２０２３年度 ＪＰＥＣフォーラム

水素充填に関する技術基準化

２０２３年５月１０日
一般財団法人石油エネルギー技術センター
水素エネルギー部
ー禁無断転載・複製 ©JPEC ２０２３ー

10. はじめになぜ水素の充填には特別な充填方法の規格（プロトコル）が必要か？
・FCV等の普及にはガソリン車並みの燃料補給時間であることが必要である（対してEVは満充電に相当の時間がかかる）
・当初、充填最高圧力は35MPaでスタートしたが、それではガソリン車並みの走行距離を稼げない⇒

最高充填圧力を70MPaに変えた・すると（5kg）３分程度の充填時間では、車載容器の耐熱温度の規格を守れない⇒

水素を充填前に冷却するプレクールを導入（最大 40℃まで）

・加えて、充填速度を急速に上げても車載容器の耐熱温度を超えないようにする
ため、外気温度等の環境に応じて充填速度（昇圧率）を制御する必要が生じた⇒

商用の水素スタンド開業前に多くのシミュレーションを実施し、安全な充填プロトコルを作成することとなった

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本日の説明内容
1. FCV・高圧水素容器ならびに高圧水素充填に係る基準・規格体系
2. 高圧容器への充填基準とは
3. 表(ルックアップテーブル)方式による充填基準
4. MC-F(フォーミュラ)方式による充填基準
5. MC-MM方式による充填基準
6. 技術基準案の策定と業界自主基準 JPEC-S制定まで

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１．FCV・高圧水素容器ならびに高圧水素充填に係る基準・規格体系

国内

道路運送車両法（管轄官庁：国土交通省）
保安基準
同別添

高圧ガス保安法（管轄官庁：経済産業省）
容器保安規則同別添
技術基準

一般高圧ガス保安規則
コンビナート等保安規則
同例示基準（一般則・コンビ則に関連規定あり）

JPEC自主基準

高圧水素充填
容器保安規則適用範囲

H2
止弁

FCV・高圧水素容器

圧縮水素容器安全弁

水素スタンド海外

国連（UN/ECE）
自動車基準調和世界フォーラム（WP29）

米国自動車技術会規格
SAE J2601

水素・燃料電池自動車の安全性に関する世界統一技術基準（HFCV-GTR)

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JPEC-S 0003と引用する例示基準
圧縮水素充填技術基準（圧縮水素スタンド関係）
JPEC-S 0003 (2016) 抜粋

１．目的及び本資料の位置づけ
本資料は、一般高圧ガス保安規則（以下「一般則」という。）第７条の３及び同コンビナート等保安規則（以下「コンビ則」という。）第７条の３に規定される圧縮水素スタンド（一般則第８条の２に規定される移動式圧縮水素スタンドを含む。）における安全かつ効率的な充填を実施するための具体的かつ包括的な基準を提示するものである。本資料の一部の規定は、充填における安全性を担保するため、以下に示す規則関係条項及び例示基準において、適宜引用されている。
本資料の規定に関連する規則関係条項及び例示基準
一般則関係 ：
第７条の３第１項第５号・第１１号・第２項第８号・第２８号、例示基準５５の２
第７条の３第３項第４号、例示基準５９の４コンビ則関係 ：第７条の３第１項第５号・第１１号・第２項第８号・第２８号、例示基準６２の２
第７条の３第３項第４号、例示基準６６の４

例示基準 抜粋

５５の２．過充填防止のための措置（圧縮水素スタンド・移動式圧縮水素スタンド）

1．充填設備には、充填中の圧力を検知する装置を備え、当該圧力が、燃料装置用容器の最高充填圧力以下であって、外気温度と燃料装置用容器の初期圧力に応じてあらかじめ定めた圧力に達したときに、自動的に充填を停止する装置を設けること。あらかじめ定める圧力は、「圧縮水素充填技術基準（圧縮水素スタンド関係）JPEC-S 0003(2014)」（平成26 年10 月10 日一般財団法人
石油エネルギー技術センター）又は「圧縮水素充填技術基準（圧縮水素スタンド関係）JPEC-S 0003(2016)」（平成28 年3 月4日一般財団法人石油エネル
ギー技術センター）に従うこと。

５９ の４．圧縮水素の充填流量の制限に係る措置（圧縮水素スタンド・移動式圧縮水素スタンド）

1．ディスペンサーに設けた圧力発信器により圧力上昇率を監視し、外気温度に応じた圧力上昇率で充填を行うよう自動的に制御することにより、流量を制限すること。また、充填途中に、圧力許容範囲を逸脱した場合（充填開始直後及びバンク切替に伴う一時的な圧力の変動によるものを除く。）に、自動的に充填を停止する装置を設けること。なお、圧力上昇率及び圧力許容範
囲は、「圧縮水素充填技術基準（圧縮水素スタンド関係）JPEC-S 0003(2014)」（平成26 年10 月10 日一般財団法人石油エネルギー技術センター）又は「圧縮水素充填技術基準（圧縮水素スタンド関係）JPEC-S 0003(2016)」（平成28 年3月4日一般財団法人石油エネルギー技術センター）に従いあらかじめ設定すること。

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２．高圧容器への充填基準とは
HFCV-GTRに準拠した高圧容器は使用上限温度を85℃、使用圧力上限を87.5MPaとし、さらに、70MPa＠15℃を満充填とした密度線を超えないような充填を行う必要がある。
 一定圧力上昇率で充填を行い、目標圧力で充填を終了する
ルックアップテーブル（参照表：容器区分、圧力区分、供給燃料温度区分、通信、非通信毎）• 外気温度に応じた圧力上昇率• 外気温度及び初期圧力に応じた目標圧力
この充填可能領域を超えないように熱力学的充填モデルに基づき、ワーストケースを想定したシミュレーションを繰り返し、最適な値を求める
STEP①圧力上昇率（ホットケース：最も温度が上がり得る条件）
STEP②目標圧力（コールドケース：最も充填密度が高くなる条件）

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３.表(ルックアップテーブル)方式による充填基準～既存の充填プロトコル（表方式）における充填領域順守の基本的考え方<充填例>

NWP：70MPa、プレクール温度：-40℃、タンク容量：4-7ｋｇにおいて、外気温度：25℃で充填前の初期圧力：10MPaの場合

圧力上昇率：18.5MPa/min

目標圧力：74.5MPa

初期圧力：10MPa

外気温度：25℃

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４. MC- F方式による充填基準 ～MC-F方式検討の背景
供給燃料温度許容温度域

プレクール温度（℃）■ 表方式では供給燃料温度を３区分に分けているため、各区分の上限温度でシミュレーションを行い、安全な昇圧率を設定。このため、上限温度を除いて、余計に燃料を冷却することになる。
さらに温度区分を増やし、参照表を作成すれば、必要以上に燃料を冷却する必要はなくなるが参照表が増え、好ましくない。

□ 表方式の供給燃料温度区分を無くして連続化したものが、ＭＣ-Ｆ方式で、表方式のと同じワーストケースシミュレーション結果から、供給燃料温度（ＭＡＴ）の関数として最小充填時間（tfinal）を求め、充填中変化する燃料供給温度から逐次昇圧率を設定するため、理想的な充填を行うことができる。

8４. MC- F方式による充填基準 ～より速い充填の原理
実際の燃料供給温度に対応した充填速度
燃料供給温度

実際の温度は表方式の前提温度よりも低い

可能な昇圧率

燃料供給温度は充填速度に影響する
2015 JSAE Annual Congress Autumn Honda R&D

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４. MC- F方式による充填基準 ～既存の方式との比較
表（ルックアップテーブル）方式
 圧力上昇率は外気温度（Tamb)に依存した一定値が用いられ、燃料供給温度は考慮されていない(唯一フォールバック充填が認められているのみ）。

J2601
LookupTable

2015 JSAE Annual Congress Autumn Honda R&D

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４. MC- F方式による充填基準 ～既存の方式との比較
MC-F（フォーミュラ）方式
 圧力上昇率は外気温度（Tamb)と燃料供給温度（Tpc)に依存

MCFormula2015 JSAE Annual Congress Autumn Honda R&D

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４. MC- F方式による充填基準 ～効果の検証
2018年NEDO事業(HY-01)でMCフォーミュラ方式の効果を検証【米国試験の結果（10月）】

ルックアップテーブル（現行方式）MCフォーミュラ
Phase1
表(ルックアップテーブル)方式と比較してMCフォーミュラ方
Phase1 コールドディスペンサ
式では充填時間の短縮が図れた（連続充填5台/h相当）
T40相当

T30相当

T20相当

※3kg充填時間の計算方法:MIRAIに3kg充填する場合を想定し、23→82MPaの昇圧にかかる時間を各プロトコルの昇圧率から求めた。さらにスタートアップ時間（操作、初期圧チェック等）を一律0.5分加えた。

20201117

次世代充填技術の開発状況 水素インフラＳＷＧ発表資料より

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５. MC-MM方式による充填基準～MC-MM方式検討の背景
充填時の配管系を通過する際の熱容量の影響

熱容量を考慮する範囲（既存の充填方式・MCフォーミュラ方式）
実際の水素スタンドでは、配管等部品はSAE J2601の前提（5.58ｋJ/K＝11.2㎏のステンレス鋼相当）の半分程度の熱容量に過ぎず、安全に尤度を持たせているが、（MC-MM方式）
現実のスタンドの実態に合わせて実測して適切なサーマルマスで適切な充填条件へ
測定方法は別途JPEC-S 0012 (2023)として規格化

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５．MC-MM方式による充填基準
 制御マップは初期圧（Pmin ）と有効配管熱容量率（％）に依存した２次元マップ
MC-MM

現実のスタンドの実態に合わせて実測測定方法を規格化※JPEC-S 0012 (2023)

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５．MC-MM方式による充填基準(MC Multi Map 制御全体像)
熱交換器温度 THEX

冷凍機

①自動プレクール温度調整

外気温 Tamb

充填時間予測温度設定

タンク温度判定

充填履歴判定追い充填によるオーバーヒートの予防する③通信信号の正常性チェック

通信充填の異常を検出する（②のバックアップ）

2次元マップ選択
Heat Mass

有効ヒートマス算出

15MPa10MPa

ヒートマス（設計値）

P②追い充填検知

異常時マップ変更

リアルタイム計測

充填履歴

多数の調整パラメータの一本化。
環境に寄らず一定以上の昇圧率を保ち、タンク内温度層を発生させない。

目標tfinal②追い充填検知
FCVタンク MT
内温度①自動プレクール
温度調整

初期測定

P05MPa0.5MPaFCVタンク容量 TV③通信信号正常性チェック
高精度内容量推定

異常時マップ変更

制御マップ

既存

MC
Formula

変更点
コールドディスペンサー制御廃止
10kg超なし

充填量 MFM

現実の水素スタンドの様々な状況に対応するため、3つの制御を追加

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６.技術基準案の策定と業界自主基準JPEC-S制定まで• 業界自主基準としてタイムリーにJPEC-Sを作成
FCVのトヨタMIRAIが市場投入されるのに合わせて
JPEC-S 0003 (2014) ：表（ルックアップテーブル）方式
FCバスSORAの市場投入に合わせて
JPEC-S 0003 (2016) ：付属書I（10㎏超容器向け充填）
バス充填用プロトコルとして世界に先駆けて発行
充填速度の向上をめざしてJPEC-S 0003 (2021)：MCフォーミュラ方式を反映
更なる水素スタンドの普及のため、運営費削減をめざして
JPEC-S 0003 (2023) ：MC-MM方式を反映予定※JPEC-S 0012 (2023) ：上記手法で用いる熱容量測定法
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ご清聴ありがとうございました

謝辞
以上の発表に関する技術開発成果は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO＊）からの委託事業「超高圧水素インフラ本格普及技術研究開発事業」（プロジェクトコード:P18011）の結果得られたものです。
＊New Energy and Industrial Technology Development Organization

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