水素自動車の火災リスクと安全対策

自動車産業は、脱炭素化への世界的な潮流を背景に、大きな転換期を迎えている。その中で、水素をエネルギー源とする燃料電池自動車（HFCV：Hydrogen Fuel Cell Vehicles）は、ゼロエミッション、高効率、短時間充填という利点から、次世代モビリティの有力な選択肢として注目を集めている。公共交通機関や商用車両を中心に、その導入は着実に進んでおり、近い将来、一般消費者の間でも普及が加速すると見られている。

しかし、新たな技術には新たなリスクが伴う。HFCVは従来の内燃機関車や電気自動車とは根本的に異なる構造とエネルギー源を持つため、火災や事故の際には、全く異なる特性の危険性が生じる。これらのリスクに対する理解が不十分なまま、消防隊員やレスキュー隊が現場に臨むことは、甚大な被害を招く可能性がある。

浙江省嘉興市海塩県消防救援隊の張家愷（Zhang Jiakai）政治教導員と劉拯浩（Liu Zhenghao）消防指揮官による最新の研究は、HFCV特有の高圧水素貯蔵システムに潜む火災リスクを体系的に分析し、現場対応のための具体的な安全対策を提示した。この研究は、専門誌『今日消防』に掲載され、HFCVの安全な普及に向けた貴重な知見を提供している。

水素自動車の仕組みとその構造的特徴

HFCVは、水素と酸素の化学反応によって電気を発生させる燃料電池を動力源とする自動車である。発電の副産物は水だけであり、走行中のCO2や有害物質の排出はゼロ。また、内燃機関に比べて騒音も静かで、効率も高い。その主な構成要素は、高圧水素タンク、燃料電池スタック、電気制御システム、モーター、そして補助的に使われるリチウムイオンバッテリーの5つである。

この中で、最もリスクが集中しているのが「高圧水素タンク」である。現在、国内で主流のHFCVは、気体状態の水素を35MPa（メガパスカル）という極めて高い圧力で貯蔵している。これは、大気圧の約350倍に相当する圧力であり、極めて危険なエネルギーを車両に搭載していることを意味する。タンクの構造は、内層に金属ライナーを、外層に炭素繊維強化プラスチック（CFRP）で補強した複合構造が採用されており、軽量かつ高強度を実現している。

この高圧水素タンクこそが、HFCVの安全を左右する鍵であり、同時に、火災事故における最大のリスク源でもある。

HFCVに特有の三つの火災リスク

研究によれば、HFCVの火災リスクは、従来のガソリン車の「液体燃料の漏れと引火」、電気自動車の「バッテリーの熱暴走」のような単純なパターンとは一線を画す。特に、高圧水素タンクが火災にさらされた場合、以下の三つの重大なリスクが連鎖的に発生する可能性がある。

リスク1：水素の漏れと拡散

第一のリスクは、水素自体の漏れである。水素分子は宇宙で最も小さな分子であり、極めて高い浸透性を持っている。高温・高圧の環境下では、この水素が金属パイプやタンクの内部に浸透し、金属の内部で亀裂を生じさせる「水素脆化（すいそぜいか）」という現象が起こる。これにより、タンクや配管の延性と強度が急激に低下し、微細な亀裂や穴が生じ、水素が漏れ出す。

また、漏れた水素が高速で噴出する際、周囲の空気との摩擦によって静電気が発生する。もし、タンクや配管の接地が不十分であれば、この静電気が放電し、漏れた水素に点火して爆発を引き起こす。このように、HFCVの漏れは、単なる燃料の損失ではなく、即座に爆発の引き金になり得る。

さらに、火災が発生した場合、車内温度は30分で最高900℃に達する。CFRPは、その軽量性と強度の高さからタンクの外装に用いられているが、その弱点は耐熱性にある。300℃を超えると、CFRPを構成する樹脂（基体）が軟化し始め、構造的な強度を失う。火炎がタンクに直接当たらなくても、周囲の熱放射によってCFRPが劣化し、タンクの密封性が損なわれ、結果として水素が漏れ出すという、間接的な破損メカニズムも存在する。これは、外見上は無傷に見えても、内部で危険が進行しているという、非常に見過ごされやすいリスクである。

リスク2：水素のジェット炎

第二のリスクは、ジェット炎（水素射流火）である。HFCVの水素タンクには、過熱による爆発を防ぐための重要な安全装置「熱圧力開放装置（TPRD）」が取り付けられている。この装置は、タンク周囲の温度が約109℃±5℃に達すると、内部の溶融リンクが溶けて作動し、タンク内の高圧水素を大気中に緊急放出する。

この設計は、タンクの物理的爆発を防ぐための極めて有効な手段である。しかし、放出された高圧水素が、周囲の火炎や高温の物体に触れると、瞬時に引火し、非常に高速で高温の「ジェット炎」を生じる。研究では、35MPaのタンクから4.2mmの口径で水素が放出された場合、その炎の長さは最大で5.2メートルに達するとされている。

このジェット炎の危険性は、その長さと方向性にある。炎は通常、TPRDの出口から120度の扇形領域に噴出する。この範囲内に人がいれば、即座に致命的な火傷を負う。さらに、水素の炎は昼間でもほとんど見えないという、極めて危険な特性を持っている。消防隊員が「火が消えた」と誤認して接近した瞬間、見えない炎に包まれて犠牲になるという事故が、海外で実際に報告されている。

リスク3：物理的・化学的爆発

第三のリスクは、最悪のシナリオである「爆発」である。TPRDが何らかの理由で作動しなかった場合（製造不良、詰まり、熱変形など）、タンクは火災の熱により内部圧力が上がり続ける。この圧力がタンクの設計限界の約120%に達すると、タンクは耐えきれず、一瞬で破裂する。これが「物理的爆発」である。

この瞬間、タンク内に詰まっていた高圧水素が一気に大気中に放出される。この大量の水素ガスが周囲の空気と混合し、どこかに点火源があれば、その混合気体は一気に燃焼し、巨大な爆発（化学的爆発、または爆燃）を起こす。この爆発の威力は、物理的爆発の何倍にも及び、周囲の建物や車両に甚大な被害を与え、隊員の命をも奪いかねない。

現場対応のための安全ゾーニングと戦術

これらの複雑で致命的なリスクに対処するため、研究では、現場での安全対応を「ゾーニング」によって体系化した。これは、事故車両からの距離に基づいて、リスクの度合いに応じた四つのゾーンに分けるもので、隊員の安全を確保するための基本的な枠組みとなる。

致死ゾーン（0～10メートル）：この範囲内は、物理的爆発による破片の直撃、ジェット炎の直撃、爆風による致命傷のリスクが極めて高い。隊員の立ち入りは厳禁である。
負傷ゾーン（10～120メートル）：ジェット炎の延長領域や、爆発による軽傷を負う可能性がある範囲。隊員は短時間の作業に限定し、必要がなくなれば直ちに退避する。水砲の設置など、一定の作業はここで行うが、常に退避経路を確保しておく必要がある。
安全統制ゾーン（120～180メートル）：指揮官、安全員、救急隊、装備集積所などが配置される主な活動拠点。ここから現場を監視・指揮し、安全な作戦を展開する。
警戒ゾーン（180メートル以上）：一般の通行人、関係者、報道陣などを隔離する外周警戒区域。火災の拡大や二次災害のリスクから安全を確保する。

このゾーニングをもとに、具体的な対応戦術が提案されている。

水素漏れへの対応：火災が発生していないが、水素漏れが確認された場合、最も重要なのは「点火を防ぐこと」である。隊員は上風方向から接近し、漏れた水素の雲の中に入らないようにする。直流水の使用は厳禁。なぜなら、水流が静電気を発生させ、漏れた水素に点火する危険性があるからだ。代わりに、高圧の霧状水を用いて、漏れた水素を希釈・拡散させる。これにより、空気中の水素濃度を4%以下の可燃下限界以下に下げ、爆発のリスクを低減する。
ジェット炎への対応：ジェット炎が発生している場合、直接消火を試みることは極めて危険である。水素はタンクから連続的に供給されているため、炎を消しても、未燃の水素が周囲に溜まり、より大きな爆発を引き起こす可能性がある。このため、戦術は「冷却」と「遮蔽」に集中する。安全統制ゾーンから、遠隔操作可能な水砲を用いて、タンク本体を冷却し、内部圧力の上昇を抑える。また、水幕を張ることで、炎や熱から救助対象や周囲の建物を守る。
物理的爆発への対応：タンクが火炎に直接炙られており、TPRDが作動していない（または作動しない）と判断された場合、物理的爆発のリスクが極めて高い。この場合は、安全統制ゾーンから、自走式水砲を用いてタンクを継続的に冷却し、内部圧力が限界に達するのを防ぐ。隊員の近づきは絶対に禁止される。

今後の課題と展望

HFCVの普及は、環境保護という大きな目標を達成するための重要なステップである。しかし、その恩恵を享受するためには、安全への配慮が不可欠である。今回の研究は、HFCVの潜在的な危険性を科学的に解明し、実践的な対応策を提示した点で、極めて意義深い。

しかし、課題は残る。例えば、地下駐車場やトンネルなど、密閉空間での水素漏れは、拡散が妨げられ、爆発のリスクがさらに高まる。また、70MPaの超高圧タンクの普及に伴い、リスクの規模もさらに増大する。そのため、消防隊員への専門的な訓練の強化、HFCV各社との情報共有の深化、そして、事故車両を迅速に識別できる標準化されたマーキングの導入が急務である。

技術は常に進化する。将来的には、固体内に水素を貯蔵する「固体水素貯蔵」技術が実用化されれば、高圧ガスという根本的なリスクを解消できるかもしれない。しかし、その日が来るまでは、現在の技術の下で、いかに安全を確保するかが、すべての関係者の責任である。この研究は、その責任を果たすための、第一歩の地図を提供している。

張家愷、劉拯浩、浙江省嘉興市海塩県消防救援隊；今日消防；DOI: 10.1227/2096-1227(2024)06-0001-04