一般財団法人環境イノベーション情報機構
エコチャレンジャー 環境問題にチャレンジするトップリーダーの方々との、ホットな話題についてのインタビューコーナーです。

No.034

Issued: 2014.10.10

第34回 トヨタ自動車株式会社技術統括部・河合大洋担当部長に聞く、燃料電池自動車の可能性と開発の現状

河合 大洋(かわい たいよう)さん

実施日時:平成26年9月10日(水)10:00〜
聞き手:一般財団法人環境イノベーション情報機構 理事長 大塚柳太郎
ゲスト:河合 大洋(かわい たいよう)さん

  • 1978年、トヨタ自動車入社
  • エンジン先行開発、欧州駐在、基礎・先行開発企画業務を経て、2001年〜2012年FC開発の部長を務める。
  • その後、技術統括部 担当部長としてFCV市場導入の企画・渉外活動、他社との協力体制構築を担当し、現在に至る。
目次
燃料電池の中で自動車に向いているのは、薄い高分子膜で水素イオン(H)の移動で発電する「固体高分子型」というタイプ
バラード社が、燃料電池を車など民生用に使おうと考えた発想は素晴らしいものでした
自動車メーカーは、石油を大切に使いながら、石油でない新しいエネルギーを用いた車を開発、市場導入も進めようとしている
燃料電池車を日本で開発することは、日本の技術の向上や新たな産業の創出という意味でも非常に意義が大きい
再生可能エネルギーが10%程度を超えると、余剰エネルギーの問題が大きくなるので、水素に変えて貯める技術が重要
燃料電池を自力でつくることができる会社は、世界で限られている
ガソリン車が100年かけて今の地位を築いた歴史を振り返れば、水素インフラの整備が5年や10年で済むことはない

燃料電池の中で自動車に向いているのは、薄い高分子膜で水素イオン(H)の移動で発電する「固体高分子型」というタイプ

大塚理事長(以下、大塚)―  本日は、EICネットのエコチャレンジャーにお出ましいただきありがとうございます。河合さんは、トヨタ自動車株式会社の技術統括部担当部長として、燃料電池車の開発で多方面にわたり活躍されておられます。本年度中に販売を開始されますので、この機会に燃料電池車の仕組み、開発の歴史、そして現状と今後の展望などについてお伺いしたいと思います。宜しくお願いいたします。
 早速ですが、燃料電池とはどのようなものかからお教えください。

河合さん― 燃料電池にもいろいろな種類があり、主に5種類が研究開発されています(表1)。その中で自動車に向いているのは、薄い高分子膜で水素イオン(H)の移動で発電する「固体高分子型」というタイプです。
 図1に示すように、ラップのように薄い高分子電解質膜が、Hだけを通す性質をもっており、その両側に触媒を塗ると、片側では水素(H2)が触媒作用でHとe-(電子)に分かれて、e-は回路を回りHは膜を通過します。一方、反対側では触媒作用で酸素が分解し、Hとe-と酸素(O2)が合体し水(H2O)ができるという仕組みです。水素と酸素から電気と水をつくるので、水の電気分解の逆のイメージですね。
 電解質膜に触媒を塗ったMEA(膜・電極接合体)を、セパレータという板で挟んだものがセル(図1の「単セル」)と呼ばれます。1枚のセルで1ボルトくらい発電します。セルを積層したものを「スタック」といいます。

【表1】燃料電池の構造


【図1】燃料電池の構造
[拡大図]

大塚― いくつくらいのセルをつかい、大きさはどのくらいになるのですか。

河合さん― セルはA4の紙くらいの大きさで、「スタック」は数百枚のセルを積層します。積層したものを1つの箱に入れて「FCスタック」と呼んでいます。ご承知のように、出力あるいはパワーはキロワット(kW)で表され、電圧と電流の積になります。電圧を上げてパワーを出そうと思えば、セルの枚数を増やせばいいのです。一方、電流を多く流したければセルの面積を広くすればいいのです。私どもはシステム全体の効率を考え、面積と枚数の最適なバランスで設計しています。

大塚― 車種によって変えることもあるのですか。

河合さん― セルの設計は結構複雑ですので、種類をあまり増やすのは得策ではありません。できれば、セルは一種類にして積層枚数を変える事で、小型車から大型車までカバーしたいと思っています。

バラード社が、燃料電池を車など民生用に使おうと考えた発想は素晴らしいものでした

大塚― 燃料電池の歴史についても教えてください。

河合さん― 燃料電池の歴史は古く、1839年にイギリスのグローブ卿が発電の原理を実証したのですが、その時の出力は小さく、あまり見向きされませんでした。その後、1961年に、NASA(アメリカ航空宇宙局)が宇宙船用に開発を始めました。宇宙船の中で使う電気を燃料電池で発電し、水素と酸素からできる水を飲料水に使おうとしたのです。ほかに潜水艦の電源など、欧米諸国を中心に軍事用と宇宙用に開発が進みました。
 自動車を含めた民生用の開発として注目されるのは、1979年に設立されたカナダのバラード社が始めた、固体高分子型の燃料電池を使うチャレンジングな試みです。バラード社が、燃料電池を車など民生用に使おうと考えた発想は素晴らしいものでした。

大塚― チャレンジは成功したのですか。

河合さん― もちろん簡単ではなかったのですがダイムラー・ベンツ社、フォード社がバラード社の技術に注目し、自らも出資してバラード社の燃料電池を車に応用しようと考えたのです。1980年代後半のことでした。これが車への応用の最初で、このときから開発競争が世界中で始まったのです。

大塚― トヨタをはじめ日本ではどうでしたか。

河合さん― 弊社は1992年から燃料電池の研究を始めました。それ以前から、日米欧などで研究に着手されていたメーカーもあったかと思いますが、1992年当時は、実験室の中で燃料電池を作動させるレベルで、車への応用はまだまだという段階でした。

大塚― 話が逆になったかもしれませんが、燃料電池の登場に深くかかわる自動車の歴史を振り返っていただけますでしょうか。

河合さん― 最初につくられたのは蒸気自動車、ついで電気自動車です。その後、ガソリン自動車がベンツにより開発されたのです。1880年代のことです。ガソリン自動車が20世紀を席巻したのですが、いくつかの大きな理由がありました。第1は技術革新です。たとえば、エンジンをかけるのに手動でなく電気を用いるセルフスターターが実用化しました。第2に、フォード社が大量生産ラインをつくり、価格を4分の1くらいまで下げるのに成功したことです。そして、最大の理由は、幸運にも20世紀には安い石油が大量に供給されたのです。

大塚― ガソリン車全盛時代を迎えた理由がよく分かります。

自動車メーカーは、石油を大切に使いながら、石油でない新しいエネルギーを用いた車を開発、市場導入も進めようとしている

河合さん― 21世紀がなぜ「水素の時代」なのかをお話しする前に、20世紀後半の状況を整理しておきたいと思います。20世紀には石油が大量に安く供給されたのですが、21世紀になると翳りが出てきました。供給量と価格高騰への不安です。もう1つ重要になってきたのが、地球温暖化をもたらすCO2の排出量の増加ですね。昨今の暴風雨とか洪水などの気候変動も、大気中のCO2濃度の上昇によるところが大きいと言われています。この2つの理由から、自動車メーカーは、石油を大切に使いながら、石油に頼らない新しいエネルギーを活用した車の開発、市場導入も進めています。

大塚― 対象としているエネルギーをご紹介ください。

河合さん― バイオ燃料、電気、水素の3つが有力です。しかし、バイオ燃料については供給量が世界的にみて十分ではありません。ブラジルのように、サトウキビからバイオエタノールを大量につくれれば国内の供給はできますが、そのような国は限られています。その上、食料とのバッティングや気候の影響による収穫量の不安定さも危惧されます。それに対して、電気と水素には量的な問題はありません。しかし、体積あたりのエネルギー密度が小さく、車で運ぼうとすると航続距離が短いという大きな課題があります。たとえば、同じ体積で積めるエネルギーの量をガソリンと比較すると、電気はリチウムイオンバッテリーで約1/50、高圧水素も約1/7です。とても液体燃料にはかなわないのです。

大塚― この課題に自動車業界はどう対処してきたのですか。

河合さん― 出現した歴史が古い電気自動車については技術的な検討も早くから始まったのですが、ここでは、燃料電池車を念頭に、水素をどう貯めてどう運ぶかについてお話しします。
 1980年代には、現在のような、700気圧の高圧タンクをつくる技術はありませんでした。ダイムラー社は、メタノールを燃料として積んで、車の上でメタノールから改質して水素を取り出し、その水素で燃料電池を動かす技術開発に取り組みました。実際、この技術をつかった燃料電池車が1990年代につくられたのです。
 一方、1980-90年代はガソリン車の排気ガス規制が大きな問題になったときでした。バッテリーEVの課題を解決する候補として、1990年代に燃料電池に白羽の矢が立てられたのです。その後、車の中でメタノールを改質することと対比させ、水素を直接車に積むことができれば複雑な過程を避けられると注目されたのです。2000年以降は、水素を積む技術開発が世界的なコンセンサスになりました。私が燃料電池車開発チームのメンバーになった2001年は、ちょうどこのころでした。

大塚― 先ほどお話しいただいた体積エネルギー密度についてご説明ください。

河合さん― 水素をつかってガソリン車と同じ航続距離にするには、体積エネルギー密度が7分の1というハンディキャップを解消しなくてはなりません。そのために、タンクのサイズをガソリン車の約2倍にし、燃費効率をガソリン車の3〜4倍に高めるのです。原理はこのとおりですが、パワーを出す技術、耐久性を高める技術など、さまざまな技術革新が必要でした。大きなFCスタックでもパワーが出なかったり、パワーはあっても100時間程度運転したら壊れてしまうことさえあったのです。



燃料電池車を日本で開発することは、日本の技術の向上や新たな産業の創出という意味でも非常に意義が大きい

大塚― 多くの難問を解決されたのだろうと思います。少し話題を変え、技術開発を離れて、水素をつかうメリットについてお伺いしたいと思います。

河合さん― 私たちは、水素及び燃料電池は日本にとって付加価値の高い燃料あるいは技術になると考えています。3つの点があげられます。
 第1は、原油の輸入を減らし国富の海外流出の削減をもたらすことです。図2にあるように、原油価格が高騰して以来、日本は以前よりも年に10兆円も多く産油国に支払っているのです。車の燃料代の内訳を、燃料電池車と、ハイブリッドのガソリン車と比べるとはっきりします(図3)。ガソリン車の場合、燃料代の7〜8割が原油を輸入するコストです。燃料電池車の場合、仮に水素を天然ガスからつくるとしても、その輸入コストは水素コスト全体の2〜3割で済み残りは国内の価値として使えます。

【図2】日本の原油の輸入量と輸入額の推移
[拡大図]

【図3】ハイブリッド・ガソリン車と天然ガス改質の水素による燃料電池車が10キロメートルを走行する際の燃料代(税金は含まない)
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大塚― 第2点はどのようなことでしょうか。

河合さん― 2つ目は、日本の産業競争力にかかわっています。燃料電池車は、車を動かすモーター、プリウスのようなハイブリッド車と同じようなバッテリー、ほかにも電気を制御するインバーターやDC/DCコンバーターをもっています。これらの技術は日本がとても強いのです。また、燃料電池の技術として、先ほどご紹介した「FCスタック」の材料や、水素タンクを700気圧の高圧で保持するカーボンファイバーなども、日本は世界的にも強みを持っています。したがって、燃料電池車を日本で開発することは、日本の技術の向上や新たな産業の創出という意味でも非常に大きいと考えています。
 一方で、水素ステーションについては、つくるためのコストが欧米で2億円以下なのに、日本では4億円もします。ステーションにかかわる、高圧で水素を貯める蓄圧機の技術、コンプレッサーの技術、冷凍機の技術、水素を計量する技術などは、日本がトップレベルなのです。それにもかかわらず、コストが高くなる大きな理由は日本の規制が厳しい事と、未だ最適設計がされていないためです。

【図4】HySut 豊田エコフルタウン実証水素ステーション

HySut 豊田エコフルタウン実証水素ステーション

大塚― 規制緩和が必要ということですね。

河合さん― はい。それと、我々がさまざまな関係者と議論していると、規制もさることながら、欧米諸国と日本の文化の違いも大きいと感じています。たとえば、欧米でも水素を扱う法規にはグレーゾーンが多いのですが、欧米では、法規が揃わずグレーゾーンの場合でも、自己責任でやろうと考えるのに対し、日本では国に法規を作って頂き、それを守ろうと考えがちです。
 自動車は国際商品ですから、自動車そのものの規格や基準は国際標準化が進みつつありますし、車の認可にかかわる安全基準も国際基準調和が進んでいます。ところが、ステーションについては国際調和の発想が弱く、現在日本の規制を欧米と同じレベルにしてほしいと要望しているところです。


再生可能エネルギーが10%程度を超えると、余剰エネルギーの問題が大きくなるので、水素に変えて貯める技術が重要

大塚― 実現を期待したいと思います。ところで、第3の点もご説明ください。

河合さん― 3つ目の意義は、エネルギーの貯蔵に関係しています。これから使用量が増える、風力や太陽光などの再生可能エネルギーは変動が大きいのです。今でもナトリウム・硫黄電池【1】への電気の貯蔵などが行われていますが、大量かつ長期間の貯蔵は向いていません。その場合、電気分解で水素に変えて貯め、必要な時に水素から電気に変えることが検討され始めています。水素は燃料電池で発電すれば電気になりますし、電気分解すれば水素に戻ります。再生可能エネルギーが10%程度を超えると、余剰エネルギーの問題が大きくなりますので、この技術、社会システムは重要です。

大塚― 具体的にはどのようなことが考えられているのでしょうか。

河合さん― たとえば、春に余剰に発電した電気を水素にして貯め、夏のピーク時に使うのです。あるいは、夜間に風力発電でつくられる電気を水素にして貯め、本当に電気が必要な時に水素を使って発電するのです。  また、北海道の余剰風力発電で水素をつくり東京などへ運ぶことも有望です。実は、このモデルはドイツで試行が始まっています。ご存じのとおり、ドイツでは再生可能エネルギーが20%を超えており、余剰エネルギーも多く出ています。余った電気は電気分解して水素にして貯め、必要な時に水素で発電しようとしているのです。

大塚― エネルギーを水素にして貯蔵することが、燃料電池車の本質ともいえるのですね。

河合さん― 水素で動く燃料電池車が自動車として優れている点として、3分間くらいで満タンにすることができ、1回の充填で700キロメートルも走ることができ、非常用の給電能力として電気自動車より4〜5倍も優れていることなどがあげられます。すなわち、EV(電気自動車)のような特性(ゼロエミッション、エネルギー多様化、モーター駆動によるFun to Drive)とガソリン車がもつ利便性を兼ね備えていると思います。

大塚― そうしますと、将来は、ほとんどの車は燃料電池車になるのでしょうか。

燃料電池を自力でつくることができる会社は、世界で限られている

河合さん― 課題が3つあります。1つは車の価格で、まだまだ高いのです。このことについては自動車メーカーが努力する部分が大きいのですが、残りの2つは、水素インフラの整備と水素価格を下げることで、社会的な投資や国からの支援も必要になります。
 水素インフラの整備で最も重要なのは、水素ステーションの開設です。日本全国には、従来からあるガソリンスタンドが減りつつありますが、一方で、電気自動車のための充電装置の整備も必要になっています。ガソリンスタンド、電気自動車用の充電装置、燃料電池車用の水素ステーションの3つを同時に整備維持するのは、簡単ではありません。
 私たち自動車メーカーも、水素、燃料電池車の普及拡大につながる努力をつづけています。燃料電池車のさらなる技術革新を目指しメーカー間で技術提携を進めていますし、燃料電池バスや燃料電池フォークリフトの開発にも着手しています。水素価格は、水素利用量が増えるほど安くできるので、ステーションなどの水素インフラの整備と深く関連するのです。

大塚― 車の価格を下げるために、どのようなことがなされているのですか。

河合さん― 実は、燃料電池を自力でつくることができる会社は、世界で限られています。開発投資の削減、技術開発のスピードアップを兼ねて、自動車会社同士の技術協力も進められています。例えば、トヨタはBMW、日産はダイムラーとフォード、ホンダはGMと連携しています。

大塚― 燃料電池車の技術は日本が進んでいるようですし、是非さらなる発展を期待したいと思います。

河合さん― そのとおりです。日本の3社は自力でFCスタックを開発しています。
 先ほど申し上げた、水素の充填に不安が起きないためのステーションの建設についていえば、4大都市圏を中心に2015年度までに100カ所の整備を目指しており、約40箇所がこの1年間に稼動して頂けると考えています。

ガソリン車が100年かけて今の地位を築いた歴史を振り返れば、水素インフラの整備が5年や10年で済むことはない

大塚― このような話を伺っていると、未来の人間と自動車の関係について考えたくなりますが、河合さんはどのようにお考えでしょうか。

河合さん― 私たち自動車業界の大きな課題は2つあると思っています。1つはエネルギー・環境問題にどう対応していくかです。もう1つは、できる限り交通事故を減らす、安全に安心して走れる技術、これが自動運転技術の活用です。エネルギー問題・環境問題についてはすでに触れた部分もありますので、自動運転技術について一言申し上げたいと思います。トヨタの基本的なスタンスは、事故を減らすためにITやITS【2】による自動運転技術を最大限活用するのは当然としても、車道が妨害物もない専用道路になれば別ですが、自動運転技術だけに頼りきるのは望ましくないと考えています。

大塚― ドライバーも責任をもつべきなのは当然だろうと思います。
 最後になりますが、EICネットをご覧いただいている方々に、河合さんからのメッセージをいただきたいと思います。

河合さん― 個人的には、今日お話ししたようなエネルギーと環境の問題が、21世紀の最も大きな課題の1つだと思っています。とくに新興国では、自動車のニーズがますます高まるでしょうから、我々、先進国の自動車会社としては、これらの問題を解決する技術なり製品を提供していく義務があり、その将来の有力な候補の1つが、水素であり燃料電池自動車だと考えています。ガソリン車が100年かけて今の地位を築いた歴史を振り返れば、水素インフラの整備が5年や10年で済むことはないでしょう。何十年かかるか分かりませんが、今まさに最初の一歩を踏み出そうとしているところです。長い目で見ていただき、ご支援をいただけるとありがたいと思います。

大塚― 本日は、長時間にわたり本当にありがとうございました。

トヨタ自動車株式会社技術統括部担当部長の河合大洋さん(右)と、一般財団法人環境イノベーション情報機構理事長の大塚柳太郎(左)

トヨタ自動車株式会社技術統括部担当部長の河合大洋さん(右)と、一般財団法人環境イノベーション情報機構理事長の大塚柳太郎(左)。


注釈

【1】ナトリウム・硫黄(NAS)電池
負極にナトリウム、正極に硫黄、電解質にβ-アルミナを用いる電池で、規模の大きい電力の貯蔵用に用いられている。
【2】ITS(Intelligence Transport Systems)
高度道路交通システム。人と道路と自動車の間で情報の受発信を行い、道路交通が抱える諸問題を解決するために考案されているシステム。