の安全を担保する充填手順を提案した. 本提案は, SAE J2601 に参画する OEM( 自動車メーカー ) の賛同を得て,2007 年に OEM 連名文書 Release A プロトコルとして発行された. Release A における通信充填の考え方は, 以下のとおりである.( 図 3 参照 )

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あおいつなかわ
7 years ago
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1 解説充填プロトコルと充填技術 Fueling Protocol and Technology for Fuel Cell Vehicle 福本紀 Hajime FUKUMOTO 1. はじめに 2015 年における燃料電池自動車 (Fuel Cell Vehicle 以下 FCV) の市場形成を目指し, 各種の規制緩和や基準規格整備等, 必要不可欠な基盤整備が進められているが, なかでも, 水素ステーションにおいて安全で効率的な充填手順を規定する商用充填プロトコルの策定は重要な検討課題とされている. 筆者は, 平成 17 年度から NEDO 水素社会基盤構築事業水素製造輸送貯蔵技術開発事業等の一環として高圧水素標準化活動に携わり,SAE における充填プロトコル議論に参画するとともに, 国内外の充填技術を調査する機会を得た. 本稿においては, 充填プロトコル策定の経緯と現状を紹介し, 併せて, 当該充填を実現するために開発された充填技術について概要を紹介する. 2. 充填プロトコルとは何か充填プロトコルとは, 車載高圧水素容器に燃料である水素を安全に効率良く充填する条件を提示するものである. 高圧水素容器の安全は, 使用温度の制限 (40~ +85 ) と基準温度における圧力が充填圧力以下となる過充填防止の二点により担保されることから, 温度と圧力両者の安全を同時に満足しなければならない. 水素ガスは圧縮時の温度上昇が著しく, 圧力と温度は連成して変化することから, 効率的な急速充填は, ガス温度の急上昇を意味し, 安全を担保する充填条件の選定は工夫を要する. 一方低温状態で充填を完了した場合, 基準温度に復帰すると充填終了時よりも圧力が上昇することから, 過充填とならないよう安全を担保することも重要である. 3. 充填プロトコル検討経緯 3. 1 黎明期国内の市中における充填は,2002 年に着手された JHFC 実証プログラムを先駆けとし,35MPa 車両に対する充填作業が開始された. 当時は参加車両の種類が限定され, 充填頻度も小さいことから, 汎用的な充填手順までは検討されず, 車両提供各社が自社の車両に適正な流量を指定し, 充填毎に作業者が手動で充填条件を設定した.( 図 1 参照 ) 一方, 米国でも同時期に CaFCP (California Fuel Cell Partnership) が着手された. こちらも当初は各社車両毎に適正流量が指定されたようであるが, 汎用化を目指して外気温に応じた昇圧率選択方式が採用された.CaFCP においては, 有線方式の車両ディスペンサ間通信も実証され, 現在の充填プロトコルに関する基本技術の萌芽が伺われる.( 図 2 参照 ) 図 1 JHFC 初期の図 2 CaFCP 初期の充填方法充填方法 3. 2 SAE Release A CEP(Clean Energy Project) 等欧米における 70MPa 実証プログラム開始に先立ち, SAE J2601 の場で適切な充填プロトコルが議論された. GM/Opel Daimler らは, 車両ディスペンサ間の赤外線通信を前提とし, 車載水素の温度圧力 *1 元一般財団法人日本自動車研究所 FC EV 研究部 1

2 の安全を担保する充填手順を提案した. 本提案は, SAE J2601 に参画する OEM( 自動車メーカー ) の賛同を得て,2007 年に OEM 連名文書 Release A プロトコルとして発行された. Release A における通信充填の考え方は, 以下のとおりである.( 図 3 参照 ) 1) ステーション側で目標圧力 (P_target) を計算 2) 圧力が P_target に到達するまで,Release A で規定する昇圧率で充填 3) 圧力が P_target に到達した場合, 低昇圧率に切替え充填を継続し, 車両側停止信号 (Abort 信号 ) により充填終了本提案は, 通信不調時の安全な充填を担保し, 通信充填へ拡張性も期待出来ることから, GM/Opel Daimler ら欧米 OEM の共感を得, 彼らはシミュレーション技術を駆使して, 初期条件に対応する昇圧率目標停止圧力を算出し, Lookup Table として逆提案された.( 図 5 参照 ) 3. 4 SAE TIRJ2601 の考え方先に述べた経緯を経て,Lookup Table を根幹とする充填プロトコルが議論された結果,2010 年 3 月に TIRJ2601 として発行された. 本節では,TIRJ2601 における安全担保 ( 安全余裕 ) に関わる想定について整理しておきたい. 図 3 Release A プロトコルによる充填手順 3. 3 Lookup Table 概念の誕生 SAE TIRJ2601 通信ありきとして 70MPa 充填プロトコル開発を進めた欧米に対し, 国内議論においては, 通信を必須要件とすることに違和感が示され, また通信不調時も想定した非通信充填時の安全を担保するプロトコル策定が必要という意見が主流となった. このような議論を通じ, ディスペンサ側で入手可能な情報 ( 外気温初期圧力等 ) により, 適正な充填条件を参照出来る充填マップの概念 ( 図 4 参照 ) が創出され,2007 年 11 月 SAE J2601 会議に提案した非通信充填時の安全担保ディスペンサで感知出来る温度情報は外気温であることから, 外気温から容器内ガス温度への補正方法が議論され, 充填実績を解析することにより, 外気温が高い場合の補正量 (Hot Soak) と低い場合の補正量 (Cold Soak) が決定された. またシミュレーション結果から Lookup Table の諸元を決定するにあたっては, 安全余裕を見込むために,SOC=90% に到達した場合に充填を停止することとされたプレクール区分 TIRJ2601 議論においては, 表 1 に示すプレクール温度区分が提案され, 議論の結果, 当面の 70MPa 用途ディスペンサとして, Type A(40 ) Type B(20 ) を想定することとされた. 表 1 TIRJ2601 議論におけるプレクール区分区分公称温度温度範囲 Type A ~ 33 Type B ~ 17.5 Type C ~ +2.5 Type D なし図 4 充填マップの概念図 5 Lookup Table ( 日本提案 ) (SAE 作成 ) 昇圧率一定制御 TIRJ2601 における充填圧力は, 図 6 中の一点鎖線のように制御され, 充填開始時に瞬時高圧を 2

3 付加してリークチェックを行い, 充填開始後は, ガス温度上昇に影響する昇圧率を一定に制御することを基本とする. 図 6 中破線のように圧力公差範囲 (Pressure corridor) が規定されており, 充填中の圧力 ( 図 6 中曲線 ) がこの公差範囲を逸脱した場合には充填を中止しなければならない. 圧力充填時間図 6 TIRJ2601 における圧力制御概念図安全検証試験前記の議論を通じて, 日米欧関係者の合意を得, TIRJ2601 規格発行の運びとなった. ステーションにおける実運用に先立ち,SAE は Powertech に委託し安全検証試験を実施する一方, 国内においては,JARI において急速充填試験を実施し, いずれの充填条件においても, ガス温度は 85 を超過しないこと,SOC は 100% を超過しないことを確認し安全を検証した ( 図 7 参照 ). 本結果は, 充填に関する国内自主基準 (JPEC S003) 発行時に引用され,JPEC S003 をベースとする例示基準発行に貢献した. 4. 充填技術の整理 ( 海外技術調査 ) これまで,TIRJ2601 検討経緯を中心に, 充填プロトコルの想定 ( 要求事項 ) を述べてきたが, プロトコルを実現する充填技術はどのような状況であったかを振り返りたい差圧充填法先述のとおり, 国内における充填実証は JHFC プログラムにより,35MPa 充填を中心として開発が進められたが, その根幹技術は, 充填圧力よりも高圧の蓄圧器に水素ガスを貯蔵しておき, 車載容器との差圧を利用して充填する差圧充填法であった. 本充填法は, 高圧大容量の蓄圧器を要するものの, 比較的小容量の圧縮機を用いて蓄圧出来ることが特徴である. JHFC プログラムで新規に建設された 35MPa 仕様の水素ステーションにおいては圧縮水素ガス貯蔵方式が主流であり, 液体水素貯蔵方式を採用した有明ステーションのような一部例外を除き, 全て差圧充填法が採用された千住ステーション 70MPa 増強工事 FCV への水素搭載方式として,70MPa 圧縮水素が主流になる趨勢を鑑み, 日本においては, 2008 年に既存の千住ステーション (35MPa) を 70MPa 対応とする増強工事が着手され, 本工事着手に先立ち,JARI が主催する高圧水素標準化 WG に当該工事を主導する ENAA が参画し, 自動車メーカー委員らと 5kg/3 分の充填目標を設定した. 国内初の 70MPa 充填ステーション導入は難航し,2008 年 9 月に行われた第一次工事試運転では, ガス流量が著しく不足することが判明した. その後関係者の努力により, 配管径の増強や蓄圧器増設等, 第二次第三次の増強工事を追加実施し,2010 年 1 月に当初目標達成を確認することを得た. 図 7 TIRJ2601 Lookup Table 安全検証試験結果 4. 3 海外技術調査 ( 圧縮機直接充填プレクール ) SAE J2601 議論において, 欧米は一定昇圧制御を基本とするプロトコル議論を受け入れているものの, 流量確保に苦労する千住ステーションの実 3

4 情を鑑み,70MPa 一定昇圧を実現する技術が存在し得るのか疑問を生じた.2009 年 3 月に開催された SAE 会議において,GM/Opel 担当者から, 図 8 に示す充填実績を紹介され,Linde ATZ 社 ( ウィーン ) の供与技術である旨を教示されたことから, 訪問調査を企画した. ものの, その運用方法は未確認であり,( 低圧縮比大吐出量 ) と ( 高圧縮比小吐出量 ) という圧縮条件を 1 台の圧縮機で兼用する方法や, 市販カードルの転用が可能な 30MPa 級中間バッファの採用等, ここで紹介された運用方法には, 目から鱗が剥がれる思いであった. 図 8 GM/Opel による 70MPa 充填例示図 10 Linde ATZ における圧縮機直接充填法概念図図 9 は, 筆者が Linde ATZ 社を訪問した際に持参した, 自己の理解を整理したスライドであるが, 差圧充填法の概念が抜けず, 非常に混沌としていたことが思い出される. 図 11 Ionic Compressor 模式図 (JHFC 調査報告より ) 図 9 Linde ATZ 社に持参した説明資料 4. 4 圧縮機直接充填法と Ionic Compressor 2009 年 8 月 31 日に初めて Linde ATZ 社を訪問し,Dr. Robert Adler と面談した際, 着席早々に紹介され感嘆したのが図 10 の概念図である. 水素ガスは, 一旦中間圧 (30MPa) に昇圧した状態で貯蔵しておき, 車両へ充填する際には, 低圧縮比 (30MPa 87.5MPa) 大吐出量の圧縮を行うことにより,3 分充填を可能にするものである. ここで使用されているのが, 図 11 に示す Linde ATZ 社が開発した Ionic Compressor であり, JHFC の海外調査でその存在は報告されてはいた表 2 は,Dr. Robert Adler から聞き取った差圧充填法と圧縮機直接充填法の得失を整理したものである. 圧縮機直接充填法は, 高圧蓄圧器と車載容器の差圧 ( 位置エネルギー ) を大容量圧縮機 ( 動エネルギー ) により代替する充填法と理解出来た. また Linde との意見交換においては, 比較的充填頻度の少ない FCV 普及初期のコスト低減に適した充填法と説明された. 表 2 差圧充填法と圧縮機直接充填法の得失比較 70MPa 充填時差圧充填圧縮機直接充填電力消費 22kw/ 時 ( ピーク )90kw/ 時蓄圧器 90MPa( 高価 ) 30MPa( 安価 ) 4

5 4. 5 プレクール技術 Linde ATZ 社訪問時に受けたもう一つのインパクトは, 図 12 に示すプレクール技術であった. 40 冷却を可能とする冷媒は, 熱交換器内で水素ガスを冷却すると同時に, プレクーラからディスペンサまでを二重配管とし, 水素配管の外側に冷媒を循環させることにより外気温の影響を遮断して常に安定したプレクール温度を維持する構造が実現されていた. ステーションを構成する機器類と充填制御の概念を整理したものである. 図 14 Ionic Compressor 制御体系 (Linde ATZ 社 ) 図 12 プレクール配管模式図 (Linde ATZ 社 ) 図 13 は二重管構造の模式図とその実装写真であるが, 国内では見かけたことのない 1 インチ配管とそれを取り巻く 2 インチ径のベローズを見せられ, ここまで徹底するのかとゲルマン民族の徹底ぶりに感動したことが鮮明に思い出される. 貯蔵された水素ガスは図中左方向から Ionic Compressor に供給され, アイドル時にはバッファタンクを昇圧し, 車両への充填時には, 水分分離器を介して流量調整弁を経由し, プレクーラを経て車両に供給される. 図中の PRR(Pressure Ramp Regulator) が Linde ATZ の技術であり, Ionic Compressor 出口ならびにディスペンサ出口の圧力を検知して Ionic Compressor の吐出量と流量調整弁を制御し, 昇圧率一定制御を可能としている. この際, プレクール水素配管系を二重配管として温度の安定を図るのは前述のとおりである. 図 13 プレクール配管二重構造 (Linde ATZ 社 ) 4. 6 Ionic Compressor による充填制御 Ionic Compressor プレクール等,Linde ATZ 社が開発した要素技術を紹介したが, ステーションにおける制御体系を述べて本項のまとめとしたい. 図 14 は,Linde ATZ 社再訪時に聞き取った 5. SAE J2601(2013) 発行に向けた課題 2010 年 3 月に TIR2601 が発行され, 日米欧の OEM ステーション供給者の賛同を得て, 業界世界標準規格の地位を確立したが, その一方で, インフラ側関係者から, 現行 TIRJ2601 規格の前提条件は充填設備への要求が厳し過ぎる等の不都合が指摘され,2015 年の FCV 商用化時を想定し, より実践的で効率的な充填プロトコルとして正規規格を発行するべく, 改訂作業に着手された. 以下に現在検討されている主要な改訂内容を記述し, 本稿のまとめとしたい温度管理部位現行 TIRJ2601 ではノズル先端部のガス温度を基準温度と想定しているが, 現実にはノズル先 5

6 端温度を測定することは不可能であることから, 欧米関係者を中心として, 温度管理部位をディスペンサ出側部とすることが提案された.( 図 15 参照 ) TIRJ2601 には, 図 17 上段に示すとおり, A(40 ),B(20 ),C(0 ) の三種類のプレクール区分が規定されているが, 区分間には空隙が存在し, 例えば, ガス温度が33 ~22.5 の場合には参照するプレクール区分が存在しない. このような不都合を解消するため, 日本から 30 プレクール区分を追加することを提案した. 提案当初, 欧米 OEM をからは, プレクール区分の細分化に反対する意見もあったものの, プレクール区分の連続性や充填効率の適正化等の利点が認識され,J2601(2013) 発行時には, 当区分を設定することに合意された. 図 15 管理温度測定部位図 16 急速充填試験設定ガス温度規定部位変更は妥当な想定であるが, Breakaway ホースノズル等, ディスペンサ~ ノズル先端間の機材によるガス温度変化をどのように補正するかが技術的課題となった. シミュレーションにより充填機材の熱容量影響を評価するとともに, 図 16 に示すように急速充填試験を実施して検証し, 日本からも当該機材を無償供与し協力したプレクール区分日本国内にて TIRJ2601 要求を検討した際, ステーション供給者からプレクールガス温度の管理公差が狭く, 公差を外れた場合には充填中断となることが問題である旨コメントされた Fallback 充填法国内ステーション供給者からは, ガス流量の大小により冷却効率が変動することから, 充填途中にガス温度が公差を外れ, 充填中断が頻発する懸念が示された. この課題解決のために, 図 18 に概念図を示す Fallback 充填法が創出された. 本法は, 例えば, プレクール温度が T40 公差から外れ T30 区分となった場合には,T30 で設定される昇圧率による充填終了点を算出し, 公差外れ点と充填終了点を結ぶ昇圧率を再計算して充填を継続する方法である. 図 18 Fallback 充填法概念図図 17 プレクール区分の検討欧米 OEM からは,Fallback 切替により, 温度超過等の危険が生じないか懸念が示されたが, JARI において急速充填試験を実施し, 安全検証データを開示することにより本手法採用の合意を得た. 6

7 5. 4 SAE J 発行に向けて 5.1 節から 5.3 節に記した改訂議論を踏まえ, 2013 年 2 月に Lookup Table を試算したところ, 目標である 25 外気温における充填時間は 5 分程度と算出され, 当初目標の 3 分に比較して大幅な緩速充填となることが判明した. 3 月に開催された SAE 会議においては, 充填時間短縮の努力目標が確認されるとともに,4 月以降 Lookup Table 作成に着手し,6 月を目処に最終ドラフトを確定して J2601 正規規格を発行する目標日程が設定された. 6. 海外における充填技術の動向以上,J2601 充填プロトコルを俯瞰し, 現実のステーションにおいて実現する充填技術の検討状況を整理したが, 本稿を終えるにあたり, 海外の充填技術動向に触れたい液水加圧充填法 FCV 大量普及期には, 輸送効率等の観点から液体水素による輸送貯蔵が優位と考えられており, 車両への充填手段として,Cryo Pump( 液体水素直接加圧 ) が検討されている. 図 19 は, ミュンヘン郊外にある Linde 事業所で見学した Cryo Pump の試作機であり,1.7kg/ 分の吐出能力を有する. 本機材を製品化し 2 基を地下に装備した実証ステーションが Sachsendamm( ベルリン ) に建設され,2011 年から Shell により運用されているパッケージ型ステーション事例図 20 は,Cuxhavener( ハンブルグ ) にある Total ガソリンスタンドに併設された,Linde 社製パッケージ型水素ステーションの一例である. 液体駆動方式の利点を活かし, 非常にコンパクトにまとめられた IC90 型 Ionic Compressor を中心に, プレクーラ,85MPa 蓄圧器 (50L 18 本 ), 昇圧制御ユニット, 補機類を 3m 立法の筐体内に収納していることが特徴である. 工場出荷時には, 天井に冷却系チラーを搭載した状態で搬出されるため, 現地工事は, 電源類の配線と中間圧 (30MPa) 水素貯蔵を準備するだけで良い. 従来工法に比較し, 大幅に現地施工期間を短縮出来ることが特徴のようである. 図 20 パッケージ型ステーションユニット例 (IC90) 7. 謝辞本稿に記述した SAE J2601 プロトコルに関する検討ならびに海外技術調査は,NEDO 水素社会基盤構築事業水素製造輸送貯蔵技術開発事業の一環として実施したことを記し謝意を表する. 図 19 Cryo Pump (Linde 社 ) 7

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Microsoft PowerPoint - 08.【JPN】WG3.ppt [互換モード] WG3: 車両インフラ共通領域 WG 主査高木靖雄 ( 東京都市大学教授 ) 門出政則 ( 佐賀大学教授 ) 実施者リーダー田島正喜 ( 東京ガス株式会社 ) 山梨文徳 ( 日産自動車株式会社 ) 車両インフラ共通領域の役割 JHFC の目標 1. 水素インフラに関する目標 1 将来の商用インフラモデルの検討提案 2 水素インフラの実使用条件における運用とその際の課題明確化 3 水素インフラの安全性