大流量水素ステーション向け超高圧バルブ機器

本製品は、次世代水素ステーション用のバルブ機器です。主に超高圧水素を流したり止めたりする遮断弁と流量を制御する調節弁の2種類があります。次世代水素ステーションは、将来の普及促進が望まれるHDVに対応するため、水素の高速充填用バルブを必要としています。従来の燃料電池自動車（Fuel Cell Vehicle、以下FCV）など軽量用途のモビリティ（Light Duty Vehicle、以下LDV）向け水素ステーションは国内で既に約170箇所設置されていますが、大型HDVには対応できていません。図1に次世代水素ステーション向けバルブ機器の開発成果とその効果を示します。

図１　次世代水素ステーションへの対応（大流量バルブ）

1-1. 課題解決

以次世代水素ステーション向けバルブ機器の開発にあたって以下の課題を解決する必要がありました。

①.HDVに搭載される燃料の量は40kg（海外仕様は80kg）で現在のFCVの5kgの8倍以上。現在の水素ステーションでの平均充填量は30g/sec、FCVに約3分で充填できるのに対してHDVでは約22分かかることになる。商用の大型トラックは1年で10万km走るといわれており、FCVより稼働距離が長く、水素充填回数も増えるため、充填時間の短縮を図ること。

②このため、水素ステーションにおける水素供給系バルブの大流量化を実現すること。

③ 大流量化とともに、安全性、保守性など基本性能を確保向上させること。

この課題を解決するにあたっては、既存の水素ステーション向けに開発した超高圧水素バルブ機器で培った安全性と耐久性の技術を更に発展させるとともに、大流量化も達成しました。

1-2. 次世代水素ステーション用バルブ（遮断弁）の開発成果（図2）

① 大流量化

FCVに30g/secで水素を充填するには、機器の圧力損失等をカバーするため、ステーション内の水素供給系のバルブはCv値（流体の流れやすさを示す容量係数の数値が大きいほど大流量）: 1を必要としています。これに対しHDVへの高速充填を実現するため約2.5倍のCv値: 2.5を確保。充填効率は約2倍向上し、充填時間の短縮が見込めます。

② コンパクト化

バルブを大流量化する為には、バルブ流路内径を大きくする必要があります。バルブの内部閉止する為の駆動部の必要推力は、流路内径の拡大に伴い大きくなります。推力を大きくする為には、駆動部直径を大きくする必要がある為、バルブ全体が巨大化してしまいます。
従来の技術の延長で設計した場合、大流量化したバルブの駆動部直径は、FCV向け水素ステーション用バルブの駆動部直径と比較して約1.5倍になる計画でした。
本製品では、単位面積当たりの駆動部推力を上げることでコンパクト化に成功し、駆動部の直径をFCV向け水素ステーション用遮断弁の直径と比較して約10％増にとどめることができました。バルブ本体部においても、内部部品の最適な配置やパッキンの形状変更等行うことで、FCV向け水素ステーション用バルブと同等のサイズに収めています。

③ 高耐久化

水素ステーションで使用されるバルブの評価試験方法が規定されている、「ISO19880-3 Gaseous hydrogen –Fueling stations-Valves」では、厳しい開閉耐久サイクルの要求があります。
合計102,000回の開閉耐久サイクルが求められている一方、16,000回毎にシール部品の交換は許容されています。本製品は高い加工精度や表面処理等FCV向け水素ステーション用バルブで得られた技術を活かし、バルブの開閉動作において、上下動するディスクの動きを安定化させる為、芯ずれ防止部品のガイドを追加。さらにグランドパッキン形状を変更（特許取得済）して締付け力を上げることにより、ディスクの保持力を上昇させ、ディスクのシール部に特殊表面処理(特許取得済)を施すことにより、開閉耐久サイクル中にシール部品の交換を行うことなく、102,000回の試験に合格しました。

④ 安全性の強化（冗長設計）

水素ガスは、分子の大きさが小さく、他のガスと比較して最小発火エネルギーが低く、漏洩した場合、火災の発生リスクが高いことが知られています。現行の水素ステーション用バルブでは、水素ガスの外部漏洩を防止するために、グランドパッキンシールが採用されています。
しかし、従来の水素ステーション用バルブの構造では、大流量や高頻度の充填が行われた場合、繰り返し作動や温度変化により、グランドパッキンを押さえる部品（パッキンボルト）に緩みが生じる可能性があると考えられました。パッキンボルトの緩みは外部漏洩の可能性が高まることを意味しています。
そこで、パッキンボルトの緩みを防止するために、ロックプレートを導入しました。ロックプレートは、パッキンボルトに取り付けられ、緩みを防ぐ役割を果たします。これにより、外部漏洩を防止する機能が向上し、水素ステーションの安全性向上に寄与することができました。

図2. 遮断弁の大流量化／コンパクト化／高耐久化／安全性強化

⑤ 国際規格の適合

上述（３）の通り、水素環境で使用されるバルブは「ISO19880-3 Gaseous hydrogen –Fueling stations-Valves」の規格に準拠することで国際的に安全性の基準を合格したバルブとして認められます。本規格は2018年に制定された新しい規格ですが、本製品はこの規格に準拠した試験に合格し、国内及び海外の水素ステーションに適用できるバルブとしています。