水素車は輸送の未来を代表する可能性がある – 安全性に関する懸念はあるのか？

水素車、または水素燃料電池車は2015年以降、現象として登場しています。水素車の将来を予測するにはまだ早いものの、関心が高く、かつ変動していることは否定できません。 

2022年から2023年にかけて、水素燃料電池電気自動車の台数は20,704台から14,451台へと減少しました。年間の減少だけでは水素車への消費者関心のトレンドを確立するには不十分です。しかし、賛否両論があります。水素車には多くの利点がある一方で、その安全性に関する議論も多数あります。以下のセクションでは、水素車のこれら両側面を検討します。 

水素車の独自性

電気自動車であるにもかかわらず、水素車は内蔵バッテリーを必要としません。車載の発電装置が燃料タンクの水素を電力に変換します。水素車は局所的な排出ガスゼロで走行します。 

しかし、これまでのところ最大の利点は短い給油時間です。他の電動車と異なり、水素車の充填は車種やインフラに依存しません。バッテリーの蓄電は長く、走行距離は外気温に左右されず、寒冷時の性能低下がありません。 

水素は再生可能エネルギーを貯蔵・輸送する非常に効率的な手段でもあり、採用により長期的なコスト削減に寄与します。 

利点が広く認識されている一方で、いくつかの研究はリスクと損傷の可能性にも言及しています。本日は、TUグラーツのチームがトンネル内における水素車のリスクと損傷の可能性を分析した事例を具体的に検討します。この研究はいくつかの提言も行っています。 

水素車のリスクと損傷の可能性：リスクを最小化する方法

Under its HyTRA project, the Graz University of Technology has investigated several aspects that could prove risky. The study assessed possible incident types, dangers to people, and the tunnel structure and recommended measures that could be taken to minimize these risks.

研究者はトンネル内で水素動力車が事故を起こす確率は低いと判断しましたが、水素の高エネルギー密度と大きな貯蔵圧力により、これらの水素燃料電池車は大規模な損傷の重大なリスクを抱えています。

車両のタンクに700バールの圧力で水素を貯蔵すると、膨大なエネルギーが急速に放出される可能性があります。点火すれば、水素は2000度以上の高温で燃焼します。メーカーは燃料タンクを機械的衝撃に耐えるよう頑丈に設計していますが、大型トラックとの追突などの状況では限界があります。

このような衝突の結果として、主に3つの危険シナリオが考えられます。

第一のケースでは、熱衝撃により圧力が上昇した際に熱圧力緩和装置（TPRD）が作動し、タンクから水素を制御されたジェット状に放出します。この機構は圧力を安全レベルに保ち、タンク破裂を防ぎます。しかし、放出された水素が空気と混合して点火すれば危険です。ただし、危険領域は限定的にとどまります。

熱圧力緩和装置が故障した場合、このシナリオは悪化し、タンクが爆発する可能性があります。結果として生じる衝撃波はトンネル全体に広がります。死亡リスクは約30メートルまで、重篤な内部損傷の可能性は300メートルまで拡大します。さらに離れた場所でも鼓膜破裂のリスクが残ります。

第三のシナリオは最も可能性が低く、水素がまず点火せずに放出されます。周期表で最も軽い元素であるため、ガスは上昇しトンネル天井下に雲状に蓄積します。熱いランプや電気的インパルスなどの点火源が存在すれば、水素雲が爆発し、重大な衝撃波を生じさせる可能性があります。

リスクシナリオの調査員は多数の緩和策を提案しました。チームは区間制御で監視されるより厳格な速度制限の導入を提案し、また、ドライバーが過度に接近した際に警告する堅牢な信号システムを用いた正確な車間距離管理戦略を勧めました。

水素車のリスクと損傷の可能性について議論する中で、TUグラーツのチームはそれらが運用されるコンテキストとリスク・損傷の測定方法についても言及しています。

「現代の水素タンクは非常に安全に作られているため、水素が漏れるには多くのことが起きなければなりません。」

– ダニエル・フルウィルト、TUグラーツ 熱力学・持続可能推進システム研究所

水素車への推進

Researchers predict a significant uptick in adoption of Hydrogen Vehicles in the coming years. Industry researchers and analysts estimate that the number of hydrogen vehicles in service globally will exceed one million in 2027, up from just over 60,000 in 2022, representing a surge of more than 1,500%. The consumer market is expected to be the leading segment in the Hydrogen Vehicles space, accounting for more than 60% by 2027.

政府は燃料電池車を促進するイニシアチブを実施しています。例えば、エネルギー省のエネルギー効率・再生可能エネルギー局は2013年にH2USAを立ち上げました。公式声明で、政府当局は以下のように述べています：H2USAのミッション： 

“H2USAのミッションは、米国全土で燃料電池電気自動車の導入と広範な採用を促進することです。メンバーには連邦機関、燃料電池業界団体、自動車メーカー、水素供給者、燃料電池開発者、国立研究所、その他のステークホルダーが含まれます。この協力は、特にドイツ、 日本、英国に焦点を当てた他国の公民連携に類似した米国向けプラットフォームを提供します。”

報告によれば、H2USAには現在30以上の参加者がいます。 

政府のイニシアチブに加えて、潜在的な消費者の関心と信頼を高めるための性能向上研究が多数進行中です。 

例えば、ハーバード大学と仁川国立大学の研究チームが実施した最近の研究では、耐久性と寿命の両面で高評価を得る燃料電池の構築手法が考案されました。この研究は、ナフィオンとペルフルオロポリエーテル（PFPE）の相互浸透ネットワークからなる疲労耐性電解質膜の開発に焦点を当てました。チームは、燃料電池の性能が若干低下する代わりに「耐久性/寿命の驚異的な向上」を得たと述べています。

製造業者にとって特に励みとなっているもう一つの興味深い開発は、枯渇した油井に特殊酵素を導入することです。これらの酵素は残存する炭化水素を水素を含むさまざまな成分に分解します。この進歩により、世界中の多数の枯渇・放棄された油井が、深部からのより持続可能な燃料である水素の供給源になる可能性があります。

水素車への推進は、将来のより持続可能な輸送代替手段を創出するというビジョンと一致しており、電気自動車（EV）よりも持続可能になる可能性があります。これは、EVは電力の生成方法に依存して排出量が変わるため、完全な持続可能性を実現していないからです。

多くの企業が水素車ソリューションを開発しており、将来的に政府や交通当局がEVよりも水素車をますます支持することを見込んでいます。以下のセクションでは、そうした企業のうち数社を取り上げます。

#1. ゼネラル・モーターズのUltiumプラットフォームとHYDROTEC燃料電池パワーキューブ

GMのHydrotec燃料電池技術は、陸上、航空、海洋用途向けの手頃な燃料電池電力ソリューションであると主張しています。2021年、Wabtec Corporation（NYSE: WAB）とGeneral Motors (GM ) （NYSE: GM）は、Wabtecの機関車向けにGMのUltiumバッテリー技術とHYDROTEC水素燃料電池システムの開発・商業化で協業することを発表しました。

While speaking about the value‑add GM’s solutions were to bring for Wabtec, the CEO and President of Wabtec, Rafael Santana, had the following to say:

“当社のFLXdrive機関車は、世界初の100％バッテリー駆動機関車であり、6 MWhで稼働する際に二酸化炭素排出量を最大30％削減できる可能性を実証しました。しかし、ここで止まるわけにはいきません。GMとUltiumバッテリーおよびHYDROTEC水素燃料電池技術で協力することで、これら2つの重要な推進技術を活用し、鉄道業界の脱炭素化とゼロエミッション機関車への道筋を加速させることができます。”

GMのHydrotecソリューションは、機関車を含む幅広い用途向けにコンパクトでパッケージしやすい燃料電池パワーキューブを提供します。Ultiumは、鉄道が必要とする柔軟性、効率、出力、信頼性を高めるバッテリー技術です。

2021年、General MotorsはLiebherr‑Aerospaceと協力し、航空機向けの水素燃料電池発電デモンストレーターシステムを開発しました。翌年、GMはHydrotecソリューションで車両や自動車輸送の領域を超えることを決定しました。

同社は、GMの第2世代HYDROTEC燃料電池パワーキューブで駆動する複数のHYDROTECベースの発電機を開発する計画を発表しました。これらには以下が含まれます：

• 永久的な充電ステーションを設置せずにEVの高速充電機能を提供するモバイルパワージェネレーター（MPG）
• 小売燃料ステーションが電力網を拡張せずに手頃なDC高速充電を追加できるEMPOWER高速充電器
• 軍事キャンプや施設に静かで効率的に電力供給できるパレット化MPG

2023会計年度の、GMは売上高1718億ドル、株主帰属純利益は100億ドル超、調整後EBITは120億ドルと報告しました。

#2. Cellcentric：ダイムラーとボルボの50:50共同事業

Cellcentricは、ボルボ・グループとダイムラー・トラックAGの50:50合弁事業で、2050年までに中立で持続可能な輸送手段を導入するという世界目標の達成を支援する、世界有数の燃料電池メーカーになることを目指しています。

2024年5月、CellcentricはNextGen燃料電池システムを発表しました。このソリューションは欧州と北米の長距離トラック向けにカスタマイズされており、極めて統合されたコンパクトで軽量な単一システムパッケージで、ピーク時に350 kW以上の出力を提供できます。

Cellcentricの見積もりによれば、このソリューションはBZA150世代と比較して20％の燃費削減が期待されます。NextGenシステムは、現在の世代と比べて電力密度が30％向上し、ピーク負荷時の廃熱が40％削減されるとされています。高度なシステム設計と最適な性能により、冷却要件も低減し、製品の適合性が向上します。 

2023年通年の、ボルボは純売上高を約800億SEK増の5530億SEKに、調整後営業利益を776億SEK（50.5）に増やし、調整後営業利益率は14.0％（10.7）となりました。 ダイムラー・グループの売上高は2023年に10％増の559億ユーロという記録的な水準に達しました。

水素燃料電池車の未来

総じて、水素車の将来は有望です。持続可能な輸送ソリューションへの世界的な需要が高まっているからです。しかし、より効率的かつ安全にするためには、メーカーや技術研究者がセルスタック、燃料供給装置、燃料タンク、コントローラ、熱システムなど、水素燃料電池車のすべての側面に取り組む必要があります。 

これらの車は、瞬時のトルクと滑らかで安定した出力、低メンテナンス要件、迅速な給油、ゼロエミッションなど、さまざまな利点を提供します。しかし、メーカーはコスト面での改善にさらに取り組む必要があります。 

燃料電池車の取得費用は、同等サイズの従来車よりも高くなることがあります。しかし、先進国ではさまざまなインセンティブが利用可能で、例えばカリフォルニア州のクリーンビークルリベートプログラムからは4,500ドル（所得条件を満たす購入者には7,500ドル）のリベートが提供されるなどがあります。これらのインセンティブは短期的に採用と認知度を高めますが、長期的な成功は提供される安全性と性能の基準によってのみ左右されます。

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