水素自動車（水素燃料電池車）とは何か？仕組みや電気自動車との違いについて

脱炭素社会の実現に向け、自動車業界ではさまざまな代替エネルギー技術の開発が進められている。そのなかでも注目が集まっているのが水素を燃料とする水素自動車（水素エンジン車・水素燃料電池車）。従来のガソリンエンジンと異なり、エネルギーの生成過程で二酸化炭素を排出しないのが最大の特長だ。環境負荷の低減に寄与できるとして、現在、国内外の自動車メーカーが開発を進めている。本記事では、水素自動車のなかでも水素燃料電池車の仕組みや原理、市場の現状、技術的課題などに焦点を当てて解説したい。

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　水素自動車とは？

水素自動車とは、その名の通り、水素を動力源として走行する車両のことを指す。英語ではHydrogen Vehicleと呼ばれる。水素自動車には2つのタイプがある。

1つが水素エンジン車（H₂ ICE）だ。従来の内燃機関を改良し、ガソリンやディーゼルの代わりに水素を燃料とする。もう1つが水素と酸素の化学反応を利用して電気を生成し、その電力でモーターを駆動させ、車両を走行させる水素燃料電池車だ。燃料電池自動車（FCEV・FCV）と同義とされる。

この2つのうち、市場に先行して普及しているのは水素燃料電池車だ。水素エンジン車は従来の内燃機関技術を応用できるものの、水素の燃焼特性を考慮した設計が求められるため、技術的なハードルが高いとされる。

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　水素自動車と電気自動車の違い

水素自動車と電気自動車の主な違いは、エネルギーの供給方法や走行メカニズムにある。水素自動車は水素を燃焼させて動力を直接得るのに対し、電気自動車は外部から供給された電力をバッテリーに蓄積し、その電力でモーターを駆動させる。

水素自動車は燃料の補充が迅速であり長距離走行に適しているものの、水素ステーションの整備が進んでいない。一方、電気自動車は充電インフラが整備されつつあるが、充電に時間がかかることや、バッテリーの製造や廃棄に伴う環境負荷、使用されるレアメタルの供給問題などが問題視されている。

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　水素自動車の仕組み・原理

車両に搭載された高圧水素タンクに貯蔵された水素を燃料電池スタックに供給し、空気中の酸素と化学反応させることで電力を生成する。この際、生成された電力は車両の駆動用モーターに供給され走行が可能となる。なお、反応の生成物は水だけであり、走行中に直接的な二酸化炭素を排出することはない。

　水素自動車は危険？安全性は？

水素は安全性について多くの誤解がある。まず、適切な設計と管理を行えばガソリンなどほかの燃料と同様に安全に運用することが可能だ。自然発火温度は約527℃で、ガソリンの約300℃よりも高く自然発火しにくい性質をもつ。また、空気中で最も軽い気体であり、漏れた場合でも速やかに上昇・拡散するため、爆発性の混合気を形成しにくいとされている。

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　水素自動車の普及率と市場規模

Knowledge Sourcing Intelligenceの調査によれば、水素自動車（FCEV）の市場規模は2025年に83億1,424万3,000米ドルに到達し、2030年には204億9,541万3,000米ドルにまで伸長すると予測。

特に、北米や欧州は水素ステーションなど支援インフラが整備されていることもあり、市場で大きなシェアを占める予測となっている。アメリカのカリフォルニア州ではアドバンスト・クリーンカーII（ACCII）、欧州では「Fit for 55」など、自動車メーカーに対して厳格なCO₂排出基準を設けており、より持続可能で環境にやさしいソリューションを採用する傾向が強いことも要因のひとつとして挙げられる。

世界全体の水素ステーションの設置数は2020年末時点で約544ヶ所で、中国はそのうち128ヶ所と全体の20%以上を占めている。さらに、2022年に中国の石油化学最大手の中国石化が「中国石化水素エネルギー中長期発展戦略」において、2025年までに水素ステーションを1,000ヶ所設置する計画を発表。

ちなみに、一般社団法人次世代自動車振興センターによると、日本全国で設置されている水素ステーションの数は2024年9月11日時点で157ヶ所としている。なお、2025年までに320ヶ所程度、2030年までに1000ヶ所程度の設置が目標に掲げられている。

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　水素自動車のメリット

水素自動車は二酸化炭素を排出しないだけでなく、電気自動車と比べて補充時間が短いことや航続時間が長いことなどがメリットとして挙げられる。

　二酸化炭素を排出しない

従来のガソリン車は、ガソリンを燃焼させる際に二酸化炭素を排出する。しかしながら、水素自動車は空気中の酸素と水素を燃料電池内で反応させ、電気を生成して走行するため、燃焼過程で生成されるのは主に水蒸気で二酸化炭素は発生しない。ただし、水素自動車の環境負荷を正確に評価するには、製造から廃棄までの一連のプロセスを総合的に判断する必要がある。

現在、石油や天然ガスなどの化石燃料を原料として生産されるグレー水素が主流だが、グレー水素は、製造過程で二酸化炭素が生成され、回収・貯留されることなく大気中に放出されてしまう。

　燃料の補充時間が短い

水素自動車における燃料の充填はわずか3分程度で、この時間はガソリン車の給油とほぼ同等とされる。現在、普及が進んでいる電気自動車は急速充電でも30分から1時間程度、通常の充電でも2時間以上かかることから、顕著な利点の1つといえるだろう。

　電気自動車よりも航続距離が長い

電気自動車の航続距離は車種やバッテリー容量によって異なるが、平均的には約400km程度とされている。一方、水素自動車は一回の充填で約600km以上の走行が可能だ。ちなみに、トヨタの「新型MIRAI」の航続距離は最大850kmに達する。

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　水素自動車のデメリット・課題

地球環境にやさしい水素自動車だが、普及を推し進めるには解決すべき技術的な課題や問題点が多く存在している。

　水素ステーションが少ない

2025年3月12日現在、日本全国で154ヶ所の水素ステーションが設置されているものの、主に首都圏、中京圏、関西圏、九州圏などの都市部に集中しており、地方では設置数が少ないのが現状だ。電気自動車の充電スポットが約21,549ヶ所あるのと比べても圧倒的に不足しているのがみてとれる。

　車両価格が高い

ガソリン車やハイブリッド車、電気自動車と比べると車両価格が高い。価格が高止まりしている原因は大きく2つ存在する。1つが燃料電池の製造コストだ。燃料電池にはプラチナなどのレアメタルが使用されており、その採掘量には限界がある。もう1つが水素の貯蔵・輸送コストだ。水素は常温常圧の状態ではエネルギー密度が低いため、圧縮または液化しなければならない。

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　水素自動車を開発する企業・メーカー

最後に、国内の企業やメーカーが開発した代表的な水素自動車をいくつか紹介したい。

　トヨタ｜MIRAI（ミライ）

トヨタのMIRAIは、最先端の燃料電池技術を搭載したセダン型の水素自動車だ。走行中に取り込んだ空気を浄化し、クリーンな空気を排出する空気清浄機能を備えており、走れば走るほど大気をきれいにするユニークな特性をもつ。初代モデルは2014年に発売され、2020年12月に新型モデルを発表。新型MIRAIでは、高速道路や自動車専用道路での運転を支援する「Advanced Drive」や、駐車をサポートする「Advanced Park」などを行う高度運転支援システム「トヨタ チームメイト」を搭載している。

　ホンダ｜CR-V e:FCEV

ホンダのCR-V e:FCEVは、燃料電池技術とプラグイン充電機能を融合させた革新的なSUVである。具体的には、満充填の水素で約621kmの走行ができ、家庭や公共の充電設備からの充電で約61kmのEV走行が可能だ。外部給電機能にも対応しており、非常時には家庭用電源として最大1500Wの電力供給ができ、災害時などの非常用電源としても活用できる。

　日産｜エクストレイル FCV

エクストレイル FCVは、2002年に開発された燃料電池車（FCV）の先駆け的な存在だ。2004年には、神奈川県や横浜市、コスモ石油などに納入され、ハイヤーとしても使用された過去がある。これにより、燃料電池車の実用性と信頼性を実証する重要な役割を果たした。

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　水素自動車の将来性と今後について

水素自動車は、次世代の輸送手段として注目を集めており、その仕組みや原理は燃料電池を活用した革新的な技術に基づいている。市場は未成熟ではあるものの、各国の政策支援や技術革新によって急速に成長している分野といえるだろう。しかし、インフラ整備や車両価格の高さなど解決すべき問題も多い。それでも、持続可能な社会に向けた重要な一歩となることから、引き続き各国、各企業の動向は注目したいところだ。