環境に優しいエンジン車「水素自動車」って？　その仕組みと開発動向を紹介

自動車産業では現在、電気自動車や水素を使って電気を作る燃料電池自動車など、環境に配慮した様々な次世代自動車が開発されています[*1]。

しかし、自動車の電動化が急速に進む一方で、環境に配慮しながらもエンジン車に乗り続けたいと思うファンもいるのではないでしょうか。実は近年、エンジンを搭載しつつも環境に優しい「水素自動車」の研究開発が進んでいます。

それでは、水素自動車とはどのようなものなのでしょうか。水素自動車の仕組みや環境性、国内外の開発動向等について詳しくご説明します。

水素自動車とは

水素で走る自動車として、既に市販化が進んでいる燃料電池自動車が挙げられますが、水素自動車は燃料電池自動車とは異なります[*2]。

燃料電池自動車は、燃料電池内での水素と酸素の化学反応によって発電し、その電力でモーターを稼働させて走る電気自動車のことです。

一方で、水素自動車は、従来の内燃機関の燃料を水素に置き換えたエンジンを使って走行する自動車のことです。例えば、ディーゼルエンジンは、着火性がいい軽油を燃料とし、ピストン運動を起こして自動車を走行させていますが、水素エンジンは軽油の代わりに水素を燃料として使っています[*2], (図1)。

図1: 内燃機関の仕組み
出典: ヤンマーホールディングス株式会社「水素エンジンの仕組みをわかりやすく解説!　実用化に向けたメリットや将来性とは?」
https://www.yanmar.com/jp/about/ymedia/article/hydrogen.html

水素自動車の環境性

燃料電池自動車と同様に、水素自動車には、CO2排出量の抑制や再生可能エネルギーの利用促進など、環境面で様々なメリットがあります[*2]。

従来のエンジン車の燃料であるガソリンは、石油から作られています。石油は化石燃料のため、燃焼するとCO2が排出されます。一方で、水素エネルギーは、燃焼すると空気中の酸素と反応して水になるという性質があるため、走行時にはCO2をほとんど排出しません。

また、水素は再生可能エネルギー由来の電力から水を分解して生成できるため、製造時の環境負荷を低減することも可能です[*2], (図2)。

図2: 水素の製造方法
出典: ヤンマーホールディングス株式会社「水素エンジンの仕組みをわかりやすく解説!　実用化に向けたメリットや将来性とは?」
https://www.yanmar.com/jp/about/ymedia/article/hydrogen.html

現在、工業用途で使用されている水素の99％は天然ガスなど化石燃料由来の水素ですが、再生可能エネルギーを利用して製造する方法も存在します。再生可能エネルギー由来の水素は「グリーン水素」と呼ばれ、世界各国で普及に向けた研究開発・実証実験が行われています[*3]。

ドイツでは2020年に「国家水素戦略」を策定し、2030年までに14TWhのグリーン水素供給を目指すとしています。また、中国でも、国内の水素供給に占めるグリーン水素の比率を2030年に15％、2050年までに70％まで引き上げるとしており、将来的なグリーン水素の供給量増加が見込まれています[*4]。

水素自動車の普及に向けた国内外の動向

海外における水素自動車の開発動向

   
近年、欧州や中国など水素利用の進む国や地域で、水素エンジンの研究開発が進んでいます。

欧州では、2021年4月末に開催された「ウィーン・モーター・シンポジウム」において、ドイツのダイムラー社やボッシュ社など欧州自動車関連メーカーが水素エンジン技術を続々と発表しました[*5]。

同シンポジウムにおいて、水素エンジン技術を披露したドイツのIAV社は、燃料製造段階と走行段階におけるCO2排出量は、電気自動車と比べて少なくなると試算しました。総保有コストの面でも、水素エンジンに分があり、脱炭素に向けた有力な選択肢になると主張しています。

また、大手エンジニアリング会社であるオーストリアのAVL社も、水素エンジンの課題であったNOx（窒素酸化物）の排出量を十分に抑えられるという解析結果を発表するなど、水素エンジンがカーボンニュートラル実現のカギになることを期待しています。

欧州以外でも、水素エネルギーの導入が積極的な国や地域で水素エンジンの開発が進んでいます。例えば、中国の中国第一汽車集団傘下の一汽解放汽車は、2022年6月に独自開発した大型商用車用水素燃料エンジンの安定燃焼に成功したと発表しました[*6]。

中国では、国家発展改革委員会が2022年3月に公表した「水素エネルギー産業発展中長期計画（2021～2035年）」において、水素がカーボンニュートラル実現に向けた重要手段に位置付けられるなど、水素の重要性が高まっています。

燃料電池自動車と比較して水素自動車の実用化はまだ先と言えますが、各国で水素エンジン実用化に向けた期待感が高まりつつあると言えるでしょう。

国内における水素自動車開発動向

  
日本では、1970年代に武蔵工業大学（現東京都市大学）が水素エンジンを初めて運転するなど、古くから研究が行われてきましたが、近年、その取り組みが再び活発化しています[*2]。

例えば、2021年4月にトヨタ自動車株式会社は、水素エンジンの技術開発に取り組むことを発表し、水素エンジンを搭載した限りなく市販車に近い車両で長時間走り切るレース「スーパー耐久シリーズ2021」に出場しました。

また、2023年5月に開催された「ENEOSスーパー耐久シリーズ」では、同社の開発した液体水素自動車が24時間レースを完走しました[*7, *8], (図3)。

図3: 液体水素を燃料として搭載した水素エンジンカローラ
出典: トヨタ自動車株式会社「水素エンジンカローラ、液体水素を燃料として搭載し、スーパー耐久富士24時間レースに参戦」
https://global.toyota/jp/newsroom/corporate/39234812.html

液体水素を燃料として搭載した車両でのレース参戦は、世界初の試みとして注目を集めました。燃料を液体水素にすることで、これまで圧縮気体水素を作るために必要であった圧縮機等の設備が不要となったため、気体水素使用時の4分の1までコンパクトにすることができるようになりました[*8]。

また、燃料を気体から液体にすることによって、体積当たりのエネルギー密度が上がるため、航続距離は約2倍となっています。

公道における水素自動車の実証走行試験も始まっています。株式会社フラットフィールドは2023年6月に、東京都市大学等と2021年8月から共同で実施している「既販中型重量車の水素エンジン化事業性検証プロジェクト」において、富山県内での実証走行試験の開始を発表しました[*9], (図4)。

図4: 水素エンジントラック出発式典の様子
出典: 東京都市大学「～環境省『水素内燃機関活用による重量車等脱炭素化実証事業』～『既販中型重量車の水素エンジン化事業性検証プロジェクト』において富山県内にて貨物輸送に向けた実証走行試験を開始」
https://www.tcu.ac.jp/news/all/20230627-51341/

出力向上のため、ピストンや水素供給系部品を最適化することで、同排気量の既販ディーゼルエンジンと遜色ない性能を実現しています。また、同車両は16本の水素タンクを搭載しており、300km以上の連続航続距離が確保されています。今後は実証試験を経て、2026年度の販売開始を目指すとしています[*10]。

水素自動車の普及に向けた今後の展望

「スーパー耐久シリーズ」への出場や公道における実証試験など、実用化に向けて取り組みが進む水素自動車ですが、先述したように課題も山積しています。

例えば、液体水素を燃料にした水素自動車の研究開発が進んでいますが、液体水素の充填や貯蔵のため、－235℃より低い温度で保ち続ける必要があります。それに伴い、低温環境下で機能する燃料ポンプ技術の開発や、タンクから自然に気化する水素への対応などが不可欠です[*8]。

また、エンジン自体だけでなく、水素インフラの整備も求められています。既に市販化されている燃料電池自動車と同じ水素ステーションを活用できるというメリットはありますが、水素を安く大量に生成し、供給する方法はまだ確立されたとは言えません。加えて、水素ステーションの建設費（約5億円）や維持費が高く、現在の技術水準で販売しようとすると、水素製造コストを上乗せした高い価格となってしまいます[*11]。

今後は、水素インフラの整備と水素エンジン自体の開発を同時に進めていくことが、水素自動車普及のカギになると言えるでしょう。

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