水素交通の可能性

水素モビリティ向け燃料電池システムの認証・評価技術：国際標準と技術課題

はじめに：認証・評価が水素モビリティ普及を加速する鍵

水素燃料電池自動車（FCEV）をはじめとする水素モビリティの実用化と普及には、燃料電池システム（FCS）の安全性、性能、耐久性、そして信頼性をいかに担保し、社会に受け入れられるかが極めて重要です。これらの要求を満たす上で不可欠となるのが、適切かつ厳格な認証および評価技術です。特に、国際的な標準化はグローバルなサプライチェーン構築と市場拡大のために必須であり、研究開発の現場においても、これらの認証・評価プロセスを考慮した設計や技術開発が求められています。

本稿では、水素モビリティ向け燃料電池システムの認証・評価に関する現状の国際標準とその技術的要求、そして現在直面している技術的な課題に焦点を当て、研究開発エンジニアの皆様の研究活動や技術課題解決への一助となる情報を提供することを目指します。

燃料電池システムの認証・評価の概要

燃料電池システムの認証・評価は、主に以下の要素に対して実施されます。

• 燃料電池スタック単体: 発電性能、電圧-電流特性、効率、セル間ばらつき、起動停止特性、応答性など。
• 燃料電池システム（FCS）： スタックに加え、空気供給系、水素供給系、熱・水マネジメント系、制御システム、高圧保護、水素漏洩検知システムなど、システム全体の機能、性能、効率、耐久性、安全性。
• 車両レベル: FCEVとしての総合性能、電費（水素燃費）、航続距離、安全性（衝突時の安全性、水素貯蔵タンクの安全）、EMC（電磁両立性）など。

これらの評価項目は、主に以下の観点から実施されます。

1. 性能評価: 定格出力、最大出力、効率、応答性、低温起動性など、システムが設計通りの性能を発揮するかを確認します。
2. 耐久性評価: 加速劣化試験、運転サイクル試験、高温高湿試験、低温試験など、長期間の使用に耐えうるか、劣化挙動を把握します。
3. 安全性評価: 水素漏洩時の対応、異常検知・遮断機能、電気的安全、耐圧性能、耐衝撃性能など、異常時や事故発生時の安全性を確認します。
4. 環境性評価: 排出物（水のみですが）、騒音、振動など。

これらの評価を通じて、システムが各国・地域の規制や国際標準を満たすことを証明し、認証を取得します。

国際標準化の動向と主要規格

水素モビリティ向け燃料電池システムに関する国際標準化は、ISO (国際標準化機構)、IEC (国際電気標準会議)、そして国連欧州経済委員会 (UNECE) といった機関を中心に進められています。主要な規格には以下のようなものがあります。

• ISO 23273 (Hydrogen fuel - Product specification - Proton exchanging membrane (PEM) fuel cell for road vehicles): 燃料電池車用プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）システムの製品仕様に関する規格。性能、耐久性、安全性に関する試験方法や要求事項を規定しています。
• IEC 62282シリーズ (Fuel cell technologies): 燃料電池技術全般に関する規格で、パート6-100として「燃料電池マイクロコージェネレーションシステム」など用途別の規格が含まれます。直接的なFCEVシステム向け単体規格としてはIEC単独よりISOとの連携が進んでいます。
• ISO/TS 19880シリーズ (Gaseous hydrogen - Fuelling stations): 水素ステーションに関する技術仕様。安全要求、性能要求などが含まれ、車両側の受入側インターフェースの基準にも関連します。
• UNECE Regulation No. 134 (Uniform provisions concerning the approval of motor vehicles with regard to the safety-related performance of hydrogen systems): 燃料電池車の水素システムに関する安全性能承認に関する規則。特に高圧水素貯蔵タンク（タイプ4タンクなど）の安全性に関する要求事項が詳細に規定されており、耐圧、耐火、落下、外部衝撃などの過酷な試験が含まれます。これはFCEVの型式認証において極めて重要な規格です。
• ISO 26142 (Hydrogen detection apparatus – Stationary applications for hydrogen installations): 水素漏洩検知器に関する規格。ステーションや定置用途向けですが、車両への搭載を検討する上で参照される技術要素を含みます。

これらの規格は、技術革新や実証データの蓄積に伴い、定期的に改定が進められています。特にUNECE R134は、水素タンクの安全性評価の国際的なデファクトスタンダードとして機能しており、その要求事項への適合が多くの国での販売に必須となっています。研究開発においては、これらの国際標準の最新動向を常に把握し、設計段階から要求事項を満たすための技術検討が不可欠です。

認証・評価における技術的な課題と最前線

国際標準は策定されていますが、燃料電池システムの認証・評価には依然として多くの技術的な課題が存在します。研究開発の最前線では、これらの課題を克服するための技術開発が進められています。

1. 加速劣化試験の信頼性向上:

   • 課題: 実稼働における多様な運転パターン（負荷変動、起動停止頻度、環境条件など）による劣化挙動を、限られた時間で再現し、将来の寿命を精度良く予測することが困難です。触媒劣化、膜劣化、GDE劣化、ガスケット劣化など、複数の劣化モードが複合的に発生し、相互に影響します。
   • 最前線: 実稼働データを収集・分析し、それを反映した高精度な加速劣化プロファイルの策定。多様な劣化モードを個別に評価するための新しい試験手法の開発。電気化学的インピーダンス測定 (EIS) や高速サイクリックボルタンメトリー (CV) といった電気化学的診断手法を用いた劣化メカニズムの解明と定量化。オンラインでの劣化診断技術の開発。

2. 安全性評価の高度化:

   • 課題: 水素漏洩時の挙動予測、複雑なシステムにおける故障伝播解析、そして異常検知・シャットダウンロジックの確実性の証明は、理論的な解析だけでなく、複雑な試験環境での検証が求められます。高圧水素の挙動は、温度、圧力、流量、漏洩箇所の形状などに強く依存します。
   • 最前線: 計算流体力学 (CFD) を用いた水素拡散シミュレーションの高精度化。システムの故障モード・影響解析 (FMEA) を網羅的に実施し、潜在的なリスクを特定。実機を用いた水素漏洩試験、火炎試験。センサーフュージョンによる高信頼性な水素漏洩検知システムの開発。異常検知アルゴリズムのロバスト性評価。

3. システム全体の評価技術:

   • 課題: 燃料電池スタック単体の性能や耐久性だけでなく、BoP機器（コンプレッサー、ポンプ、加湿器、冷却器など）との連携、制御システムとの協調動作を含めたシステム全体の性能・耐久性・安全性を評価することは、複雑性が増します。各コンポーネントの相互作用がシステム性能に大きく影響します。
   • 最前線: システムレベルでの統合試験環境の構築。パワートレインダイナモメーターを用いた車両走行を模擬した試験。コンポーネントエミュレータやシステムエミュレータを用いたHIL (Hardware-in-the-Loop) シミュレーションによる制御評価とシステム挙動検証。デジタルツイン技術を活用した仮想的な評価環境の構築と、実機データとの連携によるモデルの高精度化。

4. 標準化への技術貢献:

   • 課題: 技術革新は急速に進んでいますが、国際標準の改定には時間がかかります。新しい技術や材料（例: 次世代膜電極接合体(MEA)、新しいBoP技術）に対する適切な評価手法や要求事項が標準に盛り込まれるまでにはタイムラグが生じます。また、地域ごとの特殊な環境条件（寒冷地、高標高、高湿度など）への対応も課題となります。
   • 最前線: 新しい技術の特性を適切に評価できる試験方法や基準案を策定し、標準化機関へ提案・貢献する活動。実証試験で得られたデータを標準改定の根拠として活用。特定の環境条件に対応するための追加試験プロトコルの開発。

研究開発への示唆：認証・評価プロセスを考慮した設計アプローチ

燃料電池システムの研究開発においては、単に最高性能を目指すだけでなく、最終的に国際標準に適合し、認証を取得できる「Design for Certifiability/Testability」の視点が不可欠です。

• 早期からの規格準拠検討: 開発の初期段階から目標とする国際規格や規制の要求事項を詳細に把握し、設計にフィードバックすることが重要です。これにより、手戻りを減らし、開発期間とコストを削減できます。
• 評価・試験技術との連携: 開発部門と評価・試験部門、あるいは研究部門と技術部門が密に連携し、開発中の技術がどのように評価されるかを理解することが重要です。評価・試験で得られたデータは、次の設計改善や基礎研究の方向性を定める上で貴重な情報となります。
• シミュレーションの活用: 物理試験だけでは検証が難しいケースや、多数の設計案を検討する際には、高精度なシミュレーション技術が有効です。特にFMEAに基づいた安全性シミュレーションや、実稼働劣化を予測するシミュレーションは、設計段階でのリスク低減に貢献します。認証・評価機関でもシミュレーション結果を一部評価プロセスに組み込む動きも見られます。
• データの標準化と共有: 評価・試験で得られたデータを標準的な形式で管理し、部門内外で共有することで、知見の蓄積と開発効率向上に繋がります。特に劣化データは、今後の寿命予測技術や診断技術開発の基盤となります。

結論：技術革新と標準化の協調が未来を拓く

水素モビリティの本格的な普及には、燃料電池システムの認証・評価技術の確立と国際標準化が不可欠です。現在も加速劣化試験の信頼性向上、安全性評価の高度化、システム全体の評価技術の確立など、多くの技術課題が存在します。これらの課題に対し、電気化学的診断、高度なシミュレーション、デジタルツインといった最先端技術の活用が求められています。

研究開発エンジニアの皆様には、これらの国際標準や評価技術の動向を常に注視し、自身の研究開発テーマを位置づけることが重要です。認証・評価プロセスを設計初期から考慮するアプローチは、確実な実用化へと繋がる道筋となります。技術革新と国際標準化が協調することで、安全で信頼性の高い水素モビリティシステムが実現され、持続可能な交通社会の実現に貢献していくことでしょう。