推進されているのとは対照的です。
日本はエネルギー自給率が低いということに加え、地震などへの災害の備えとして燃料電池が注目されているというのがうかがえます。

コージェネレーションによって、発電時の電気だけでなく熱エネルギーも利用するようになれば、エネルギーの利用効率も上がって、エネルギー自給率も向上します。
さらに自然災害による停電への備えにもなるでしょう。

燃料電池普及に向けた政策

日本では、平成29年に「水素基本戦略」をまとめ、2050 年までに 80%の温室効果ガスの排出削減を目指すとともに、その実現に向けた2030年までの行動計画が示されました。

エネファームについては、家庭における従来型のエネルギー利用よりも経済的に優位となることを目指し、2020 年頃までに、PEFC(固体高分子形燃料電池)型標準機については 80 万円、SOFC(固体酸化物形燃料電池)型標準機ついては 100 万円の価格を実現(投資回収年数を 7~8年に短縮)した上で、その後の自立的普及を図るとされています。*5

クリーンな水素社会の実現に向けて

燃料電池の普及に関しては、まだまだ発展途上であり、さらなる普及に向けた取組みが必要です。
クリーンな循環型社会を実現するためには、どのようなものが必要になってくるのでしょうか。

自然エネルギーから水素を作る

燃料電池で発電するために必要な水素は、どのようにして調達されているのでしょうか。

以下に示すように、化石燃料の改質、製鉄所等から出た副生ガスの精製、自然エネルギーを用いた水の電気分解、バイオマスで発生したメタンやメタノールの改質という4つのルートがあります。

出所)資源エネルギー庁「水素の製造、輸送・貯蔵について」P5
https://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/suiso_nenryodenchi/suiso_nenryodenchi_wg/pdf/005_02_00.pdf

現在広く用いられている方法が、化石燃料の改質と製鉄所等から出る副生ガスの精製です。
この方法では、安定して水素を供給できる一方で、CO2も同時に発生してしまいます。*6

そこで、CO2を排出せずに安定して水素を調達する方法として注目されるのが、先ほどもご紹介したPower to Gasの取組みなのです。

燃料電池の普及に向けた課題

燃料電池はクリーンなエネルギーシステムとして注目を集めているにも関わらず、普及が思うように進んでいない背景には何があるのでしょうか。

先ほどもご紹介した通り、現在の水素の調達手段は化石燃料がもとになっており、水素の製造段階でCO2が発生してしまいます。
水素は燃料としてクリーンでも、それを入手する際にCO2が出てしまうというのが問題なのです。

Power to Gasの取り組みも、始まったばかりです。
化石燃料に頼らずに水素を調達できるようにならなければ、全体的にみてクリーンであるとも言えず、燃料電池の普及も進みません。

また、水素ステーションのような水素インフラの整備にも多くのコストがかかることから、普及が進まない要因となっています。

CO2を排出しないクリーンなエネルギーの実現へ

水素社会が実現し、化石燃料に頼ることが無くなれば、地球温暖化の解決への寄与が期待できます。
また、水を電気分解して水素を作り、その水素を使って発電するというサイクルが出来上がれば、資源の枯渇の心配も無くなります。

発電に必要な水素を化石燃料から作っているという今の段階では、クリーンであるとは言えません。
CO2の排出をゼロにするためには、水素を全て自然エネルギーによって作り出す必要があります。

さらに、燃料である水素を供給するインフラの整備も欠かせません。
現在、世界の各地で水素インフラの建設が進められています。
家庭用燃料電池や燃料電池自動車を、生活の中に取り入れるという日も近いのかもしれません。

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参照・引用を見る

*1 出所)NEDO「米国における水素・燃料電池技術開発動向」P11~12
https://www.nedo.go.jp/content/100895017.pdf

*2 出所)NEDO「中国の水素・燃料電池産業の動向」P2
https://www.nedo.go.jp/content/100902859.pdf

*3 出所)経済産業省「水素・燃料電池戦略ロードマップの進捗確認及び国内外における水素・燃料電池利活用状況調査」P34,36
https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/H30FY/000245.pdf

*4 出所)経済産業省「第5次エネルギー基本計画」P62
https://www.meti.go.jp/press/2018/07/20180703001/20180703001-1.pdf

*5 出所)経済産業省「水素基本戦略」P5,29
https://www.meti.go.jp/press/2017/12/20171226002/20171226002-1.pdf

*6 出所)資源エネルギー庁「水素の製造、輸送・貯蔵について」P6~14
https://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/suiso_nenryodenchi/suiso_nenryodenchi_wg/pdf/005_02_00.pdf