New Energies, new possibilities

日野自動車が親会社のトヨタ自動車と共同で開発を進める国内向けの大型FCトラック。新型ミライと同じ第2世代のFCスタックを2基搭載する（イメージ写真：日野自動車）（東洋経済

　「長距離輸送の大型トラックはEVへの置き換えが難しい。やはりそこは燃料電池(FC)の技術が適している」。そう話すのは、トヨタ自動車グループの商用トラック・バス事業を担う日野自動車の下義生社長だ。 　世界的に環境規制が強まる中、ディーゼルエンジン車がほとんどを占める商用トラックも電動化が避けて通れない。乗用車の電動化はEV(電気自動車)ばかりに話題が集中するが、商用トラックの分野では、燃料として積んだ水素で発電して走行する燃料電池車(FCV)の導入も確実視されている。

■EVよりも航続距離伸ばせる 　理由は貨物積載時の総重量にある。一般的な乗用車の車体重量が2トン以下なのに対し、中型貨物トラックは最大積載時の総重量が10トン前後。10トン以上の荷物が積めて長距離の幹線輸送に使用される大型トラックになると、最大積載時の総重量は20数トンに及ぶ。EV化で問題になるのは、特に重い大型の商品性だ。 　仮に現在の技術で長距離輸送用の大型トラックをEV化した場合、どんな車に仕上がるか。日野によると、乗用車のEVとして有名なテスラ「モデル3」の6倍超に相当する350kWhもの電池を搭載したとしても、最大積載時に1回の充電で走行できる航続距離は300キロメートル程度にとどまるという。

　しかも、それだけの電池をフル充電するには、急速充電でも約3時間は必要だ。また、電池の重さだけで2.5トンに達するため、重量的な制約により、貨物の最大積載量を現行のエンジン車よりも約1割減らさざるをえない。 　「長距離輸送を担う大型トラックなら、少なくとも(500キロメートル離れた)東京～大阪間を充電なしで走れるくらいの航続距離は必要。1回の充電で走行できる距離が短く、最大積載量も今より減るとなれば、運送事業者に受け入れてもらえない」(日野自動車の通阪久貴・先進技術本部長)

　そこで大型トラックでは、EVより航続距離を伸ばしやすく、燃料充填時間も短いFCVの技術が注目されているわけだ。走行ルートが決まっていることが多い商用トラックなら、乗用車に比べて水素充填インフラの問題も解決しやすい。 　すでに日野は商品化に向け、親会社のトヨタとFC大型トラックの共同開発に着手。現行の「日野プロフィア」をベースとし、車両総重量(最大積載時の総重量)は25トン。アメリカでも同様に現地仕様の大型FCトラックを共同開発中だ。いずれも2022年からの走行実証を経て、アメリカでは2024年、国内は遅くとも2020年代半ばの量産開始を目指す。

東洋経済プラスの連載「自動車産業　電動化の大号砲」で、この記事の続きを無料でお読みいただけます。同連載では以下の記事も配信しています。 6年ぶりの刷新、新型「MIRAI」が見せた技術進化水素インフラ普及を促す「トヨタの秘策」ハイブリッド技術に強い日本勢の難しい立ち位置

渡辺 清治 :東洋経済 記者

New hydrogen power technology could mark a commercial breakthrough for drones, paving the way for mobile robot development with extended range and load capacity. Doosan Mobility Innovation (DMI) has announced it has successfully used hydrogen-powered drones to deliver humanitarian aid in remote locations. With two hours of flight time (longer than most battery-powered drones), the hydrogen drones transported masks and emergency supplies between the US Virgin Islands and delivered medical supplies to the top of Mount Hallasan, South Korea’s highest mountain, located on Jeju Island.

DMI has accumulated many years of knowledge in materials and systems related to phosphoric acid fuel cells (PAFCs) and proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC), also known as polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. PEMFCs generate electricity and operate on the opposite principle to electrolysis, which consumes electricity.  Thanks to this experience, Doosan is developing the PEMFC mobile power pack for drones.

In an interview with EE Times, Jiwon-Yeo, sales representative of Doosan Mobility Innovation, highlighted how the use of hydrogen-powered, long-distance drones is also allowing commercial monitoring of large areas such as Korea’s largest solar power plant in Solasido, Haenam. “When carrying out the same mission using a battery-powered drone, more than six battery replacements were required. Due to the high energy density of hydrogen fuel cell, which is 3~4 times higher than traditional batteries, the hydrogen fuel cell is a more efficient and effective energy source,” said Jiwon-Yeo.

The development of hydrogen power solutions encompasses a range of technologies from materials engineering to optimize the powertrain of the drone.  Being capable of flying for up to two hours on a single charge, these long-range fuel cell drones can cover even large sites in a single flight, rather than having to use multiple batteries and multiple launch points. Drones also offer advantages in personnel safety and accident prevention, as aerial scanning eliminates the need to climb over structures on site.

Figure 1: example of solar panel inspection (Source: Doosan Mobility Innovation)

The science of hydrogen fuel cell technology
Hydrogen is the lightest element on Earth. When it is combined with air (oxygen) in the atmosphere, water is formed, making hydrogen a pollution-free gas. The effort to reduce particulate matter, the dangers of nuclear power, and greenhouse gases worldwide is also increasing demands to use renewable energy. So hydrogen is emerging as the most promising alternative energy.

A fuel cell is a device that converts the chemical energy of a fuel into electricity and heat without using thermal cycles. Hydrogen (H2) fuel cells produce electricity and hot water from hydrogen and oxygen. The process is exactly the opposite of electrolysis: when splitting water (H2O) into H2 and O, it is necessary to supply current, the reversed process produces current and water. Reverse electrolysis takes place in the fuel cell: hydrogen comes from a tank, air from the surrounding environment.

The drone is powered by the electricity generated in the stack using hydrogen and oxygen, as visualized in figure 2. As Jiwon-Yeo pointed out, the stack consists of several cells made up of a polymer electrolyte membrane (PEM) and two electrodes, which generate ions and electrons through the hydrogen reaction and the oxygen reaction. The hydrogen is first compressed under high pressure before being used in the cell, thus ensuring a high supply period.  “DMI provides a complete hydrogen system in which filled hydrogen cylinders are shipped to customer sites. Users would just need to replace hydrogen cylinders, which takes about a minute,” said Jiwon-Yeo. She added, “Our tanks passed not only tests required to obtain hydrogen tank certification but also a variety of safety tests that are most similar to drone flights.”

Cells with a polymer membrane offer high conductivity and operate at temperatures between 70 and 100°C. They are mainly used for traction and small-scale generation/cogeneration (1 – 250 kW). Combustion cells offer high electrical efficiency, with values ranging from 40 to 60 percent, depending on the temperatures used. The modularity of the system makes it possible to increase the installed power. The cells can be arranged in series to form the “stack”, which can be assembled into modules to obtain the required power generators.

“One of the biggest challenges would be the lack of hydrogen infrastructure. We believe the increase of hydrogen fuel cell mobility such as drones would stimulate the market. With local partnerships, we have completed a hydrogen supply chain in Korea, China, and USA. We’re cooperating with local gas companies to charge our hydrogen cylinder, which is certified with DOT, TPED, and KGS mark,” said Jiwon-Yeo

Figure 2: How Power is Generated from Fuel Cells (Source: DMI)

Figure 3: Energy density comparison: hydrogen fuel cell vs. lithium power (Source: DMI)

Hydrogen Increases Flight Time of Drones
A 48V system handles the power management of a hydrogen cell-powered drone similar to tethered drones through the implementation of the power distribution network (PDN). In a power system design, the PDN is one of the most critical elements due to several factors that have a major impact on design choices. These factors are market-driven before being technology-driven. The optimization of the power supply in the PCB design is a system-wide issue. The PDN is designed to provide specific levels of voltage and current to the various loads within a system derived from a bulk power source(s). As system power demands rise, traditional PDNs are under tremendous pressure to deliver enough performance. PDNs based on a new standard such as 48V, is emerging in several applications.

The 2.6 kW DP30 power supply system used by DMI has two main groups that supply power to the drone rotors and controllers for the two stacks. Due to the wide range and variable output voltage of the DP30 power supply, from 40 to 74V, the output power units operate at 48V, 12A for the motors and at 12V, 8A for the control circuits and fans. The structure is supported by a Vicor PRM™ buck-boost regulators and a ZVS buck regulator.

“Wide range of Fuel Cell voltage and the hybrid connection to the conventional Li-Po battery is the key configuration of our power management system. By doing that, it allows the lithium batteries to automatically charge by Fuel Cell when needed, or discharge when Fuel Cells need additional power when the drone is operating. Thermal management is important to hydrogen fuel cell, and we have an inner cooling fan to regulate the heat,” said Jiwon-Yeo

DMI plans to diversify its product lines according to power capacity. Jiwon-Yeo pointed out that the company will soon be developing products with various capacities, ranging from the 1.5kW hydrogen fuel cell power pack that should be released next year to the 10kW power pack, and will be launching matching drones for each power pack.

The increased flight time, coupled with rapid refueling, opens a wide range of new business possibilities for companies using drones for offshore platform inspection, search and rescue operations, high-quality aerial photography, precision agriculture, deliveries and more.

Google, Amazon and Alibaba are experimenting with plans to launch a delivery service using drones. If fuel cell-powered drones are successful, optimists say they could create a low-carbon delivery system worldwide, curb air pollution and emissions, and replace road transport. The establishment of these aircraft will have to be subject to air traffic regulations that need to be revised and adapted to new mobility scenarios. Indeed, safety must be guaranteed before a myriad of vehicles crosses the skyscrapers of the megalopolises. The scenario in the 2015 film “Back to the Future” is not so far, then!

新年にラスベガスで開催される世界最大級のテクノロジー展示会「CES」。コロナの影響で完全オンライン開催にシフトした。 【全画像をみる】もはや世界的な流行。CES2021でも「サステナブルと再生エネルギー」がの注目トレンド CESを運営するCTA（Consumer Technology Association：全米民生技術協会）は従来から、会場設営機材のリサイクルやエコ化に一定の力を入れてきた。 数年前から筆者が注目するカテゴリーにSustainability（持続可能性）がある。関連するスタートアップをピックアップしたり、Climate change（気候変動）に注目したり、省エネやエコ、再生エネルギー関連の出展を増やしている。 そうしたテーマに対し、2021年のCESではまず大企業が動きを見せた。

ゼロエミッション（排出物削減）に向けたEV化が加速

大きな動きを見せたのがGM（ゼネラルモーターズ）だ。 本格的なEV（電気自動車）の導入を発表しているGMは、「GM Exhibit Zero」をテーマに掲げたCES専用のサイトを公開し、会長兼CEOのMary Barra（メアリー・バーラ）は基調講演で、「zero crashes, zero emissions and zero congestion（無事故、ゼロエミッション、渋滞ゼロ）」の実現に向けた変革戦略を発表した。 2025年末までに30種類の発売を予定しているEVから、最初の2台（シボレー・ボルトEUV、キャデラックCELESTIQ）をプレビューし、その基盤となるGMが新開発した「アルティウム」バッテリーシステムの安全性やリサイクル性を紹介した。 GMは、EV専用工場の「Factory ZERO」を開設し、企業ロゴデザインも一新するなど、業界のEV化に向けてサステナブルな取り組みでもリーダーシップを発揮することを強調した。 また、100％再生可能エネルギーを動力源とするEVによる自動運転車の開発を目指す子会社のCruiseは、サンフランシスコでドライバーレスの公道実証実験を行っており、ウォルマートと連携した非接触・非対面の配送サービスでの活用も進めている。

出展数「激減」のなかでサステナビリティ系出展は健闘

リアルではなくオンライン開催となった影響で、CES2021では出展数が2020年の4400から2000以下と激減した。 一方で、いつもの米国市場よりグローバル市場からの注目が期待されたのか、出展社をサステナビリティー（Sustainability）で検索すると200以上がヒットする。 リアル開催だった2020年までは、CES会場の「スタートアップ村」Eureka Park （エウレカパーク）は注目の存在だった。2018年から開催されている、同エリアを対象とする「Eureka Park Climate Change Innovator Awards」も目玉の1つだが、CES2021ではキャンセルされた。これを受け、サステナビリティーの出展数はもっと減るのではないかと思ったが、実際には、オーディオ機器やゲーム、ホームエンターテイメントといったジャンルより数は多い。 全出展者の中から選りすぐりのテクノロジーを選出する「イノベーションアワード」では、28あるカテゴリの一つに「Sustainability, Eco-Design & Smart Energy 」があり、22製品が受賞している。 そのうち気になる4製品を紹介しよう。 1. 小型太陽電池を使って水を99.99％をろ過するポータブルシンク「GoSun」 小型太陽電池パネルを使って水を99.99％をろ過できるコンパクトな手洗い用シンク「GoSun Flow」は、アウトドア用調理器などを販売する米国のGoSunが開発した。 手洗いはコロナ対策でマスクの着用とあわせて必要とされ、どこでも清潔な水が使えることからクラウドファンディングのIndiegogoで5000万円近く調達して商品化された。CESで注目を集めれば、発展途上国などで購入が進むかもしれない。 2. ペーパータイプの生体酵素燃料電池（BeFC） フランスのBeFCが開発するBioenzymatic Fuel Cellsは環境に優しいペーパータイプの生体酵素燃料電池だ。空気中の糖と酵素を結合する生体触媒作用でエネルギーを生成するという。 金属やプラスチックを一切使用しないため、有害なボタン電池の代わりになるとする。また、薄いため折り曲げることができ、汗や水道水など少量の液体で発電するので、ウェアラブルデバイスなどをさらに小型化できる可能性もある。 3. 有機物でできた太陽電池「Layer」 屋内で使用するIoTやRFID機器の電源として使える有機物でできた太陽電池（OPV）の「LAYER」（DRACULA TECHNOLOGIES）も受賞。室内の照明でも蓄電できるAmbient Photonicsの太陽電池が受賞している。 4. 三密を避ける移動手段としてEVスクーターの人気高まる（Segway-Ninebot） 本来なら「Vehicle Intelligence & Transportation」に入りそうなEVスクーターなどのスマートモビリティもこのカテゴリに入っている。世界各地でシェアサービスの参入競争が激化しているが、三密を避けられる都市部の移動手段としては今後も需要が高まると見られている。 日本でも知られるセグウェイを販売しているSegway-Ninebotは、最新のEVスクーターは、倒れないスクーターとしても注目されている「eScooter T」や、さらに小型化されて街乗りがしやすい「eMoped B」（上の写真）などで複数受賞している。 「eMoped B」は、サステナブルを追求した製品とうたっている。オートクルーズモードで省エネ走行も可能だ。

サステナブルx食」フードテックの潮流

サステナブルやエコのキーワードではデジタルとは直接関係無いような「食」関連の出展、いわゆるフードテック分野も増えている。 植物由来の代替肉（大豆ミートなど）や代替乳製品を製造・開発するインポッシブルフーズ（Impossibie Foods）は前年のCES2020に出展して大きな注目を集めた。今年は残念ながら出展していないが、現在はミルクの開発に着手していることをCESのサイトで発表している。 CES2021のフードテック関連では、宇宙飛行士の健康を保つスーパーフードを開発するMission: Space Food社が、必要な栄養素を少量で美味しく食べられるチョコレートのような「ASTREAS」を出展している。 インポッシブルフーズと同じようにさまざまな食品を開発中で、ミシュランで星を持つシェフも協力している。 また、AIを使って食事の質を調べる「食品スキャナー」を開発する韓国のNUVI labのように、食事の質や栄養素をチェックする技術や、ニューノーマル時代に欠かせないフードデリバリーやフードロスを解消するソリューションも出展されていた。 オランダの「Heat Box」は電気スチームで食事が温められる弁当箱で、充電式で何度でも繰り返し使うことができる。日本で同様の商品を企画すると、おそらく食べものが傷みやすくなるという理由で採用されないだろうが、クラウドファンディングでは1900万円近い資金を調達し、発売されている。 こうして見るとサステナブルの領域は幅広く、ここで紹介した以外にもスマートシティやスマートホームでも関連する製品はいろいろ出展されている。中には今までにありそうなものもあるがグローバルで見ると目新しく、そうした製品を広く発表できるというCESならではの機会は、オンラインでも発揮できたと言えそうだ。 サステナブルな運営を目指すCESが、今回のオンラインでの経験と世界の変化を2022年に開催されるであろうリアルイベントに反映できるのか、注目したいところである。

現代自動車が水素電気自動車「ネクソ」の技術を水素燃料電池発電分野に拡大した。現代自動車は２０日、韓国東西発電などとともに独自技術で開発した水素燃料電池発電システム竣工式を行い試験運営に入ると明らかにした。 現代自動車が開発した１０００キロワット級水素燃料電池発電システムは５００キロワットの電力生産が可能なコンテナモジュール２基で構成される。ネクソの「エンジン」に当たる燃料電池システムを複数基まとめて発電用にしたのが特徴だ。ネクソのパワーモジュールが複数のコンテナに搭載される方式という点から、今後コンテナの台数によって電力量を増やすことができる。水素燃料電池システムは水素と酸素が反応して電力を作り出す燃料電池スタックをはじめ、水素・空気供給装置、熱管理装置などで構成される。 ネクソの技術を利用した発電システムはリアルタイムで電力生産量調節が可能という長所がある。アクセルを踏めばすぐに反応する水素電気自動車のように発電システムも電力が必要な時にすぐ稼動でき、需要変化に従い効率的に対処できる。現代自動車と蔚山市（ウルサンシ）は「この設備を通じた年間電力生産量は８００万キロワット時で、約２２００世帯に供給できる量」と明らかにした。 現代自動車はこれまで水素電気自動車を世界で１万台以上販売するなど、水素電気自動車分野の先導企業に位置しており、今後運送・発電分野に拡大するという方針だ。現代自動車関係者は「独自開発した水素燃料システムを車だけでなく運送・発電分野に拡大する場合、規模の経済の実現に続き価格競争力を備えられるだろう」と話した。韓国東西発電の朴一俊（パク・イルジュン）社長は「モデル事業が完了すれば韓国の大容量燃料電池市場に国産設備導入が拡大するだろう」と話した。 発電燃料は蔚山地域の石油化学団地で発生する副生水素で、配管網を通じて供給される。副生水素は石油化学や鉄鋼工程などで付随的に出る水素で、追加設備投資の負担なく経済性が高い。これに先立ち現代自動車は「２０２５戦略」を通じて水素燃料電池ブランド「ＨＴＷＯ」を発表し、２０３０年に７０万基の水素燃料電池を販売すると明らかにした。水素電気自動車年間５０万台、運送・発電分野に２０万基の水素燃料電池システムを供給する計画だ。