２０２４年度 ＪＰＥＣフォーラム

ＨＤＶ用水素充塡プロトコルの研究開発
２０２４年５月１４日
一般財団法人カーボンニュートラル燃料技術センター
水素エネルギー部

ー禁無断転載・複製 ©JPEC ２０２４ー1

充塡プロトコルとは
FCV等に水素を安全に効率よく充塡するための手順

写真

FCVへの充塡（引用：https://www.suzukishokan.co.jp/suiso/）2

本日の発表内容
・研究開発の背景と意義
・NEDO事業の概要（期間・体制・内容）
・研究内容の詳細（1）シミュレーションの活用とＭＡＰ作成（2）水素充塡基準の整備・まとめと今後の予定

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研究開発の背景•日本は、世界に先駆けて燃料電池自動車（FCV）を市場投入し、水素・燃料電池分野では世界をリードしてきた。
•日本は、FCV及び水素ステーションの本格普及に向けて、規制適正化、国際標準化や水素ステーションのコストを低 ※LDV（小型車）減する研究開発を行ってきた。
※LDV：Light Duty Vehicle（小型車)
これまでのFCVは、LDV中心• カーボンニュートラル社会の実現に向けては、運輸部門が日本国内のCO2排出量の2割近くを占める中、そのうち4割の貨物輸送部門（トラック、船舶、鉄道等）の脱炭素化が不可欠である。

HDVが主役に※HDV：Heavy Duty Vehicle（大型車）

4※HDV（大型車）

研究開発の意義【これまでのLDV対応としての背景】•FCVの普及にはガソリン車並みの利便性：燃料補給時間 3分程度
性 能：走行距離600㎞程度 70MPaと高圧充塡が必要。
•水素は3分程度で急速充塡すると、ガス温度が急上昇し、FCV車載容器の耐熱温度の規格を守れないため、充塡前に水素を冷却するプレクールを導入（最大－40℃）した。

【これからのHDV対応に向けた課題・方向性】•HDVは大量の水素を必要とし、そのためにLDV向けのプロトコルをそのまま適用すると充塡に多くの時間を要する。
•以上の背景から、HDV向けの充塡において適切な時間で、なおかつ安全に充塡が行われるように、HDV向けに適した充塡プロトコルを開発する必要がある。

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事業テーマ：競争的な水素サプライチェーン構築に向けた技術開発事業／水素ステーションの低コスト化・高度化に係る技術開発/HDV 用水素充塡プロトコルの研究開発
実 施 者：一般社団法人水素供給利用技術協会、株式会社本田技術研究所、トキコシステムソリューションズ株式会社
一般財団法人日本自動車研究所、国立大学法人九州大学
事業の目的

＠プロジェクト開始時

様々な燃料電池モビリティ、特にHDVへの大流量水素充塡時における充塡プロトコルに関する技術開発とその基準化を目的とする。また、HDVに関する各種技術課題を検証するため、福島水素充塡技術研究センター等を活用して、我が国が世界を先導して国際基準に資するデータの取得を実施する。

事業期間＜2023年度～2024年度＞ (ステージゲート有最長2027年度迄)事業体制

事業内容概略
乗用車用（LDV）に作成した充塡プロトコル（MC-MM方式）を、HDV用に拡張・開発する。NEDO委託事業において開発した水素充塡シミュレーションプログラムを活用して、HDV用充塡プロトコルの開発・検証を実施する。国内の水素ステーションにおけるHDV用充塡プロトコ
ルの安全性検証のため、容器内温度層問題やプレクール設備の能力、配管・バルブ等の差圧などの高圧水素充塡に与える実影響について、福島水素充塡技術研究センター等の設備を活用して試験・検証を実施する。これらの成果を基に、HDV用水素充塡プロトコルに関する国内基準（JPEC-S 0003改正）を作成した上で、ISO等への提案を、ISO/TC197国際標準化活動（NEDO事業）と連携して行う。

＜体制図＞

MC-MM目標
tfinalHDV

自動プレクール温度調整

配管圧損計測温度設定

充塡時間予測冷凍機

圧損係数

追い充塡検知再委託：カーボンニュートラル燃料技術センター

正常性チェック
タンク温度判定

充塡モード判定

充塡履歴判定熱容量計測

2次元マップ選択

初期測定

15MPa
10MPa
P0 5MPa
0.5M
Pa

HDV充塡プロトコル開発・検証

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制御マップ

NEDO事業概要説明シート（事業者名等一部変更）より引用

New MC Formula
Pdispenser

有効熱容量率

有効ヒートマス算出
配管熱容量

圧損補正式

既存Timeシミュレーションの活用とマップの作成
水素を充塡する容器の安全は、・容器ガス圧力< 87.5MPa・充塡率SOC※< 100％
・容器ガス温度<85℃

圧力ｎ
充塡可能領域により担保される。（右図）
温度※SOC（State Of Charge）：容器への水素充塡率

ガス温度「安全な充塡」＝車載容器内圧力/ガス温度が上図の「充塡可能領域」
を逸脱しない充塡

このための条件を見つけるために、シミュレーションによる計算を行い、適合条件から圧力上昇率や目標圧力のマップ（参照表）を作成する

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マップ（MAP）事例
水素充塡プロトコルには次の2種のマップが存在する。

8t-final マップ
オーバーヒートをもたらさない
最短充塡時間を示す

タンク初期圧力

雰囲気温度

雰囲気温度

供給水素温度P-target マップ
過充塡防止のために充塡を終了させる圧力を示す

マップのイメージ

供給水素温度タンク初期圧力t-final マップ
充塡スピードP-target マップ
充塡のゴール（圧力上昇率）オーバーヒートをもたらさない
最短充塡時間を示す

雰囲気温度

雰囲気温度

水素充塡プロトコルには次の2種のマップが存在する。

（目標圧力)

過充塡防止のために充塡を終了させる圧力を示す

充塡設計図（充塡プロトコル）
8シミュレーションの活用とマップの作成【充塡プロトコル設計上考慮する環境条件】O/H：オーバーヒート①材質

温度上昇しやすい条件

温度上昇しにくい条件（過昇温のワーストケース）（過充塡のワーストケース）

Type Ⅳ

Type Ⅲ（プラスチック製ライナー）（アルミ製ライナー）→熱伝導率は小さい→熱伝導率は大きい

大型容器1本のみ

小型容器が複数個（表面積/容積が小さい）（表面積/容積が大きい）→放熱しにくい→放熱しやすい

許容制御範囲の上限

許容制御範囲の下限（T40※では-33℃）（T40※では-40℃）

FCV
車載容器②構成

HRS③プレクール
温度④外気温の容器内ガス温度＞外気温

影響（例：炎天下に駐車してから充塡）

環境⑤容器内ガス温度降下

容器内ガス温度＜外気温（例：冷房したガレージに駐車してから充塡）

あり
なし（長距離走行でタンクのガスが著しく減少し、断熱膨張により容器内ガス温度が低下）

9※T40はプレクール温度のカテゴリーで-40℃＜T＜⁻33℃

シミュレーションの活用とマップの作成【充塡プロトコル設計上考慮する環境条件】O/H：オーバーヒート
温度上昇しやすい条件

温度上昇しにくい条件（過昇温のワーストケース）（過充塡のワーストケース）（プラスチック製ライナー）（アルミ製ライナー）→熱伝導率は小さい→熱伝導率は大きい

大型容器1本のみ

小型容器が複数個（表面積/容積が小さい）（表面積/容積が大きい）→放熱しにくい→放熱しやすい

許容制御範囲の上限

許容制御範囲の下限（T40※では-33℃）（T40※では-40℃）

O/Hしやすい
Type
条件Ⅳ

①材質

過充塡になりやType Ⅲ
すい条件

FCV
車載容器

②構成

HRS

③プレクール
温度④外気温の容器内ガス温度＞外気温

影響（例：炎天下に駐車してから充塡）

環境⑤容器内
ガス温度降下9

容器内ガス温度＜外気温（例：冷房したガレージに駐車してから充塡）

ありなし

ホットケース※T40はプレクール温度のカテゴリーで-40℃＜T＜⁻33℃（長距離走行でタンクのガスが著しく減少し、断熱膨張によりコールドケース
容器内ガス温度が低下）

シミュレーションの活用とマップの作成【充塡プロトコル設計思想】

充塡条件を2段階で計算する
この充塡可能領域を超えないように熱力学的充塡モデルに基づき、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 スピード
（ホットケース：O/Hになりやすい）
上限温度85℃または充塡率100％となるPHCを求め、充塡時間で割り返して圧力上昇率を求める（上限温度85℃にならない圧力上昇率） 安全
STEP②目標圧力（制限圧力） ゴール（コールドケース：過充塡になりやすい）①で求めた圧力上昇率で充塡率100％まで充塡した際のPCCを目標圧力として求める
充塡後、温度上昇しても充塡率100％を超えない(充塡率100％となる最も低い圧力） 安全

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温度

シミュレーションの活用事例

本シミュレーションは過去のNEDO事業で得られた成果を基にNRELにて作成

水素スタンドの配管等の部品の物性値を入力する（熱の出入りを計算するため）

充塡条件を入力する（初期水素圧、充塡終了の条件、温度の刻み幅等）

11シミュレーションによる計算事例
SOC97％

タンク内ガス温度（℃）

SOC100％
ガス温度85℃

ガス温度83℃
ガス圧力83MPa

充塡率SOC（％）
この傾きが圧力上昇率

充塡ホース圧力（MPa）

スピード

タンク内ガス圧力（MPa）

流量（ｇ/ｓ）

充塡時間

tFinal（充塡終了時間）

シミュレーションによる繰り返し計算を行い、このような条件を12 満たす充塡条件からtfinal値が得られ、圧力上昇率等が求まる

各指標（温度・圧力等）

シミュレーションによる計算事例
圧力
ガス圧力83MPa

充塡終了ｎSOC97％

充塡可能領域充塡開始
ガス温度83℃ ガス温度

13温度

水素充塡基準の整備（JPEC-S 0003の改正）
know-how

rule-book• HDV条件を反映• STのノズル条件を反映
マップの作成 • シミュレーションの実施

充塡試験

検証とFB

• 充塡試験の計画• HDV模擬容器への充塡• 大型トラック等実車への充塡• O/Hや過充塡の有無の確認• 容器内ガス温度分布の確認• 発掘された問題点への対応

大型トラック等のHDV充塡に最適化された充塡技術の確立

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反映HDV充塡に最適化された充塡プロトコルを反映（JPEC-S 0003改正）

まとめと今後の予定
・JPECの充塡事業では、安全面での妥当性等について検証・確認しながら進めてきたが、今回は、プロトコル策定の一翼をマップ作成部分について担い、技術開発についても協力して進めていく

・JPECのLDV向けの充塡技術基準（JPEC-S 0003）策定のknow-howを最大限生かして、HDV向け充塡技術基準の策定を図る

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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「競争的な水素サプライチェーン構築に向けた技術開発事業」 （プロジェクトコード：P23004）の結果得られたものです。
＊New Energy and Industrial Technology Development Organization

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