Technology File - テクノロジーファイル 環境技術版 トヨタの環境技術の詳細をご覧ください。

テクノロジーファイル 安全技術版

FCV - 燃料電池自動車

トヨタの燃料電池自動車に用いられている、さまざまな技術をご紹介します。

  • AFCスタック(燃料電池スタック)
  • B水素系
  • Cエア系
  • D冷却系)
  • EFC昇圧コンバーター
  • Fバッテリー(ニッケル水素)
  • Gモーター
  • Hパワーコントロールユニット

HVシステム

燃料電池システム(TFCS)

燃料電池+ハイブリッドは、
MIRAIの動力源。

MIRAIのパワートレーンとなるTFCS*1は、トヨタが培ってきた燃料電池技術とハイブリッド技術を融合した高効率なシステムです。その中心に位置するのはトヨタ初の量産……

燃料電池システム(TFCS) - イメージ図

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FCスタック(燃料電池スタック)

トヨタ初*1〈体積出力密度〉世界トップレベル*2Column

数百枚のセルを積み重ねた、
小さな発電所です。

素と空気中の酸素の化学反応を利用して電気をつくる発電装置です。水素を燃料電池の負極に供給、また空気(酸素)を正極に供給することにより、電気を発生させます。……

FCスタック(燃料電池スタック) - イメージ図

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冷却系

かしこく冷やすだけでなく、
空気の流れもデザイン。

冷却系はFC専用冷却液を使用しFC スタックを冷却するFC 冷却系と、インバーター・モーター冷却用のEV冷却系の独立した2 系統を採用しています。FC冷却系においては……

冷却系 - イメージ図

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FC昇圧コンバーター

水素と空気(酸素)が生んだ電力を、
大きく育てます。

FC昇圧コンバーターは、燃料電池の発電電圧をさらなる高電圧(約650V)で出力するための装置です。トヨタでは、大容量のFC昇圧コンバーターを開発。FCスタックのセ……

FC昇圧コンバーター - イメージ図

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バッテリー(ニッケル水素)

寒さにも負けず、
加速エネルギーを蓄えます。

減速時に回収したエネルギーを貯蔵し、加速時にはFCスタックの出力をアシストします。MIRAIでは、技術的にも製品的にも成熟しているニッケル水素バッテリーを……

バッテリー(ニッケル水素) - イメージ図

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モーター

トヨタ初*1

進化したモーターが、
ドライビングの楽しさを加速させます。

MIRAIには、トヨタのハイブリッド車と同様、交流同期モーターを採用しています。この交流同期モーターは、低回転から高回転まで強いトルクを効率的に発生させること……

モーター - イメージ図

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パワーコントロールユニット

電気を巧みにコントロールする、
燃料電池自動車の頭脳。

パワーコントロールユニットは、直流・交流を変換し、電源電圧を適切に調整します。MIRAIのパワーコントロールユニットは、インバーター・昇圧コンバーター・DCDC……

パワーコントロールユニット - イメージ図

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  • 燃料電池システム(TFCS)

    燃料電池システム(TFCS)

    燃料電池+ハイブリッドは、MIRAIの動力源。

    燃料電池システム(TFCS)

    燃料電池+ハイブリッドは、
    MIRAIの動力源。

    MIRAIのパワートレーンとなるTFCS*1は、トヨタが培ってきた燃料電池技術とハイブリッド技術を融合した高効率なシステムです。その中心に位置するのはトヨタ初の量産型燃料電池、「トヨタFCスタック」。水と酸素の化学反応で発電するFCスタックと、バッテリーのふたつのエネルギー源を最適に使い分けてモーターを駆動します。つくり出すのはクルマを動かすための電気、排出するのは水という、パワフルでクリーンな動力源です。

    1. TFCS:Toyota Fuel Cell System
    燃料電池システム(TFCS) - イメージ図
    動作原理
    1. STEP 1. 空気を吸い込む
    2. STEP 2. 酸素と水素を燃料電池へ送る
    3. STEP 3. 化学反応で電気と水を発生
    4. STEP 4. 電気をモーターに送る
    5. STEP 5. モーターを回して走る
    6. STEP 6. 水を車外へ排出
    A. モーター、B. 燃料電池(発電装置)、C. バッテリー(2次電池)、D. 高圧水素タンク

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  • FCスタック(燃料電池スタック)

    トヨタ初クラストップレベルColumn

    FCスタック(燃料電池スタック)

    数百枚のセルを積み重ねた、小さな発電所です

    トヨタ初*1〈体積出力密度〉世界トップレベル*2FCスタック(燃料電池スタック)

    数百枚のセルを積み重ねた、
    小さな発電所です。

    水素と空気中の酸素の化学反応を利用して電気をつくる発電装置です。水素を燃料電池の負極に供給、また空気(酸素)を正極に供給することにより、電気を発生させます。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜に触媒を塗ったMEA(Membrane Electrode Assembly:膜/電極複合体)をセパレーターではさんだ、「セル」と呼ばれるものが数百枚積層されたもので構成されています。ひとつのセルの電圧は1V以下と小さいため、数百のセルを直列に積層し、電圧を高めています。そのようにセルを積層してひとつにまとめたものを「FCスタック」、または「燃料電池スタック」と呼びます(一般的に「燃料電池」という場合は、このFCスタック/燃料電池スタックのことを指しています)。

    またMIRAIのFCスタックでは、セル流路構造及び電極の革新により世界トップレベルの出力密度3.1kW/Lを実現。その結果として小型化にも成功したため、セダンの床下への格納が可能になり、余裕のある車内空間を生み出すことができました。

    1. 2014年11月現在。
    2. 2014年11月現在。トヨタ自動車(株)調べ。
    FCスタック(燃料電池スタック)
    MIRAIのFCスタック主要諸元
    最高出力 114kW(155PS)
    体積出力密度 3.1kW/L(世界トップレベル)
    セル数 370セル(1列積層)

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  • 燃料電池の発電原理

    燃料電池の発電原理

    「H2+½O2→H₂O」が、電気を生みだします。

    燃料電池の発電原理

    「H2+½O2→H₂O」が、
    電気を生みだします。

    水に電気を流すと、水素と酸素が発生します。これが「水の電気分解」です。燃料電池はこの逆の反応を利用し、水素と空気中の酸素を反応させて電気と水を発生させます。水素を使用した燃料電池の大きな特長は、エネルギー効率の良さにあります。水素を燃やすことなく直接的に電気を取り出せるため、理論的には水素の持つエネルギーの83%を電気エネルギーに変えることができ、ガソリンエンジンと比較すると、現時点では、およそ2倍以上の効率を誇っています。

    燃料電池の発電原理
    燃料電池で水素と酸素から電気をつくるしくみ
    1. 水素を水素極(負極)に供給
    2. 水素は水素極(負極)の触媒で活性化され電子を放出
    3. 水素から離れた電子が外部回路を通って、水素極(負極)から空気極(正極)に流れることで電気が発生
    4. 電子を放出した水素は水素イオンとなり、水素側から固体高分子電解質膜を通り空気側へ移動
    5. 空気極(正極)の触媒で空気中の酸素と水素イオンと電子が結合し、水が生成

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  • 燃料電池の種類

    燃料電池の種類

    燃料電池は、ひとつではありません。

    燃料電池の種類

    燃料電池は、
    ひとつではありません。

    燃料電池の種類は大きく5つに分類されます。それぞれに適性があり、用途に合わせて選択されています。たとえば、宇宙用にはアルカリ形が使われています。常温で働くので扱いやすいのですが、残念ながらCO2があると作動しません。そのため地球上での使用は難しいのですが、宇宙や潜水艦でなら問題がないというわけです。リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形は、200℃から1000℃といった高温で運転される、比較的大規模な発電、コジェネレーションシステムに用いられています。MIRAIにも搭載されている固体高分子形は、60~80℃程度の温度で働くので、特に自動車に最適な燃料電池といえます。

    燃料電池の種類

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  • 氷点下始動制御

    Column

    氷点下始動制御

    マイナスの世界でも、凍りつかずに走ります。

    氷点下始動制御

    マイナスの世界でも、
    凍りつかずに走ります。

    燃料電池の発電の過程で生じた水分がその内部などで凍ってしまうと、水素・酸素の供給や水の排出がうまくいかず発電性能が低下するおそれがあります。これを防ぐために、FCスタック内の水分量を制御して、氷点下での始動直後の発電性能を向上させています。また、燃料電池からの発熱量をアップすることで、暖機時間を大幅に短縮。氷点下でのスムーズなスタートが可能になりました。

    氷点下始動制御

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  • セル

    Column

    セル

    水素と空気(酸素)の化学反応から、電力をつくります。

    セル

    水素と空気(酸素)の化学反応から、
    電力をつくります。

    通常、セルは電解質膜、一対の電極(マイナス極とプラス極)、セパレーターなどで構成されています。1枚のセルの電圧は1V以下と小さいため、数百枚ものセルを直列に接続することで電圧を高め、クルマを走らせる大きな電力(パワー)をつくりだします。

    セル

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  • 3Dファインメッシュ流路

    世界初Column

    3Dファインメッシュ流路

    立体ジクザグ構造で、水はけをよくし、発電効率を高めます。

    世界初*13Dファインメッシュ流路

    立体ジクザグ構造で、
    水はけをよくし、
    発電効率を高めます。

    3Dファインメッシュ流路は、セルのプラス(空気)極側の流路に採用しています。世界初の3次元的な微細格子構造により排水性を向上しています。それにともないセル面内へ空気を均一に供給することが可能になり、MIRAIでは従来比2.4倍の電流密度を達成。世界トップレベルの発電効率に大きく貢献しています。

    1. 2014年11月現在。トヨタ自動車(株)調べ。
    リダクションギヤ

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  • 高圧水素タンク

    クラストップレベル

    高圧水素タンク

    独自の三層構造で、強度と耐久性を高めました。

    〈タンク貯蔵性能〉世界トップレベル*1高圧水素タンク

    独自の三層構造で、
    強度と耐久性を
    高めました。

    高圧水素タンクは、燃料となる水素をおよそ70MPaの高圧で蓄えます。トヨタでは、貯蔵性能とともに安全性を高めるため三層構造(水素を封じ込めるプラスチックライナー、耐圧強度を確保する炭素繊維強化プラスチック層、表面を保護するガラス繊維強化プラスチック層)を採用。中でも炭素繊維強化プラスチックは、航空機の主要構造に使われるほど強度に優れています。さらには積層パターンの革新的な改良により、軽量化を実現し、世界トップレベルのタンク貯蔵性能5.7wt/%を実現しました。

    1. タンクの重量に対する水素貯蔵量(重量の割合)。2014年11月現在。トヨタ自動車(株)調べ。
    高圧水素タンク

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  • 水素循環ポンプ

    水素循環ポンプ

    水素も、余すところなく大事に使います。

    水素循環ポンプ

    水素も、
    余すところなく
    大事に使います。

    水素循環ポンプは、発電時に反応しきれなかった水素を再び循環させ、水素を有効活用します。またセル内部では、水素側のガスの流れにより水分を下流側に移動させ、乾きやすい空気側入り口部分を加湿。これにより外部加湿器の廃止を実現しています。水素循環ポンプは、FCスタックと一体化することで放熱性を向上させ、小型・軽量化も実現しています。

    水素循環ポンプ

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  • 水素充填

    水素充填

    素早く水素を補給して、そのままロングドライブへ。

    水素充填

    素早く水素を補給して、
    そのままロングドライブへ。

    水素の充填は、各地で普及が進んでいる「水素ステーション」で行います。一回の充填にかかる時間は3分程度*1で、ガソリン車に匹敵する長距離走行が可能です。また、日・米・欧共通の「新充填規格*2」に対応しています。

    1. SAE規格(J2601)の標準条件(外気温20℃、高圧水素タンク内の圧力10MPaからの充填)に基づいた水素充填圧70MPaステーションでの充填作業におけるトヨタ測定値。水素充填圧および外気温により、充填時間は異なります。
    2. (充填装置)ISO 17268:Gaseous Hydrogen Land Vehicle Refueling Connection Devices
      (充填方法)SAE J2601:Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles
      (通信充填)SAE J2799:70 MPa Compressed Hydrogen Surface Vehicle Fueling Connection Device and Optional Vehicle to Station Communications
    水素充填

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  • 水素安全

    水素安全

    3つの視点からしっかり安全を見つめます。

    水素安全

    3つの視点から
    しっかり安全を見つめます。

    水素は適切に使えばガソリンと同じように安全に扱うことができる燃料です。MIRAIは「漏らさない」「検知して止める」「溜めない」という基本的な考えに基づいて万全の対策をもとに設計されています。また、衝突時の衝撃とボディの変形からFCスタックや高圧水素タンクを守れるよう、高水準の衝突安全性を実現しています。

    水素安全
    漏らさないための対策

    強度・耐久性に優れた信頼性の高い高圧水素タンク。

    高圧水素タンク(3層構造)
    表層 ガラス繊維、強化プラスチック
    中層 炭素繊維、強化プラスチック
    内層 プラスチックライナー
    高圧水素タンク(3層構造)
    検知して止めるための対策

    水素ディテクタ(検知器)を搭載し、万一の水素漏れを検知。
    水素漏れや衝突を検知したらタンクバルブを遮断(濃度が低い場合には警告)。

    検知して止めるための対策
    水素漏れ警告表示画面(センターメーター内)
    溜めにくい構造

    水素系部品の車室外配置により、水素が車外に拡散しやすい構造。

    溜めにくい構造

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  • エアコンプレッサー

    世界初Column

    エアコンプレッサー(6葉ヘリカルルーツ式)

    空気を大きく吸い込んで、FCスタックに送り込みます。

    世界初*1エアコンプレッサー(6葉ヘリカルルーツ式)

    空気を大きく吸い込んで、
    FCスタックに送り込みます。

    エアコンプレッサー(6葉ヘリカルルーツ式)は、発電に必要な空気を圧縮して、FCスタックに送り込みます。FCスタックが必要とする空気の量は、クルマが停まっている時のごく小流量から、加速時の大流量まで大きく変化します。MIRAIには、流れ込む空気の量に合わせて効率よく吸引・圧縮するために、独自のローター形状「6葉ヘリカルルーツ式」を世界で初めて採用しました。気持ちの良い加速と航続距離の向上に貢献しています。

    1. 2014年11月現在。トヨタ自動車(株)調べ。
    エアコンプレッサー

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  • 内部循環方式(加湿器レス)

    世界初

    内部循環方式(加湿器レス)

    生成される水を、排出するだけでなく、有効活用します。

    世界初*1内部循環方式(加湿器レス)

    生成される水を、
    排出するだけでなく、
    有効活用します。

    燃料電池の発電のためには、電解質膜の中を水素イオンがスムーズに移動できるよう、電解質膜が適度に湿潤している必要があります。これまでは、燃料電池から排出された水分を回収して、空気の入り口側に供給する加湿器を備えているのが一般的でしたが、MIRAIでは発電で生成される水をスタック内部で循環。自己加湿することで有効活用しています。これにより世界で初めてセル外部の加湿器を廃止し、システムの小型・軽量化を実現しました。

    1. 2014年11月現在。トヨタ自動車(株)調べ。
    内部循環方式(加湿器レス)
    1. 〈薄膜化〉生成水の逆拡散を促進
    2. 〈水素循環量増加〉水素極上流から下流への水蒸気の供給量をアップ
    3. 〈水素極から加湿〉空気と水素を対向流とし、乾きやすい空気上流部を加湿
    4. 〈蒸発散抑制〉空気上流部は冷却水量を増加し、温度上昇を抑えて生成水の蒸発散を抑制

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  • 冷却系

    冷却系

    かしこく冷やすだけでなく、空気の流れもデザイン。

    冷却系

    かしこく冷やすだけでなく、
    空気の流れもデザイン。

    冷却系は、FC専用冷却液を使用しFC スタックを冷却するFC 冷却系と、インバーター・モーター冷却用のEV冷却系の独立した2 系統を採用しています。
    FC冷却系においては、燃料電池が発電する時に発生する熱でFCスタックの温度が上がりすぎないように、通常のエンジン車と同様、ラジエーターと燃料電池の間に冷却液をポンプで循環させることで冷却しています。FCスタックから冷却液を通じて漏電しないように、冷却液の絶縁性を確保するイオン交換器も採用しています。

    さらに、冷却風を効率よく届かせるためのダクト形状や、冷却を終えて排出される風が空力性能を損なわないようにしたフロントフェンダーなど、デザインと空力性能との両立も図っています。

    熱交換器レイアウト - イメージ図
    熱交換器レイアウト
    FCスタック(燃料電池スタック)
    FCウォーターポンプFCスタックを冷却する冷却液を循環させます。
    FCスタック(燃料電池スタック)
    ラジエーター冷却液の熱を放熱させることにより、FCスタックを冷却します。
    FCスタック(燃料電池スタック)
    空力開発コンセプト
    1. 〈冷却性能との両立〉熱交換器掃風と側面・床下流れとのスムースな合流
    2. 〈FCVパッケージとの両立〉床下流れを整流し、スムースに後方排出、上面流れとスムースな合流
    3. 〈エクステリアデザインとの両立〉前方流れの剥離防止、側面との整流

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  • FC昇圧コンバーター

    FC昇圧コンバーター

    水素と空気(酸素)が生んだ電力を、大きく育てます。

    FC昇圧コンバーター

    水素と空気(酸素)が生んだ電力を、
    大きく育てます。

    FC昇圧コンバーターは、燃料電池の発電電圧をさらなる高電圧(約650V)で出力するための装置です。トヨタでは、大容量のFC昇圧コンバーターを開発。FCスタックのセル数を低減しながらモーター・インバーターなどを現行ハイブリッドユニット量産品との共用として、大幅なコストダウンと信頼性の向上とを実現しています。さらには昇圧制御・ケース構造の工夫により優れた静粛性も獲得。

    FC昇圧コンバーター

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  • バッテリー(ニッケル水素)

    バッテリー(ニッケル水素)

    寒さにも負けず、加速エネルギーを蓄えます。

    バッテリー(ニッケル水素)

    寒さにも負けず、
    加速エネルギーを
    蓄えます。

    減速時に回収したエネルギーを貯蔵し、加速時にはFCスタックの出力をアシストします。MIRAIでは、技術的にも製品的にも成熟しているニッケル水素バッテリーを搭載。特に極低温での使用性・耐久性に優れています。

    バッテリー(ニッケル水素)

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  • モーター

    トヨタ初

    モーター

    進化したモーターが、ドライビングの楽しさを加速させます。

    トヨタ初*1モーター

    進化したモーターが、
    ドライビングの楽しさを加速させます。

    MIRAIには、トヨタのハイブリッド車と同様、交流同期モーターを採用しています。この交流同期モーターは、低回転から高回転まで強いトルクを効率的に発生させることも、モーターの回転とトルクを自由に制御することも可能。力強く伸びやかな走りをもたらします。新巻線方式を用いた高回転モーターの採用により、小型・軽量化および、高出力密度化を実現。これにより搭載の自由度が高まり、モーターの複軸配置による省スペース化を可能にしています。

    1. 2017年2月現在。

    ■ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車にも同じモーターを使用しています。

    モーター

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  • パワーコントロールユニット

    パワーコントロールユニット

    電気を巧みにコントロールする、燃料電池自動車の頭脳。

    パワーコントロールユニット

    電気を巧みにコントロールする、
    燃料電池自動車の頭脳。

    パワーコントロールユニットは、直流・交流を変換し、電源電圧を適切に調整します。MIRAIのパワーコントロールユニットは、インバーター・昇圧コンバーター・DCDCコンバーターで構成されています。あらゆる運転状況下において、FCスタックの出力とバッテリーの放充電を緻密に制御します。

    ■ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車にも同じパワーコントロールユニットを使用しています。

    パワーコントロールユニット
    インバーター

    電力を変換して、
    FCスタックやバッテリーからモーターに渡します。

    モーターは、直接バッテリーにつないでも始動できません。そのため、バッテリーの直流電力を、モーターで使えるように交流に変換するのがインバーターの役割です。また、減速時にモーターで発電した交流電力を、バッテリーに充電できるように直流に変換します。パワー素子の冷却構造に両面冷却方式を採用したことにより冷却効率をアップ。コンパクト化、軽量化も実現しています。

    昇圧コンバーター

    電圧をコントロールして、
    小さな電圧をパワーアップ。

    昇圧コンバーターは、バッテリーの電圧を調整することにより充放電を制御するシステムです。通常時のDC約250Vから最大DC650Vまで、必要に応じて無段階で昇圧。小さな電圧から大きな電力供給が可能となるため、高出力モーターが性能を発揮することができます。これによりパワーコントロールユニット全体の効率を高めています。

    DCDCコンバーター

    電圧をちょうどよく下げて、
    電気を「走る」以外にも使います。

    DCDCコンバーターは、高圧バッテリーの電圧を降圧するシステム。電流をFCシステムの動作をアシストする補機類や、ヘッドライトなどの電子機器の電源として使えるようにするために、DC約250VからDC12Vまで降圧します。

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国や地域、車種によって仕様は異なります。

エコカーラインナップ

  • HV ハイブリッド車HV ハイブリッド車
  • EV 電気自動車EV 電気自動車
  • PHV プラグインハイブリッド車PHV プラグインハイブリッド車
  • FCV 燃料電池自動車FCV 燃料電池自動車
  • Gasoline/Diesel Vehicle ガソリン車/ディーゼル車
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