JARI Research Journal 20130806 【解説】 燃料電池自動車用水素性状に係る国際標準化について International Standardization for Hydrogen Quality for Fuel Cell Vehicles 富岡 秀徳*1 Hidenori TOMIOKA 1. はじめに 燃料電池自動車（FCV）用の燃料仕様の国際標 準化については，2003年より活動を開始し，国際 間 の 研 究 協 力 を 通 じ 国 際 規 格 （ International Standard: IS）発行を目指して進めてきた．2003 年10月にFCV用の燃料仕様に関する日本提案が 承認され，日本より議長（高木靖雄名誉教授／東 京都市大学）を選出し，ISO/TC197（水素技術） /WG12（FCV用水素燃料仕様）が発足した．この 提案は，NEDO事業にて，一般財団法人日本自動 車研究所（JARI）が実施した水素燃料中の不純物 の燃料電池に及ぼす影響について検討した試験結 果1) を基に作成されたものである．参加各国の熱 心 な 審 議 を 経 て ， 2008 年 3 月 に 技 術 仕 様 書 （Technical Specification：TS）が発行され，さ らに，各国との研究協力，国際審議の結果，2012 年12月にISの発行に至った． 本解説では，TS及びIS発行に至る経緯に触れ， その審議の動向，進捗について述べるとともに， その後のIS改定に向けた取り組みについて概説 する． 2. TS 発行までの経緯 このプロジェクトは，当初既存のISO14687（水 素燃料仕様）2)に関するAmendment (追補)を発行 する新規提案を行い，IS化を目指したものである． 1999年に発行された当初の規格は，自動車用とし ては内燃機関のための品質を設定していたにも関 わらず， 燃料電池へ適用されると記述されていた． 表1にも記載した当該規格では，低水素純度，高 硫黄（S），高COなどの燃料電池に及ぼす影響で ＊1 一般財団法人日本自動車研究所 FC・EV研究部 工学博士 JARI Research Journal FCVがたちまち停止するような事態となる可能 性が高い．そのような不具合を是正するため，上 記新規提案を行った． この日本提案に対し，不純物の影響を確認する 発電試験を行った成分数が限られている，試験時 間が10時間と短いなど，データが不十分との理由 から，米国・カナダより，ISとするには時期尚早 とのコメントが付された．数回にわたる審議を経 て ， FCV 導 入 期 の 水 素 燃 料 仕 様 と し て TS (ISO14687のPart 2：ISO/TS14687-2：FCV用水 素燃料仕様)を発行し，直ちにIS化に向けて各国研 究協力を行い，IS化に資するデータを収集するこ とが合意された． TS策定の過程においては，主にNEDO「自動車 用固体高分子形燃料電池システム普及基盤整備／ 燃料性状規格検討に関する調査」事業で得られた JARIのデータ3), 4)を中心に議論を進め，加えて， 北米から，CO2，ハロゲン化物，粒子状物質等の 規定に関して提案があり，それらを考慮し規格値 を策定した． これらの規格値について審議・調整し，各国の 提案を取り込む形でTSの規格値を策定し，2008 年3月にTS14687-25) として発行された．当該TS の不純物の規格については，表1の中に示したと おりである． 3. IS 発行までの経緯 2008年3月のTS発行後，導入期のFCVおよび水素 の市場を想定したIS化に対し，WG12参加国，特に 水素燃料循環系システムでの不純物濃縮挙動に関 するJARIの研究成果 6), 7)，及び日本と米国，仏国 との積極的な燃料電池テストでの研究協力の結果 と併せて，燃料供給側の検討項目，主に純度と製造 コストのトレードオフバランスの検討，品質管理手 － 1 － (2013.8) 法等について検討し，それらを反映した委員会原案 （Committee Draft：CD，2009年10月）を介し， 照会原案（Draft International Standard：DIS， 2010年12月）を策定した．さらに，DIS投票承認 （2011年6月）後，最終国際規格案（Final Draft International Standard：FDIS，2012年11月）を 経て国際規格（International Standard：IS，2012 年12月）8)の発行に至る． 上記の各国との研究協力の中で，JARI標準単セ ルをベンチマークに用い，試験データの信頼性を相 互に確認している． 以下にIS初版発行のため実施された主な審議内 容について概説する． 表1 仕 ISO14687-2FCV 用水素燃料規格の変遷 様 純度 ISO14687-2 ISO/TS14687-2 ISO14687 2012 年 2008 年 1999 年 Grade D Grade D Type I, Grade A 99.99 % 2 ppm 2 ppm H2O 5 ppm 5 ppm O2 5 ppm 5 ppm He 300 ppm 100 ppm Ar, N2 100 ppm 100 ppm CO2 2 ppm 2 ppm CO 0.2 ppm 0.2 ppm 1 ppm S 0.004 ppm 0.004 ppm 2 ppm HCHO 0.01 ppm 0.01 ppm --- HCOOH 0.2 ppm 0.2 ppm --- NH3 0.1 ppm 0.1 ppm --- 0.05 ppm 0.05 ppm --- 1 mg/kg 1 μg/L 問題なき (10 μm 以下) こと 全炭化 水素 ﾊﾛｹﾞﾝ化 物 粒子 2) 2), 5), 8) 99.97 % 98 % 100 ppm 合わせて 1,900 ppm --- 3. 1 燃料電池テストの結果について JARI において実施した研究成果のうち，主に 長時間試験，アノード白金担持量が水素中不純物 による劣化挙動に及ぼす影響，混合不純物の影響 等について，以下にそれらの概略を紹介する． JARI Research Journal 1) 長時間試験（CO，H2S，NH3） 通常 FCV 用水素燃料として水素が供給される 際，5,000 時間運転後も不純物による影響が発現 しないことが求められている．そこで CO（0.2 ppm），H2S（0.004 ppm）については TS の規格 値の濃度の各不純物を添加した水素を 5,000 時間 導入し，NH3（0.1 ppm）については TS 規格値 の 10 倍の濃度（1 ppm）で 500 時間（5,000 時間 の 1/10）の試験を実施した．その結果，上記 3 種 の不純物とも上記試験の範囲において不純物によ る劣化は観察されなかった．これは TS にて規定 される規格値が妥当なものであることを示唆して いる． アノード白金担持量の影響 FCV のコスト低減のための取り組みの一つと して，白金担持量の低減が求められている．現状 においてアノードの白金担持量削減の目標値は 0.05 mg/cm2 程度と見込まれている．TS の規格値 設定のため実施した JARI の試験においては，白 金担持量が 0.4 mg/cm2 であった．この 0.4 mg/cm2 と 0.05 mg/cm2 との範囲で白金担持量を変化し， 不純物による劣化挙動に及ぼす影響について確認 し，以下のような結果を得た． CO：CO による電圧低下量が，白金担持量が 減少するとともに大きくなり，白金担持量の 影響は顕著に現れる．0.05 mg/cm2 の場合， TS 規格値の 0.2 ppm であってもわずかに影 響は観察された 9)． H2S：H2S も白金担持量の影響が顕著に確認 され，白金担持量が少ないほど電圧の顕著な 低下を示す H2S 添加量が減少することがわ かった 10)． NH3：NH3 については，NH3 による劣化挙動 が白金担持量に影響されないことが確認され た 10)． 以上の結果は， CO あるいは H2S が触媒への吸着， 反応等により触媒が被毒するという劣化機構に対 し，NH3 は触媒に大きな影響を及ぼさず，電解質 膜に影響を及ぼすことを示唆する結果となった． 3) 混合不純物の影響 これまでの不純物の試験は各々単一の不純物の 影響を検討してきた．WG12 国際会議の中でも複 － 2 － (2013.8) 数の不純物が同時に添加されたときにどのような 挙動を示すのかが，規格値の策定関わる重要な因 子であると認識されていた．特に，複数の被毒成 分が混合されることにより，複合効果により個々 の成分の影響の総和より大きな影響（劣化）が発 現すると，規格値策定の支障となる恐れがある． 具体的には CO・H2S，CO・NH3，H2S・NH3 の 2 成分ずつ 3 種の不純物の組み合わせについて， それぞれ発電試験を行った結果，混合不純物によ る電圧低下は，それぞれの単独の不純物による電 圧低下量の和で表されることがわかった 11), 12)． この結果により，当該試験の範囲において，単独 の不純物の試験を実施することで規格値の検討す ることは問題ないと結論した． 3. 2 水素インフラ側の課題 1) He の緩和 He については，燃料電池には無害であるが， FCV のシステムコントロールのため，管理する必 要のある成分である．もともと日本の提案の際に は，日本の市場調査に基づいたデータから設定し ており，液化天然ガスを主な原料とする日本の水 素のおいて，特に問題なく他の希ガスと共に 100 ppm と定めていた． これに対し，米国等，天然ガスを液化せず，直 接パイプラインで供給する国においては，含まれ る He が液化により除去されずに，原料として使 用される．その際，通常の水素製造プロセスであ る 水 蒸 気 改 質 ， 圧 力 ス イ ン グ 吸 着 （ Pressure Swing Adsorption: PSA）のシステムでは He は 十分に除去されず，製品水素中に残存することと なる．米国等の市場調査をベースとした検討結果 から，300 ppm までの緩和により，供給可能であ ることが確認され，また，自動車側も，その程度 の値であれば，システムコントロール上問題ない ことを確認した．ただし，その他の指定成分中の 希ガスである N2 と Ar については，システムコン トロール上問題であることと，また，水素ステー ションでの計量（重さ）に大きな誤差を与える懸 念から，100 ppm で据え置くことが合意された． 2) 燃料供給側の検討課題 粒子状物質の TS において設定されていたサイ ズ規定について，IS においては削除することとし JARI Research Journal た．これは，主に米国で実施された水素ステーシ ョンの水素ガス分析結果において，濃度について は問題なかったが，全てのステーションで規定よ り大きい粒子が散見されたことによる．米国の場 合，カリフォルニア州法にて水素燃料仕様が定め られており，このままでは全てのステーションが 州法違反となる．そのため，サイズについてはノ ズル側に適正なフィルターを設置することをステ ーションの規格にて規定する等の対応により，燃 料仕様からはサイズ規定を削除するとの方策でこ の問題を回避しようとした．なお，日本でも測定 した各ステーションから 10 μm を超える粒子が 検出されており，米国特有の問題ではない． 粒子状物質については，具体的な試験データも 十分ないこともあり，次期改定に向けて，検討が 必要な項目の一つである． 3) 分析法及び品質管理に係る課題 分析法については米国 ASTM が開発した水素 中不純物の分析方法の規格を参照し，JIS 等の関 連規格も参考情報として記載されることとなった． 一方，Linde，Air Liquide 等の欧州系燃料供給 会社は，14 成分に及ぶ規格に対して指定成分が多 過ぎると難色を示していたが，彼らが通常供給し ている水素ガスが，十分規格値を満たしているこ と，また，それらの品質保証は，彼らが今まで採 用している通常のプロセスコントロールにより十 分達成されるとの認識が示され，一定の合意が得 られた．具体的には，参考情報（Annex B）とし て，水蒸気改質，PSA の製造システムについて， その品質管理の手法を示し， 規格を補足している． 4. ISO14687-2 発行後の改定に向けた取り組み 4. 1 改定に向けた課題について 上述のように，2012 年 12 月にようやく当該国 際規格初版の発行に至った．これにより FCV 導 入期の世界共通の水素燃料仕様が定まった．しか しながら，図 1 のロードマップにも示すとおり， この仕様は，実証試験あるいは導入期の限定され た台数の FCV を暫定的に守ることを主目的に規 格値が策定されたものであり，自動車・インフラ 双方とも直ちに改定作業に取り掛かることを前提 として合意を形成した経緯があった．これをフェ イズ 1 とすると，次のフェイズ 2 として，今後の － 3 － (2013.8) 普及初期（2015 年～2025 年） ，特にその後半の拡 大期（2020 年～）の大量普及を想定した FCV 技 術，燃料供給インフラビジネスに適した燃料規格 を目指し，改定作業（2017 年頃発行を目処）を要 する．そのため，フェイズ 2 対応として 2012 年 度より試験研究も含めた取組の更なる強化を進め ている． 2007 2010 導入期（限定的な台数） 普及初期 対応する燃料仕様 2008 初期 実証フリート用規格 改定 2015 2012 ISO14687-2 現状での知見をベース フェイズ 1 4. 2 改定に向けた JARI の技術検討課題 IS 改定に向けて，上述のように優先度が高い検 討課題と認識されている CO を中心とした技術的 データを取得するため，今後 2 年間を目処に，主 に下記のような技術課題について取り組むことと している． 2015~ FCV普及ステージ TS14687-2 の面から支え，以って日本の FCV の国際市場で の優位性を保つことができる． FCV導入期用規格 ISO 14687-2改定 大量普及期に向けた規格 のプロジェクト 1) 運転条件の主要因子の影響把握 実際の運転条件下で不純物(CO)の影響がどの 程度現れるか定量的な検証が必要である．そのた め，水素非循環系のシステムにおいて，不純物評 価用標準 MEA を使用し，CO（規格値：0.2ppm 付近）を含む水素を燃料として，運転条件（温度， 透過酸素，CO 濃度，水分）が燃料電池発電性能 に及ぼす影響を定量的に明らかにする． フェイズ 2 図1 FCV 用水素燃料規格のロードマップ フェイズ 2 においては，FCV 側からみれば，大 量普及のために高性能化，小型化，低コスト化を 目指す中で，フェイズ 1 と比較して，より高電流 密度側まで利用することで，最高出力と平均出力 の差が広がっている．実運転に即した条件での試 験でないと，過剰な品質を燃料に求める可能性が 高いことがわかってきている．また，耐久性向上 の制御技術ともバランスした規格であることが求 められる． 一方，インフラ側からは，コスト低減ため，全 般的に可能な限り規格値の緩和が求められている． 特に CO は出荷基準に直接結びつくだけに，特に 重要と認識されている．CO については，FCV の 低コスト化の技術対応（Pt 触媒量低減等）により， 現状の規格値においても，燃料電池の発電性能に 影響が現れる可能性があることがわかっており， FCV・インフラ双方から検討を要する重要成分と 認識されている． これらの改定の推進に対して国際標準化活動を 日本が主導することにより，日本の先進する FCV 開発・技術を，燃料仕様という FCV の基盤技術 JARI Research Journal 2) 被毒・被毒回復のメカニズム解析 実 際 の 運転 条 件 下で負 荷 変 動 によ る 不 純物 (CO)の影響がどの程度軽減できるか検証が必要 である．被毒回復のメカニズムを明らかにするた め，水素非循環系において，透過酸素，ガス流量 などの条件が発電性能に与える影響を調査する． 3) 不純物濃縮挙動の詳細把握 従来の水素循環系では，80˚C，負荷一定(1000 mg/cm2)，高 CO 濃度など限られた条件での評価 を実施していた．特に CO については実際の運転 条件下でどのような濃縮挙動を示すか確認してお く必要がある．そのため，新規に導入した水素循 環系システムにおいて，規格値(0.2 ppm)レベルの CO が水素に含まれる場合の，水素循環系におけ る負荷変動下での濃縮挙動を明らかにする． 4) FCV の実走行を模擬する運転モードによる不 純物影響評価 最終的には実走行を模擬した負荷での不純物， 特に CO の影響を確認しておく必要がある．FCV の実走行を模擬する運転モードを設定し，不純物 を含む水素を燃料として単セルレベルで発電性能 評価試験を実施し，実走行を模擬する運転モード での不純物の影響を水素非循環系において明らか － 4 － (2013.8) にする． これらの具体的技術データの取得により，後述 するインフラ側の取り組みと連携し，IS の改定に 資する． 参考文献 1) NEDO，平成 14 年度成果報告書「自動車用固体高分 子形燃料電池システム普及基盤整備」燃料性状規格検 討に関する調査（2003 年 3 月） 2) ISO14687:1999: 4. 3 インフラ側の検討課題 IS 発行後のインフラ側の取り組みとしては，水 素供給・利用技術研究組合（HySUT）を中心とし て，今般発行した IS 初版の遵守および円滑な水 素燃料供給を実現するため，IS の内容を踏まえつ つ，国内の水素ステーションで遵守すべき技術要 件をまとめ，水素ステーションの水素品質管理ガ イドラインを策定する．ガイドラインの策定に当 たって，水素品質は担保しつつ簡便で安価な水素 品質分析を可能とする研究開発を実施する． その中で，簡便な分析法の開発と併せて，例え ば粒子状物質については，フィルターの設置によ る管理手法の検討も進めている． なお，燃料電池実用化推進協議会（FCCJ）に おいて FCV・インフラ双方の要望・ニーズを取り まとめ，FCV・インフラの連携を密に改訂への取 り組みを実施することとしている． Hydrogen fuel -- Product specification -- (1999) 3) NEDO，平成 15 年度成果報告書「自動車用固体高分 子形燃料電池システム普及基盤整備」燃料性状規格検 討に関する調査（2004 年 3 月） 4) M. Akai, et al., Influences of Impurities in Hydrogen on Fuel Cell Performance, 15th World Hydrogen Energy Conference (2004) 5) ISO/TS 14687-2: 2008: Hydrogen fuel -- Product specification -- Part 2: Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications for road vehicles (2008) 6) 松田佳之他：燃料電池の水素循環系における不純物の 濃 縮 挙 動 ， 自 動 車 技 術 会 論 文 集 ， Vol.40, No.1, p.141-145 (2009) 7) Y. Matsuda, et al., Accumulation Behavior of Impurities in Fuel Cell Circulation System, Review of Automotive Engineering, Vol.30, No.2, p.167-172 (2009) 5. おわりに 以上，FCV 水素燃料仕様についての国際標準化 の動向について述べてきた．各国との研究協力を 進め，2012 年 12 月に国際規格（IS）として初版 が発行された．IS 発行後，より成熟した市場に適 用する IS を目指し，直ちに改定作業を進めてい る．JARI 燃料標準化 WG は，ISO/TC197（水素 技術）の審議団体である一般財団法人エンジニア リング協会と覚書を交わし，FCV の燃料仕様に係 る標準化審議を積極的に推進している．今後も， FCV・インフラの緊密な連携を礎に，充分な国内 合意を醸成し，これらの活動を継続することによ り， 国際標準化活動に対し引き続き貢献してゆく． なお，これらの成果は，新エネルギー・産業技 術総合開発機構（NEDO）の委託により一般財団 法人日本自動車研究所が実施している「水素製 造・輸送・貯蔵システム等技術開発」 ， 「固体高分 子形燃料電池実用化推進技術開発」および「水素 利用技術研究開発事業」の一部である． JARI Research Journal 8) ISO 14687-2: 2012: Hydrogen fuel -- Product specification -- Part 2: Proton exchange membrane (PEM) fuel cell applications for road vehicles (2012) 9) Y. Hashimasa, et al., Effects of Platinum Loading on PEFC Power Generation Performance Deterioration by Carbon Monoxide in Hydrogen Fuel, ECS Trans. 26 (1), p.131 (2010) 10) Y. Hashimasa, et al., PEFC Power Generation Performance Degradation by Hydrogen Sulfide and Ammonia -- Effects of Lowering Platinum Loading--, Electrochemistry, 79 (5), p.343 (2011) 11) 松田佳之他：混合不純物（CO,H2S）が燃料電池発電 性 能 へ 与 え る 影 響 ， 自 動 車 研 究 ， Vol.31, No.7 p.321-324 (2009) 12) 松田佳之他：複数の不純物（CO,H2S,NH3）を混合さ － 5 － せた水素の燃料電池発電性能に対する影響，自動車研 究，Vol.32, No.7, p.345-348 (2010) (2013.8)
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