新型 FCV に向けた高圧水素タンクの開発
＊後藤 荘吾1) 稲生 隆嗣1) 上田 将人1) 山下 顕1)
Development of High-Pressure Hydrogen Tank for New FCV
Sogo Goto Takashi Inou Masato Ueda Akira Yamashita
This article describes the evolution of the high-pressure hydrogen tank developed for the new FCV with the aim of helping to further popularize FCV. New high-pressure hydrogen tanks with three different lengths were developed to store the necessary amount of hydrogen in the system without sacrificing the interior space of the sedan-type vehicle. Some of the lightest tanks in the world （weight effectiveness :approximately 6.0wt%） were developed by adopting a new high-strength carbon fiber that reduced the fiber content of the tanks. Mass-production capabilities were increased and major cost savings were achieved by adopting a newly developed fast-curing epoxy resin for CFRP and high-speed machining processes used in the tanks while ensuring high quality. In addition, the developed tanks obtained certification under UN-R134, which was established to allow mutual recognition of FCV.
KEY WORDS: EV and HV systems, Hydrogen tank, system technology (A3)
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1．． まま ええ がが きき
地球環境との共生を図るため，電気とともに水素の活用 が期待されており，我々は普及に向けてさまざまな開発に 取り組んでいる．燃料電池の開発は1992年にスタート し，2014年モデルのFCVでは，セダンパッケージの採用 に合わせた70MPa高圧水素貯蔵システムを新規開発し，ガ ソリン車と同等の航続距離と低コスト化を両立させること によって，普及し得るポテンシャルを持つFCVを世に送り だすことができた．今回，大量普及に向けて新たに高圧水 素貯蔵タンクシステムを開発し，軽量，パッケージ性向上 等の正常進化に加え，更なるコスト低減，商品性向上を実 現したのでこれらについて概説する．
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2．． シシ スス テテ ムム 構構 成成 2
2..11 タタンンクク構構成成レレイイアアウウトト
FCVは“航続距離の長いEV”という特長を持つ．燃費の向上 に加えて，水素有効搭載量を必要量（約5.6㎏）確保すること によって，今回，航続距離が大幅に向上した．表1に先代と今 回のFCVの水素タンク搭載レイアウト等の比較を示す．今回 のモデルでは，乗員居住空間を犠牲にすることなくセンター トンネルの空間も活用しながら，同径の3本のタンクを搭載 した．タンクの容積が，先代の122.4Lから142.2Lへ増加し たことに伴い，水素有効搭載量が21％増加した.
＊2021年5月 30日受理. 2021年5月26日 自動車技術会 春季学術講演会において発表.
1)トヨタ自動車㈱ (471-8571 愛知県豊田市トヨタ町1番地)
Table1 Comparison of Hydrogen Tank Systems in FCVs
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2..22 タタンンクク拘拘束束構構造造((ネネッッククママウウンントト))
運転席と助手席間の床下を通るセンタートンネルは，長尺 のタンクを配置させ得る空間を有しているが，軽衝突等の車 両前後に働く加速度Gに対する拘束力を確保する必要がある
（図1）ことと，タンクの直径をできるだけ大きく確保する目
的で，センタートンネルに搭載されるタンクに関しては，車両 後方でバルブと結合する口金部をマウントブラケットで支持 する構造（図2）を新たに採用した．
Fig.1 Back view of the vehicle during a frontal collision
技術論文 20214731
Fig.2 Neck-Mounted Fixing Structure
それ以外に適用されている従来からのバンド支持には，内圧 変化による外形変動を吸収するためのスプリング機構が付い ており（図3），これがタンク外径確保の障害となっていた．
Fig.3 Cross-sectional comparison of center tunnel (FR, RR)
特にセンタートンネルは，後方に向かって断面が小さくなっ ている(図3,4)ため，スプリング機構が不要でタンクの直径内 に収まるネックマウント構造は，外径確保を阻害しない．
Fig.4 Vehicle cross-section 2
2..33 タタンンククシシスステテムム
高圧水素貯蔵システムの基本構成（図5）と斜視図(図6)，
および表2に今回開発した高圧水素タンクのスペックを示す．
同径で異なる長さの3本のタンクから供給される高圧水素は，
高圧減圧弁とインジェクタにより2段階で減圧され，FCスタ ックに供給される(2)．
Fig.5 Basic Configuration of High-Pressure Storage System
Fig.6 Diagram of Tank System
Table2 Main Specifications of High-Pressure Hydrogen Tanks
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3．． タタ ンン クク 開開 発発 3
3..11 高高圧圧水水素素タタンンククのの構構成成
図7に高圧水素タンクの構成を示す．高圧水素タンクは，
最内層に水素ガスを封入する樹脂ライナー，その外側に内圧 に対する強度を受け持つ CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）層，さらに外側に耐衝撃性を確保するGFRP
（
Glass Fiber Reinforced Plastic）層からなる．樹脂ライナーの両新型 FCV に向けた高圧水素タンクの開発
端には，バルブとの締結のためのアルミ製口金を有している．
Fig.7 Configuration of High-Pressure Hydrogen Tank 3
3..11..11高高強強度度高高弾弾性性炭炭素素繊繊維維（（CCFF））のの開開発発
汎用CFをベースに高強度化を図った従来モデルの低コスト CFに対し，さらなる高強度化を実現するため，今回，炭素繊 維メーカーの協力により，従来比約4%の高強度化，高弾性化 を達成した．このCFの採用により，CFRP層数を約7%削減し，
タンクの小型・軽量化を実現．タンク単体として先代から質量
効率を5％向上させた（図8）.
Fig.8 Weight effectiveness transition 3
3..11..22 トトウウププリリププレレググ（（TTPPPP））のの開開発発
CFRP層は，トウ（炭素繊維の束）にバインダーとなるエポ
キシ樹脂を予め未硬化状態で含侵させたトウプリプレグ（TPP）
を用いてフィラメントワインディング（FW）法で高速で巻き付 けることで形成した．TPPの積層パターンを図9に示す.
Fig.9 TPP Wrapping Pattern for High-Pressure Hydrogen Tanks
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3..22 タタンンクク生生産産工工程程
タンク生産工程は，ライナー工程，FW（フィラメントワイン ディング）工程，バルブ組付工程，検査工程から成る．更に細 かく，ライナー工程は射出成形・赤外線溶着，FW工程は巻き 線・硬化，検査工程は水圧検査・気密検査から成る．(図10）
Fig.10 Process Flow of High-Pressure Hydrogen Tank
33..22..11 短短時時間間硬硬化化エエポポキキシシ樹樹脂脂のの開開発発
硬化時間短縮とポットライフ（主剤に硬化剤を混合して粘 度が上昇し使用不能になるまでの可使時間）の背反性能を両 立したエポキシ樹脂を，材料メーカーの協力により新規開発 した．短時間硬化エポキシ樹脂の性能を活かすため，図11に 示すように，硬化条件として昇温速度の向上（約5倍）及び均 熱温度の上昇（15℃）にも同時に取り組んだ．
Fig.11 Temperature Profile of Curing Tank
短時間硬化に向けた材料面の技術的アプローチとしては，従 来は主剤に反応性の低い高純度ビスフェノールF型エポキシ 樹脂を採用しポットライフを制御していたが，今回は短時間 硬化と低コスト化の観点から，主剤に汎用ビスフェノールA型 エポキシ樹脂と，末端にエポキシ基を持つ反応性希釈剤の併 用系を採用した．図12に主剤となるエポキシ樹脂の化学構造 の違いを示す．
CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastic
新型 FCV に向けた高圧水素タンクの開発
Fig.12 Differences in Chemical Structures of Epoxy Resin Ingredients
また，図13のように反応性希釈剤により初期粘度を低下さ せることで，硬化時間短縮とポットライフを高次元で両立す ることに成功した．
Fig.13 Approach to Ensure Pot Life
一方，図11に示した硬化条件の見直しは樹脂ライナー内 面の酸化劣化（黄変）を助長する可能性があることが判明した．
そこで硬化工程における加圧媒体として不活性ガスである窒 素に変更し，酸素濃度を大幅に低減させることで，樹脂ライナ ー内表面の酸化劣化を抑制することに成功した．短時間硬化 エポキシ樹脂の新規開発及びタンク硬化工程の改善により，
生産性の大幅向上（硬化時間約3分の1）及び低コスト化を同 時に達成した．
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3..22..22 FFWW工工程程のの高高速速化化
FW工程では，低剛性の樹脂ライナーに内圧を付加し，タン ク強度を担保する炭素繊維（CF）を張力制御しながら約3500m 巻付けている（図14）．
Fig.14 Outline of FW Machine
設備動作の高速化による加工時間 50%短縮に加え，品質測定 の自動化により測定時間を90%削減することで生産時間を66%
低減（生産性を3倍）することに取組んだ（図15）．
Fig.15 FW Machine Production Time
33..22..33 設設備備動動作作のの高高速速化化
加工時間50%短縮を目指し，広範囲に動作する給糸口部を軽
量化し，駆動方式を見直した．
重量増加の主要因であった，給糸口部に一体となっていた 前後軸動作用モーターを分離（図16）し，揺動部を給糸口先 端に限定（図16赤枠部）することで揺動軸動作用モーターサ イズを低減した．加えて構成材料をアルミ化する等の徹底的 な軽量化により，重量を約1/5にすることができた．
駆動方式については，従来のボールねじ方式では，共振や摩擦 による熱変位の影響で速度が上げられないことから，ワイヤ ードライブ方式を採用した．
結果，最高速度を2.1倍，加速度を1.5倍に引き上げること ができ，加工時間を50%短縮した．
新型 FCV に向けた高圧水素タンクの開発
Fig.16 Diagram of Structure around Thread Feeder (Compared to Previous Machine)
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3..22..44 品品質質測測定定作作業業のの自自動動化化
従来は全層手作業でタンクの品質を測定していたため，毎 回設備を止めて機内に進入する必要が生じ生産時間を圧迫し ていた．そこで今回，設備を止めずに自動測定できる手法の開 発に取組んだ．自動化における課題は，既に積層済みの部分と 新たに積層した部分が画像処理などでは区分困難な点である．
低ヘリカル巻きにおけるドーム部巻位置は，レーザー変位 計で形状測定し，積層前後の形状の差分を取ることで，割出す ことができた（図17）．
Fig.17 Outline of Low-Angle Helical Winding Region Measurement
フープ巻きにおける胴体部巻位置は，新たな層を巻付け中 に強い光を照射し，その光の散乱を利用することで，下層との 区別に成功した（図18）．
Fig.18 Outline of Hoop Winding Region Measurement
上記自動測定技術の開発により，測定時間を90%削減するこ とができた．3.2.3節の高速化とあわせて，従来の3倍の生産 性を達成した．
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3..22..55 品品質質測測定定作作業業のの自自動動化化
お客様に安全安心なタンクをお届けするために，タンク1本 1本の性能を保証するべく，巻位置，張力，内圧を常時監視す る機能を持たせた．巻位置は3.2.4節で述べた自動計測機に よって全層計測，張力は加工点に最も近い給糸口部に設置し た張力計で常時監視することで，品質保証を行っている．
上記に加え，加工時の設備動作も含めて製品シリアルナン バーとの紐づけを実施．量産開始後の製品品質を常に監視し ながら，得られた知見を織り込んで工程改善に活用するだけ でなく，次世代のモノづくりに活かしていく考えである．
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4 認認 証証 対対 応応
従来の高圧水素タンクは，国･地域別で各々認可を取得する 必要があった．今回は，国際基準調和を目的とした58協定に 基づいて2015年に制定された国際相互承認のための国連規則
（UN-R134） の運用開始(3)に伴い，これに適合させ，認可を取 得した．
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5 おお わわ りり にに
大量普及に対応すべく，軽量化，パッケージ性向上等の正常 進化に加え，更なる航続距離の向上，コスト低減，生産革新を 織り込んだ高圧水素タンクを開発した．
今後の更なる普及を目指して，時代を先取りした，お客様の ニーズに寄り添った技術開発を進めていくことで，地球にも やさしい水素社会が到来するよう，進化を継続していきたい．
最後に，この開発にご協力いただきました数多くの関係会 社の皆様に，心より感謝の意を表します．
参 考 文 献
（1）日置，近藤，山下，大神：新型FCV 用高圧水素タン クの開発，自動車技術会学術講演会予稿集，No.37-15S，
p905-908（2015）
(2）山下，近藤，大神，三石：新型FCV用高圧水素貯蔵シス テムの開発，自動車技術会学術講演会予稿集，No.37-15S，
P909-913（2015）
（3）水素燃料電池自動車の相互承認に関する省令等を制定
しました～水素燃料電池自動車に関して国際相互承認が開始 されることになります～，経済産業省，News Release，平成 28年6月30日，
https://warp.da.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/10159415/www.
meti.go.jp/press/2016/06/20160630002/20160630002.html
，（参照 2021.03.18）
新型 FCV に向けた高圧水素タンクの開発
