世界を変える燃料電池車コールドスタート試験の新基準
実用的な寒冷地性能を追求する燃料電池自動車（FCEV）開発において、2023年に発表された二つの主要試験基準——中国国家標準GB/T 43255と国際規格ISO 17326——は決定的な転換点をもたらした。いずれも零下温度での始動・作動性能を評価する共通の目的を持つが、詳細な比較により、試験手順やデータ取得方法、安全プロトコルから評価対象となる車両の基本構造に至るまで、世界の自動車産業が歩む異なる発展経路を反映した深い技術的・哲学的な相違が明らかになっている。
燃料電池車のコールドスタート能力は、単なる技術的なチェック項目ではなく、消費者の信頼と市場の実現性を左右する根本的な要因である。厳冬期に確実に始動できない車両は、実用上使用不能に等しい。特に外気温が日常的に-20°Cを下回る厳寒地ではその重要性が増す。リスクは極めて高く、これらの基準は成功と失敗を測るルールブックとなるのである。
中国で新たに公布された標準GB/T 43255-2023（「燃料電池電気自動車の低温冷間始動性能試験方法」）は、中国の急成長する水素自動車産業における重要な里程標である。全国汽車標準化技術委員会が開発したこの標準は、極寒環境下におけるFCEVの性能を評価するための包括的かつ国内の実情に合わせた枠組みを提供する。並行して、国際標準化機構（ISO）は改訂版ISO 17326:2023（「燃料電池道路車両―零下温度における冷間始動性能―圧縮水素を燃料とする車両」）を発表した。両規格は同じ中核的な機能を評価することを目的としながらも、詳細な比較により、それらが決して同一ではないことが明らかになっている。
最も顕著な相違点の一つは、各規格が暗黙のうちに想定する基本となる車両アーキテクチャにある。ISO規格は、燃料電池スタックが推進力の主たる（あるいは唯一の）源である「フルパワー」型燃料電池車を主な対象として設計されている。対照的に、中国のGB/T規格は、現在中国で主流の「電-電ハイブリッド」モデルを中心に構築されている。この構成では、小型の燃料電池スタックが大容量のバッテリーパックと協調して動作し、負荷を分担し冗長性を提供する。このアーキテクチャの違いは些細なものではなく、車両がコールドスタート時にどのように振る舞うか、ひいてはどのように試験されるべきかを根本的に変えるものである。
この相違は、両試験プロトコルにおける最初の重要なステップである「低温浸せき」段階で即座に明らかになる。両規格とも基本事項では合意している：試験車両は、燃料電池スタックおよび全ての重要部品が目標温度（通常-20°C以下）と熱平衡に達するまで、制御された低温環境中に少なくとも12時間浸せきされなければならない。また、両規格とも、正式な浸せき開始前に車両システムが自己診断を行い、外部環境に適応できるよう、車両の短時間の始動とシャットダウンを賢明に認めている。さらに、両規格は、バッテリーの特定の充電状態や水素タンクの特定の充填レベルを浸せき前に義務付けないという実用主義を示しており、これらの変数がコールドスタートプロセス自体に与える影響は無視できると認識している。
しかし、ISO規格は、試験中の水素消費量を正確に測定する目的で、車両の内蔵水素システムを切断し外部水素供給源に接続するオプションを規定しており、これは中国規格には完全に欠けている。この機能は、車載の水素貯蔵・供給システムという交絡変数なしに、燃料電池の効率を正確に分離測定する必要があるフルパワー型FCEV開発者の要求に直接応えるものである。ハイブリッドモデルに焦点を当てた中国規格は、この複雑さを必要とせず、全ての試験は車両の内蔵水素供給を使用して行わなければならないと規定しており、より包括的で実世界に即した試験へのアプローチを反映している。
差異は、車両が実際に始動を指示される「低温冷間始動」段階でさらに顕著になる。ここでは、成功裏の始動の定義について両規格は一致する：車両のダッシュボードに「READY」または「OK」表示が表示され、燃料電池スタックが少なくとも1キロワットの出力を最低10分間連続して維持しなければならない。これは、プロセスではなく結果に焦点を当てた合理的な性能基準である。
しかし、安全性とデータ記録に関しては、両規格は劇的に袂を分かつ。中国GB/T 43255規格は厳格な安全要件を課している：コールドスタートプロセス全体を通じて、車両の排気管排ガス中の水素濃度を継続的に監視し記録することを義務付けている。記録されたデータは、3秒平均水素濃度が4%を超えず、瞬間濃度が8%以上に急上昇しないことを示さなければならない。これは、ガレージのような閉鎖空間での爆発性の水素-空気混合気体の蓄積を防ぐための重要な安全策である。また、この標準は、プロセス中に車両が任何の故障や警告警報を作動させてはならないことも要求する。これとは対照的に、ISO 17326規格は排気水素の監視について言及していない。その安全哲学はより許容的であり、現代の車両制御システムが本質的に安全であると想定しているのかもしれない。代わりに、ISO規格は水素消費量に焦点を当て、外部水素供給が使用された場合にのみその記録を要求する。
車両の停止状態からの始動から実際の走行への移行能力をテストする「低温冷間始動走行」段階は、規格の異なる優先順位をさらに浮き彫りにする。両規格とも、車両を「READY」状態にし、その後フルスロットルで加速することを要求する。しかし、中国規格は「始動」の成功を非常に具体的に定義する：燃料電池スタックの出力が定格システム出力の50%に達しなければならない。これを達成した後、試験プロトコルは高度に構造化されている：ドライバーは1分以内に車両を停止させ、その後3分以内にシステムをシャットダウンする前に少なくとも1回の完全な中国式駆動サイクルを完了しなければならない。この厳格で反復可能な手順は、異なる試験ラボや異なる車種間で比較可能なデータを生成するように設計されている。
一方、ISO規格ははるかに柔軟性が高く地域適応的である。成功のための固定された出力閾値を規定していない。代わりに、試験実施者が車両が販売される地域を代表する駆動サイクルを使用するように指示し、地域の駆動サイクルに委ねている。このアプローチは、自動車市場の世界的な性質と、ドイツ、日本、米国における走行パターンが大きく異なるという事実を認識している。この柔軟性は称賛に値するが、同時に重大な課題も導入する：異なる地域でテストされた車両間の直接的な比較をほぼ不可能にしてしまうのである。
試験終了の基準も、微妙だが重要な違いを明らかにする。両規格とも、車両のダッシュボードに停止指示が表示された場合、任何の故障や警告警報が作動した場合、または試験条件下で車両が宣言された最高速度に達しない場合、試験を中止すべきであることに同意している。これらは論理的で安全面を考慮した終了点である。
しかし、ISO規格は、より技術的な追加基準を設けている：車両の性能が零下温度作動中に規格で指定された許容範囲から逸脱した場合も試験を終了しなければならない。これは品質管理策であり、車両が単に機能するだけでなく、厳密に定義された性能範囲内で機能することを保証する。現行の中国規格は、このレベルの性能許容範囲チェックを含んでおらず、代わりに始動と基本走行能力に基づく二項の合格/不合格の結果に焦点を当てている。
おそらく技術的に最も重要な違いは、データ取得の要件にある。両規格とも、試験を実施するために水素安全対策済みの低温シャシダイナモメータ環境チャンバーの使用を義務付けており、これは交渉の余地のない安全要件である。しかし、収集するデータの細分性とソースに関しては大きく異なる。
中国GB/T 43255規格は、主要な電気パラメータ——電流と電圧——を最低5ヘルツ（毎秒5回）の頻度でサンプリングすることを要求している。燃料電池スタックが高度に統合されており、その直流電流と電圧を直接測定できない車両については、この標準は実用的な解決策を提供する：試験実施者はDC/DCコンバータの出力を測定し、コンバータの効率が97%であると仮定してスタックの電力を計算してもよい。これは、現代の車両設計の現実を認めた巧妙なエンジニアリング重視の解決策である。
一方、ISO 17326規格は、少なくとも10ヘルツという高いサンプリング頻度を要求しており、事実上、コールドスタートの急速な動態を捕捉するために2倍のデータを必要とする。さらに重要なのは、車両のエンジン制御ユニット（ECU）からのデータの使用を許可している点である。これは根本的に異なるアプローチである。ECUデータは処理され、フィルタリングされ、多くの場合「最良の推定値」を表しており、生の直接測定値ではない。これはより便利である可能性があるが、抽象化と潜在的な誤差の層も導入する。中国規格が直接的な物理測定を好むことは、データ完全性に対するより保守的で追跡可能なアプローチを反映している。
これらの標準の実用的な適用を説明するために、Di WuとLinghai Hanが主導する研究者らは、国際的に認められた先進的なFCEVモデルを用いた実世界のテストを実施し、中国のGB/T 43255-2023標準の厳格な要求事項に従って-20°Cで試験した。車両は専用の水素安全対策済み低温環境チャンバーに設置され、規定の12時間浸せきされた。その後、メーカーの指示に従って始動された。
結果は印象的であった。車両は始動ボタン押下からわずか10.03秒で「READY」状態を達成し、標準の成功基準を容易に満たした。より興味深いことに、記録された電流と電圧の曲線は、洗練された3段階の始動プロセスを明らかにした。点火後約3.4秒で燃料電池スタックは電圧の発生を開始した。3.4秒から10秒の間、システムは「ウォームアップ」段階に入り、急速に熱を発生させスタックを最適作動温度まで上げるために、意図的に高出力（ピーク時35kW）で作動した。スタックが温まるにつれ、出力は安定した20kWに段階的に絞られ、急速な始動と長期的なスタックの健全性のバランスを取るように設計された高度な制御戦略を示した。標準の詳細なデータ取得要件のおかげで捕捉されたこのレベルの詳細な性能データは、将来の設計を最適化しようとするエンジニアにとって貴重な洞察を提供する。
これら二つの標準の公布は、世界のFCEV産業にとって画期的な瞬間を示している。これは、性能と安全性が厳密に定義され測定される、より成熟した規制時代への、開拓者的な「何でもあり」の開発段階からの移行を告げるものである。中国のメーカーにとって、GB/T 43255は、彼らの主流であるハイブリッド車アーキテクチャに合致した、明確で国内的に関連性のある基準を提供する。これは国内の革新を推進し、中国市場の消費者のための品質と安全性の基準レベルを確保するためのツールである。
国際的なメーカーや世界的な販売を目指すメーカーにとって、ISO 17326はより柔軟性が高く国際的に認められた枠組みを提供する。しかし、その柔軟性には代償が伴う：試験サイクルの統一性の欠如や（水素排気などの）安全監視に対する許容的な姿勢は、不整合を引き起こす可能性がある。一国でISO試験に合格した車両が、中国のような別の市場のより厳格な安全またはデータ要件を満たさないかもしれない。
この状況は複雑な適合性の状況を作り出している。自社のFCEVを世界的に販売したいメーカーは、複数の、時には矛盾する規格に対して車両を設計およびテストしなければならなくなる可能性がある。これは単なる工学的な課題ではなく、重大な財政的および物流的負担である。これは試験プロトコルのより一層の国際的な調和の緊急の必要性を強調している。二つの規格の存在は健全な競争と多様な技術的アプローチを反映しているが、世界のFCEV市場の長期的な健全性は共通の基盤を見いだすことにかかっている。
将来を見据えると、これらの規格の進化は注目される。直接測定、厳格な安全監視、構造化された試験サイクルを重視する中国規格は、特に水素に関する安全上の懸念が公の議論でより顕著になるにつれ、ISO規格の将来の改訂に影響を与えるかもしれない。逆に、ISO規格の柔軟性と地域適応性への焦点は、世界的な関連性を志すあらゆる規格にとって貴重な教訓を提供する。
最終的に、両規格の目的は同じである：燃料電池車が実験室の好奇心の対象ではなく、最も寒い冬でも信頼できる日常的な交通手段であることを保証することである。Di Wu, Shiyu Wu, Yupeng Wang, Honghui Zhao, Linghai Hanらによる研究で提供された詳細な分析は、業界にとって貴重な資源である。それは単に差異をリストアップするだけでなく、文脈を提供し、理論的根拠を説明し、この新しい規制の地形を進むための実践的な指針を提供する。彼らの仕事は、間違いなくエンジニアが設計を改良し、試験実施者がより正確で意味のある評価を行い、そして最も重要なことに、世界中の消費者により安全で信頼性の高い燃料電池車をもたらすのに役立つだろう。
呉迪（Di Wu）、呉詩雨（Shiyu Wu）（中国汽車技術研究センター有限公司/天津汽車検測中心）、王宇鵬（Yupeng Wang）、趙洪輝（Honghui Zhao）、韓令海（Linghai Han）（中国第一汽車集团有限公司一般社団法人研究開発総院）。Journal 2024年 第7期 (下) / 総第659期 掲載。DOI: 10.3969/j.issn.1002-5944.2024.14.029