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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

JARI Research Journal 20130608 【解説】

＊1 元一般財団法人日本自動車研究所 FC・EV 研究部

－－ JARI Research Journal (2013.6)

1

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

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 TIR-J2601 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．

図 4 充填マップの概念図 5 Lookup Table (日本提案) (SAE 作成)

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 TIR-J2601 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 TIR-J2601 として発行された．本節では，TIR-J2601 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．

3. 4. 1 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．

3. 4. 2 プレクール区分 TIR-J2601 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 TIR-J2601 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 -40℃ -40℃ ～ -33℃

Type B -20℃ -22.5℃ ～ -17.5℃

Type C 0℃ -2.5℃ ～ +2.5℃

Type D なし -

3. 4. 3 昇圧率一定制御 TIR-J2601 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

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．

図 6 TIR-J2601 における圧力制御概念図

3. 4. 4 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，

TIR-J2601 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．

図 7 TIR-J2601 Lookup Table 安全検証試験結果

4. 充填技術の整理(海外技術調査) これまで，TIR-J2601 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．

4. 1 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．

4. 2 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．

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

充填時間

圧力


3

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．

図 8 GM/Opel による 70MPa 充填例示

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 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

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 10 Linde ATZ における圧縮機直接充填法概念図

図 11 Ionic Compressor 模式図(JHFC 調査報告より)

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

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．

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．

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

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)

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．

5. SAE J2601(2013)発行に向けた課題 2010 年 3 月に TIR-2601 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 TIR-J2601 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．

5. 1 温度管理部位現行 TIR-J2601 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

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)

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．

5. 2 -30℃プレクール区分日本国内にて TIR-J2601 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．

図 17 プレクール区分の検討

TIR-J2601 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．

5. 3 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

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

5. 4 SAE J2601-2013 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．

6. 1 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．

図 19 Cryo Pump (Linde 社)

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．

6. 2 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．


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