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水素燃料電池で CO₂ 排出量を削減

水素燃料電池による商用車の電動化

海運と港湾インフラは、温室効果ガス (GHG) 排出の大きな発生源です。国際海事機関によると、海上輸送は毎年 9億トン以上のCO₂を排出しています。世界経済は製品を消費者に届けるために海運に依存しており、外国製品の最大90％がコンテナ船で港を通過しているが、環境への影響は甚大です。そして、交通量の多い港の近くに住む人々は、港の商用車のディーゼルエンジンからの排出物によって引き起こされる危険なレベルの大気汚染にさらされています。

例えば、コンテナハンドラーと呼ばれる大型産業車両はコンテナ船からコンテナを積み下ろしします。各コンテナハンドラは年間最大144 トンのCO ₂ を排出し、大規模な港ではこうした機械が数百台敷地内に設置されることもあります。コンテナハンドラー 1 台のディーゼルエンジンを環境に優しい代替エンジンに交換するだけで、道路からガソリン乗用車 32 台を排除するのと同じ効果が得られます。

乗用車から長距離トラック、機関車、重機に至るまで、内燃エンジン (ICE) はより環境に優しい代替品に置き換えられつつあります。バッテリー駆動の電気自動車は多くの注目を集めており、車種と充電場所の両方で消費者が利用できる選択肢が増えています。しかし、港湾では、ICE はヤードトラック、フォークリフト、コンテナハンドラーなどの大型産業用車両のディーゼルエンジンです。バッテリーとそれに必要な充電インフラストラクチャは、これらの操作の多くには機能しません。

ここで燃料電池が役に立ちます。

電動化の実現

燃料電池は、燃料補給のためのダウンタイムを最小限に抑えながら長時間稼働しなければならない重機がある場所に最適です。水素燃料電池の充填には、同サイズのガソリンタンクを充填するのとほぼ同じ時間がかかりますが、大型電気自動車のバッテリーの充電には数時間かかります。燃料電池は、車両が 8 時間のシフトを乗り切るために必要な電力密度と航続距離を提供します。商用車向け燃料電池技術に注力している企業の一つはNuveraです。

「長距離走行が必要な場合や、バッテリーの充電に時間がかかりすぎる場合には、燃料電池はバッテリーよりも優れています。そのため、船舶、飛行機、トラック、バス、緊急対応車両に適しています」と、Nuvera Fuel Cells の創業者兼取締役のガス・ブロック氏は言います。

「バッテリーが大きすぎて車両に搭載できない場合や、重すぎて積載量が制限される場合にも、バッテリーが必要になります」とブロック氏は言います。「例えば、電動コンテナハンドラーに必要なバッテリーは、小さな象ほどの大きさになります。」

Nuvera燃料電池の写真。 — Nuvera の E シリーズ燃料電池エンジンの 1 つ。画像著作権: Nuvera Fuel Cells。

充電不要の電気代替品

燃料電池は熱と水以外の排出物を一切出しません。可動部品がないため、原理的には設計が単純で、膜が 2 つの電極の間に挟まれています。水素燃料が陽極に達すると、陽子と電子に分割されます。陽子は膜を通過して陰極に到達し、そこで酸素と出会います。電子は電気回路を通って電極間を長い経路で移動します。電子の流れがモーターの動力を生み出します。陰極では、陽子、電子、酸素が結合して水が形成されます。

モデリングとリアルタイムシミュレーションを使用することで、Nuvera のエンジニアは設計を迅速に反復し、実際のエンジンを危険にさらすことなく実験を行うことができます。

科学は単純ですが、高性能電源のレシピを完成させることは困難です。燃料電池内部の複数の反応は多くの要因によって左右されるため、デバイスから最大限の電力と効率を引き出すには、ソフトウェア制御システムがそれらすべてを考慮する必要があります。制御システムはフィードバックに基づいて継続的に修正を行います。

「設計上の最大の課題の一つは、電池への適切な水分補給を維持することです」と、ヌベラ社の主任エンジニア、Pierre-François Quet氏は語ります。「水が足りないと陽子は通過しません。水が多すぎると電池が浸水します。」

彼らのシステムは、冷却剤の温度を変え、空気の流れを操作して蒸発を増減させることで水分補給を管理します。数百個の燃料電池を積み重ね、その間に冷却水を注入し、さらに冷却水ポンプとエアコンプレッサーを備えた燃料電池エンジンを制御するソフトウェアの設計に、Nuvera では MATLAB^®  および Simulink^® を使用しています。燃料電池エンジンのプラントモデル (電気と化学の反応、水とガスと冷却剤の温度と圧力を制御する方程式から構成) もSimulinkに実装されていると Quet 氏は言います。このシミュレーションを導入することで、Nuvera は最高のパフォーマンスを引き出すために、冷却剤の流れなどを改良するアルゴリズムを作成します。アルゴリズムが完成すると、 Simulink はそれを実際の燃料電池エンジンに組み込まれたプロセッサで実行されるコードに変換します。

ドックのトップローディングコンテナハンドラーが、積み重ねられたコンテナから 2 つの非常に大きな輸送コンテナを取り出しています。 — Hyster^® トップローディングコンテナハンドラー。画像著作権: Hyster-Yale Group。

制御アルゴリズムは、多くの動作条件も考慮します。シミュレーションでは、Nuvera はシステムを低温および高温の周囲温度、および低湿度および高湿度の環境でテストします。

より現実的な設定でアルゴリズムを実験するために、Nuvera はハードウェアインザループテストを実施します。彼らは、物理エンジンと同じ入力と出力を持つように調整された Speedgoat 製のカスタムコンピューターにエンジンモデルをロードし、その動作をリアルタイムでシミュレートできます。燃料電池エンジンを実行する同じ組み込みコンピューターが Speedgoat ボックスに接続され、 Simulinkから生成された C コードからプログラムされます。

この設定により厳密さが増すと同時に、Nuvera のエンジニアは設計を迅速に反復できるようになります。また、実際のエンジンを危険にさらすことなく実験を行うこともできます。

異なる種類のハイブリッド

事実上すべての燃料電池車は、燃料電池とバッテリーの両方で駆動する電気的ハイブリッド車です。場合によっては、燃料電池がトリクル充電を行ってバッテリーを充電状態に維持しますが、他の構成では燃料電池とバッテリーの両方が電気バスを通じてモーターに電力を供給します。バッテリーは、フォークリフトがブレーキをかけたり、荷物を下ろすときなど、車両の回生電力を受け入れるためにも使用されます。

Quet 氏のチームはまず、メーカーから提供されたデータと社内で収集したデータに基づいて、 Simulinkでリチウムイオン電池のモデルを構築する必要がありました。彼らはまた、電圧や電流など測定可能なものに基づいてバッテリーの充電状態を推定できるアルゴリズムも作成しました。次に、 Simulinkを使用して制御アルゴリズムをプログラムしました。システムは、ピーク負荷に十分なエネルギーとエネルギーを再吸収する十分な容量が常に確保されるように、理想的なレベルのバッテリー充電を維持する必要があります。Nuvera チームは、さまざまなフォークリフトおよび荷物のシナリオをシミュレートしてアルゴリズムをテストし、さまざまなシステムコンポーネントの最適なサイズも設計しました。

両方の長所

燃料電池は、バッテリーと ICE の両方と長所を共有しています。バッテリーと同様に、拡張可能で静かであり、有害な排出物を生成しません。しかし、燃料電池車は、ガソリンやディーゼルを動力源とする内燃エンジン車と同様の長距離走行と素早い燃料補給時間も提供します。水素は燃料タンク内に圧力をかけて貯蔵できるため、同じ大きさのバッテリーよりもはるかに多くのエネルギーを蓄えることができます。そのため、バッテリーの充電や交換のために車を止めずに、バッテリー駆動の車両と同等かそれ以上に長時間車両を運転し、数分かけて燃料タンクを充填することができます。

Nuvera の燃料電池エンジンの用途の 1 つは、親会社である Hyster-Yale Group が製造するフォークリフトです。Nuveraはまた、E-45燃料電池エンジン2基を、写真のモデルと同様の、ロサンゼルス港で使用されるHyster^®コンテナハンドラーに統合しました。この車両だけでディーゼルエンジンを燃料電池駆動の電動ドライブトレインに置き換えることで、毎年128トンのCO ₂を回避できます。商用車や産業車両のディーゼルエンジンは、大気の質を低下させる炭素排出物や基準汚染物質の発生源です。Nuvera は他のメーカーと協力して、燃料電池を使用してバス、電車、特殊車両を電動化し、排出量を大幅に削減することに取り組んでいます。