小型移動体実証試験 - 日本自動車研究所

小型移動体実証試験
小型移動体実証
試験
小型移動体検討委員会 委員長
九州大学大学院 非常勤講師
池田 宏之助
最終目標と5ヵ年年次目標
H19.7.18 第1回 JHFC実証試験推進委員会資料
分類
小型移動体検討委員会
役割
燃料電池を用いた小型移動体の実証試験を行い、燃料電池の実用化を推進し、より幅広い水素利用形態を検討することによ
り、水素エネルギー社会の実現に向けた技術開発を加速させる。
最終アウトプット（目標）
H18年度（振り返り）
・小型水素・小型移動体系に実際使われる現場での実証試験を通じ、実用化のための水素貯蔵タンク系、燃料電池、バッテリー
系の技術課題を抽出し、その対応策として短期的対応と、長期的対応策に分けて織り込んだものの検証が出来る事。
・小型水素貯蔵タンクを用いた小型移動体の実証試験スタート。
H19年度目標
・長時間、長期間、外気環境テスト、既存の電動製品との走行比較を通じた技術課題の抽出、小型水素貯蔵タンク系の貯蔵能
力の検討と、燃料電池、バッテリーシステム系の適正化に分けて、短期的課題と基本からこの研究を長期的課題へ振分けて検
討し、提案と対応策の提案を行う。
・小型移動体のJHFCとしての広報方針を明確にする。
H20年度目標
・短期的な1次対応策を織り込んだ機体による実証試験に対する課題抽出、対応策提案。
・長期的な対策を盛り込んだ小型水素貯蔵タンク系、燃料電池、バッテリーシステム系の検証試験による検討と対応策提案。
・新しい小型移動体分野の利用実証性の検討
H21年度目標
・短期的2次対応策を盛り込んだ機体による実証試験に対する課題抽出、対応策提案。
・長期的な対応策を織り込んだ小型水素貯蔵タンク系、燃料電池、バッテリーシステム系の検討試験による検討と対応策提案。
・次期実証目標の策定。
・新しい小型移動体分野の利用実証性の提案
H22年度目標
・短期的対応策の走行実証データの蓄積。
・長期的な対応策からみた実用化への課題の整理、提案、総括
・実用化レベルに対する現時点での用途別可能達成レベルとの課題について
・新しい小型移動体分野の次期実証目標の策定
平成18年度実施内容／平成19年度目標
平成18年度実施内容
＜実証試験＞
実証機：ＦＣ車いす、ＦＣカート、ＦＣアシスト自転車
○プロトタイプ機の走行実験
○プロトタイプ機の課題抽出
○法令・安全性の検討
＜評価＞
○各種技術データの収集・調査
○公共施設走行の環境調査 等
各機能部材の特性の確認
機能部材とシステムの最適化
コース設定
平成19年度目標および実施項目
＜平成19年度目標＞
○小型水素貯蔵タンク系の貯蔵能力の検討
○長時間、長期間運転
○外気環境テスト
○既存の電動製品との走行比較
○燃料電池、バッテリーシステム系の適正化に関して、短期的課題と基本
からの研究を要する長期的課題に振り分けて検討し、提案と対応
○小型移動体のＪＨＦＣとしての広報方針の明確化
＜実施項目＞
①長時間・長期間運転
②季節（気温、湿度）毎の運転
③電動小型移動体との比較運転
④モニターによる試乗運転
安全性
走行距離
機能部材
走行効率
の特性
乗り心地
実用化に
向けた
課題抽出
平成19年度 実行計画と実績
ＦＣ車いす
実行計画
実績
ＦＣカート
ＦＣアシスト自転車
FC車いすのハイブリッド駆動系統
ジョイスティック
水
素
吸
蔵
合
金
ボ
ン
ベ
Left
モータ
ブレーキ
コントローラ
Right
実走行におけるFC出力、二次電池電圧等
（FCアシスト自転車）
50
ＦＣ出口温度
FC出力
温度[℃] 出力[W] 圧力[kPa]
40
FC出力
水素供給圧力
FC出口
温度
水素供給
圧力
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
時間 [hour]
40
800
二次電池電圧
車速
モーター消費電力
車速
30
600
20
400
10
200
0
0
0
1
2
3
4
時間 [hour]
5
6
7
モーター消費電力 [W]
二次電池電圧
電圧 [V] 車速 [km/h]
モーター消費電力
水素吸蔵合金ボンベ（MHボンベ）
ＦＣ車いす、ＦＣカート用
装填の様子
（ＦＣ車いす）
サイズ
356mm（L)×76mmΦ
接続方式
ワンタッチ交換式専用カプラ
材料
水素吸蔵合金
安全機構
圧力逃がし弁
容器重量
4.5kg／本×4本
水素貯蔵量
485NL
ＦＣアシスト自転車用
サイズ
100×20×321mm(ｶﾌﾟﾗ含む)
接続方式
ワンタッチ交換式専用ｶﾌﾟﾗ
材料
水素吸蔵合金
安全機構
圧力逃がし弁
容器重量
1138g
水素貯蔵量
105NL
MHボンベ炎天下放置試験
2007/8/2 MHボンベ放置試験、0.40MPaにて開始
充填条件：28℃にて充填
1.2
60
MHボンベ温度日向
50
MHボンベ温度日陰
外気温
0.8
40
0.6
30
0.4
20
MHボンベ内圧
0.2
10
0.0
0
0
2
4
6
8
10
12
時間[hour]
MHボンベ内圧[MPa]
MHボンベ温度日陰[℃]
MHボンベ温度日向[℃]
得られた 外気温度、ＭＨボンベ表面の温度上昇に
結果 伴い、ボンベ圧の上昇が見られる。
外気温[℃]
温度[℃]
温度
圧力[MPa]
圧力
1.0
FC車いす（栗本鐵工所製作）
燃料電池スタック諸元
燃料電池定格出力
360W
燃料電池瞬間最大出力
540W
燃料電池定格電圧
24V
燃料電池セル数
36
燃料電池電極面積
40cm2
燃料電池水素供給圧力
最大10psig(0.07MPa)
燃料電池スタックサイズ
13.8cm×12.5cm×25.5cm
燃料電池スタック重量
4.9kg
電源関連重量
48kg
ＭＨボンベ諸元
ＦＣ車いす諸元
サイズ
1040mm（L)
600mm（W)
940mm（H)
動力制御システム ハイブリッドシステム
サイズ
356mm（L)×76mmΦ
接続方式
ワンタッチ交換式専用カプラ
材料
水素吸蔵合金
安全機構
圧力逃がし弁
最高速度
6km/h
容器重量
4.5kg/本 (4本使用）
重量
93kg
水素貯蔵量
485NL
FCカート（栗本鐵工所製作）
燃料電池スタック諸元
燃料電池定格出力
360W
燃料電池瞬間最大出力
540W
燃料電池定格電圧
24V
燃料電池セル数
36
燃料電池電極面積
40cm2
燃料電池水素供給圧力
最大10psig(0.07Mpa)
燃料電池スタックサイズ
13.8cm×12.5cm×25.5cm
燃料電池スタック重量
4.9kg
電源関連重量
51kg
ＦＣカート諸元
サイズ
1190mm（L)
660mm（W)
1060mm（H)
動力制御システム ハイブリッドシステム
ＭＨボンベ諸元
サイズ
356mm（L)×76mmΦ
接続方式
ワンタッチ交換式専用カプラ
材料
水素吸蔵合金
安全機構
圧力逃がし弁
最高速度
6km/h
容器重量
4.5kg/本 (4本使用）
重量
126kg
水素貯蔵量
485NL
①長時間・長期間運転（ＦＣ車いす）
大阪市北地域
全工程：１１～１２ｋｍ
ヨドバシカメラ
10
9
8
11
12
延べ走行距離
630km
延べ走行時間
370時間
平均航続距離
58km
走行期間
19年7月～12月
走行コース
大阪北コース
7
6
13
14
17
16
5
中央公会堂
15
20
4
3
４度の登板
19
６度の登板
リーガロイヤルホテル
18
2
抽出された課題
1
大阪水素ステーション
○コントローラの設定電圧による課題
○MHボンベのカプラ先端の脱着の課題
○MHボンベ温度低下時による水素供給の課題
①長時間・長期間運転（FCカート）
大阪城公園の外周路、
内周路、天守閣登城路
全工程：17km
＜実証試験の概要＞
抽出された課題
○夏場のFC出力設定に関する課題
○FCスタックの加湿条件の課題
○外気温度の影響によるシステム動作に関する課題
延べ走行距離
900km
延べ走行時間
230時間
平均航続距離
66km
走行期間
19年7月～12月
走行コース
大阪城公園コース
②季節（気温、湿度）毎の運転（FC車いす、FCカート）
兵庫福祉のまちづくり
工学研究所コース
1週：1.4km
兵庫福祉の
まちづくり
工学研究所
＜実証試験の概要＞
FC車いす
時 期
平均走行距離
夏
55km
秋
63km
冬
50km
FCカート
時 期
平均走行距離
抽出された課題
○回生電流保護回路に関する課題
○冬場のMHボンベ温度低下による水素供給に関する
課題
夏
57km
秋
54km
冬
46km
③電動小型移動体との比較運転（FC車いす、FCカート）
平均走行距離の最長
実証場所：兵庫福祉のまちづくり工学研究所
FC車いす
水素（180g)
Ni水素（468Wh）
電池関連重量
FCカート
48kg
兵庫
55km
63km
50km
km/kg
1.14
1.31
1.04
時期
夏
秋
冬
電動車いす
鉛電池（2個）
電池重量
平均走行距離の最短
水素（180g)
Liイオン（756Wh）
電池関連重量
51kg
兵庫
57km
54km
46km
km/kg
1.11
1.05
0.90
時期
夏
秋
冬
兵庫
27km
31km
26km
km/kg
0.90
1.03
0.86
時期
夏
秋
冬
電動車カート
840Wh
29kg
兵庫
22km
22km
17km
km/kg
0.76
0.76
0.59
時期
夏
秋
冬
兵庫
36km
35km
30km
km/kg
0.75
0.73
0.63
時期
夏
秋
冬
兵庫
22km
26km
28km
km/kg
2.44
2.89
3.11
時期
夏
秋
冬
栗本
km/kg
時期
91.9km
3.40
冬
鉛電池（2個）
電池重量
768Wh
30kg
電動車いす
鉛電池（4個）
電池重量
1680Wh
48kg
電動車いす
Liｲｵﾝ電池（2個） 756Wh
電池重量
9kg
電動車いす
Liｲｵﾝ電池（6個） 2553Wh
電池重量
27kg
得られた結果
○ＦＣ車いす、カートでは、単位重量あたりの
走行距離は鉛電池と同等以上の結果が
得られた。
○鉛電池は冬の温度影響を受けて走行距離が
少し短い結果を得た。
○リチウムイオン二次電池は軽重量のため、
単位重量あたりの走行距離はＦＣ車いす、
ＦＣカートより長い結果が得られた。
④モニターによる試乗運転（FC車いす、FCカート）
ＦＣ車いす
＜実証試験の概要＞
コース：大阪市内南コース
経路 ：本町～難波～上本町
～天満橋 ～本町）
全工程 ：１１．７km
モニター：理学療法士
ＦＣカート
＜実証試験の概要＞
コース：靱公園 約１．３ｋｍ
経路 ：不整地、段差、傾斜、
坂道を通る経路
モニター：一般（男女）
得られた結果
○概ね電動車いすと同程
度の乗り心地
○登坂時および方向転換
では、ＦＣのパワーが一
定で安心感がある
○ＦＣ車は重いため介助
時は大変
得られた結果
○電動カートとほぼ同程
度の乗り心地
○ＦＣカートの方が加速
性、パワー感がある
○電源重量の軽量化が望
まれる。
FCアシスト自転車（岩谷産業製作）
燃料電池スタック
燃料電池出力
燃料電池瞬間最大出力
燃料電池電圧
燃料電池スタック数
燃料電池電極面積
燃料電池水素消費量（60W時）
燃料電池水素供給圧力
燃料電池サイズ（加湿器）
燃料電池重量
Ｌｉイオン電池重量
～60W級
80W
19V～25V（OCV 36V）
36セル
4×4cm2 (4.5 × 4.5 cm)
0.7L/min（100%利用率の時）
0.03MPa以下
約85 × 85 × 105mm（突起物含む）
約1.0kg
1.3kg
燃料電池システム
燃料電池システム部寸法（ケース寸法）
システム出力（DC/DC効率含む）
補機消費電力
注）
総重量
約90 × 200 × 250mm
～40W級
10～15W（空気ブロアー・電磁弁）
約3.2kg
注）総重量には燃料電池・制御ユニット・計測機器・ケース板金等含む
電源関連総重量
ＭＨボンベ諸元
ＦＣアシスト自転車諸元
サイズ
1800mm（L）
595mm（W)
860-993mm（サドルH）
燃料電池
固体高分子形
補助速度範囲
24km/h未満
重量
31.5kg
5.6kg
サイズ
100×20×321mm(ｶﾌﾟﾗ含む)
接続方式
ワンタッチ交換式専用ｶﾌﾟﾗ
材料
水素吸蔵合金
安全機構
圧力逃がし弁
容器重量
1138g
水素貯蔵量
105NL
FCアシスト自転車の走行コース
希望が丘文化公園（滋賀） 1週：約11ｋｍ
コース特徴：下図スタートから、中継①→中継②→中継③→中継④→スタートのコース。
青線で示す中継②～中継③、中継③～中継④は非常に起伏が激しく通常の自転車では
走行が困難。
井頭公園（栃木） 1週：約3.2ｋｍ
コース特徴：右図の赤い線が自転車道と
して整備されている。
コースの特徴としては、希ヶ丘
文化公園より起伏が少なく、
コースをジョギングする人も
見受けられる。
③電動小型移動体との比較運転（FCアシスト自転車）
得られた結果
ＦＣアシスト自転車（希望が丘公園）
水素（9.3g）
Liイオン4Ah
（104Wh）
電池関連重量 5.6kg
上段：平均走行距離
下段：(最短～最長)
km/kg
38.4km
(31.6km～53.3km)
6.8
電動アシスト自転車（希望が丘公園）
電源：リチウムイオン
上段：平均走行距離
下段：(最短～最長)
平均
km/kg
既存の電動
アシスト自転車
4Ah（104Wh） 1.3kg
26.3km
(21km～30.7km)
20.2
既存の電動
アシスト自転車
8Ah（208Wh） 2.3kg
46.9km
(40.7km～53.2km)
20.3
燃料電池システム
相当重量分
16Ah(416Wh) 4.9kg
91.7km
18.7
二次電池
○リチウムイオン二次電
池は軽重量なので、単
位重量あたりの走行距
離はＦＣアシスト自転車
より長い結果が得られた。
○水素吸蔵合金ボンベの
小型化により軽量化した
ため、水素の絶対量が
不足であった。
今後の技術的課題
Ⅰ．特性・品質の確認
①燃料電池システムの軽量化
②エネルギー変換効率の向上
③水素吸蔵量の向上
④水素吸蔵合金ボンベの安全性向上
Ⅱ．実用性（航続距離、寿命、信頼性、安全性、耐久性）
Ⅲ．低コスト化
Ⅳ．水素供給インフラの構築
水素吸蔵合金の技術開発動向
>5wt%級材料
5
水素吸蔵量
水素吸蔵量（wt%）
>4wt%級合金
4
BCC開発合金
(3wt%)
3
BCC開発合金
(2.4wt%)
2
現状合金
(AB5：1.5wt%)
1
0
2005
～2010
～2015
出所：小型移動体検討委員会 6/27水素検討会資料（出所：日本重化学工業、日本製綱所）
～2020 （年）
各種電池の民生小型電池セルレベルにおけるエネルギ密度比較
350
重量エネルギー
エネルギー密度（Wh/kg）
より
軽く
リチウム
300
(一次)
空気亜鉛
250
200
オキシ
ライド
150
アルカリ
マンガン
100
50
0
鉛
0
ニカド
100 200 300 400 500 600 700 800 900
体積エネルギー密度 (Wh/)
より小さく
出所：H19.9.12 産業技術総合研究所関西ｾﾝﾀｰ 第3回ユビキタスエネルギー研究部門（UBIQEN）フォーラム 辰巳 国昭氏 発表資料
セル温度特性
1.0
0.9
セル電圧
電圧 / V
0.8
0.7
0.6
セル18T-03
7.5A (300mA cm-2)
H2/Air = 60% / 40%
ｱﾉｰﾄﾞ側，ｶｿｰﾄﾞ側 フル加湿
0.5
0.4
0.3
10
20
30
40
50
60
温度 / ℃
出所：大阪科学技術センター研究資料
70
80
90
100
まとめ
１．水素吸蔵合金ボンベ：
⇒水素吸蔵量・安全性について課題抽出ができた。
２．長時間・長期間運転：
⇒ＦＣ車いす、カートでの長時間運転における課題抽出ができた。
３．季節試験：
⇒季節毎の環境（温度、湿度）における課題抽出ができた。
４．既存の電動小型移動体との比較：
⇒ＦＣ小型移動体は、単位重量あたりの走行距離の比較では
鉛電池と同等以上である。しかし最近のリチウムイオン二次
電池と比較すると、さらなる燃料電池システム（水素吸蔵合金
ボンベ含む）の軽量化が必要である。
（注）リチウムイオン二次電池でも大型化に伴い、さらなる安全性
の確認が必要と思われる。
５．モニター試験について：
⇒既存の電動小型移動体とほぼ同等の乗り心地であった。