STELIA Aerospace Compositesが水素貯蔵で革新

CW読者は、ARCHES TPプロジェクトでの熱可塑性複合材胴体デモンストレーターや2019年のMéaulte施設見学の記事でSTELIA Aerospace（フランス・トゥールーズ）をご存知でしょう。しかし同社は、複数の拠点、部品、プロセスにわたる深い複合材専門知識を持っています。STELIA Aerospace Composites（フランス・サローヌ）はボルドー郊外に位置し、330名を雇用、40,000平方メートルの工場と独自の統合試験室を有します。3つのコアビジネスセグメント：航空機構造体、航空機客室コンポーネント、フィラメントワインディングガス貯蔵システムを持ち、後者は酸素から窒素、水素まで幅広く対応し、35年以上のコアビジネスです。

STELIA Aerospace Compositesは1984年にAerospatialeの一部として設立されました。1985年以来、サローヌ施設でタイプII、III、IVの複合材オーバーラップ高圧タンクを70,000基以上製造してきました。水素貯蔵への取り組みは1998年、フランス原子力・代替エネルギー庁（CEA、パリ）向け9リットル/700バールタンクの開発から始まりました。また、フランス自動車メーカーGroupe PSA（パリ、現Stellantis）、世界的産業ガス企業Air Liquide（フランス・パリ）、自動車Tier1サプライヤーFaurecia（フランス・ナンテール、燃料電池車システムのリーダーを目指す）とも協業しています。

「STELIA Aerospace Compositesは加圧ガス貯蔵分野でよく知られています」とCTOのChristophe Blois氏は言います。「しかし今、様々なグリーン航空機発表やフランス・EU政府支援のゼロエミッション経済移行により、ますます多くの企業から問い合わせを受けています。」

航空宇宙タンクでの経験

STELIA Aerospaceの子会社として、STELIA Aerospace Compositesの製造経験の多くは航空宇宙・防衛用途の圧力容器にあります。「最大5,000リットルまでのタンクに対応する産業用フィラメントワインディング能力を持ち、お客様の技術的ニーズに合わせたタンクの完全設計を専門としています。これにはサイジング、材料試験・選定、有限要素解析（FEA）モデリング、認定試験（圧力サイクル、バースト試験など）、各種業界規格・規制への適合のための認証キャンペーン監視が含まれます。」

Blois氏は、18ヶ月未満で重要な衛星タンク用途の設計を完了し、宇宙産業の認定基準に準拠し、完全に最適化された生産コストで実現したことを指摘します。「認定し、量産化し、現在4つの製造シリーズを完了途中です。」

水素タンクの前進

STELIA Aerospace Compositesは、2.4〜143リットル、100〜700バールの範囲で水素貯蔵用複合タンクを製造してきました。「タンク設計のリーダーであり、非常に大きなエコシステムで協業しています」とBlois氏。

2016年11月、STELIA Aerospace Compositesは燃料電池電気自動車（FCEV）の航続距離向上を目指した140リットルカーボンファイバー/エポキシ複合貯蔵タンクを開発したと発表。これは2021年型Toyota MiraiとHonda Clarity FCEVの水素貯蔵量とほぼ同等ですが、単一タンクを採用しているのはClarityのみです。他の量産FCEVであるMiraiとHyundai Nexoは両方とも3タンク構成です。

Faureciaは2017年5月のプレスリリースで、STELIA Aerospace Compositesから複合水素タンクに関する知的財産とプロセスノウハウの独占ライセンスを取得したと発表。2018年4月、両社はパリのHyvolutionイベントで最先端水素貯蔵タンクプロトタイプを共同展示。Faureciaは燃料電池技術のリーダーを目指し、2035年までに500万台のFCEVが稼働すると予測しています。

2021年SAMPE論文「水素自動車におけるカーボンファイバー使用量の予測成長率」で共著者Mike Favaloro氏と説明したように、圧縮ガスタンクの主な問題は水素ガスの低体積密度です。700バールでも圧縮ガス（CGH₂）タンクは液体水素（LH₂）タンクより大型化必須。例：5kg水素ガスは700バール・常温で125リットルタンク必要だが、液体水素なら常圧・-252.87℃で75リットルタンクで可能（出典：Air Liquide「水素はどう貯蔵されるか」）。これが航空業界が航空機用LH₂を検討し、自動車メーカーがCGH₂タンクのスペース・重量問題解決を求める理由です。また、各メーカーが要求する航続距離を満たすための高圧・大型化により、カーボンファイバー強化複合材の使用量増加、ひいてはタンクコスト増大を招きます。

グラフと表を見ると、Faurecia開発の69リットルタンクが現在量産中の3台の2021年型FCEVより高い質量分率を達成しています。注：質量分率は水素ガス質量とタンクシステム質量の比で、貯蔵効率とも呼ばれます。Faurecia報告値より高い貯蔵効率を持つシステムは、BMWが2012-2015年に報告したプロトタイプのクライオ圧縮（CcH₂）タンク/CGH₂タンク組み合わせのみ。このシステムは現在量産車には非搭載で、LH₂とCGH₂のハイブリッドです。低温（例：-233℃〜-193℃）と圧力（例：350バール）を併用することで、従来LH₂タンクのボイルオフ問題を解消しつつ、CGH₂やLH₂システムより高い貯蔵密度を実現するとBMWは主張しています。

将来のH₂タンク開発に関する議論

STELIA Aerospace CompositesのCTOとして30年在籍するBlois氏に、Air Liquideとの協業と同社が複合貯蔵タンク開発に本気かどうかを尋ねました。「複合タンクを水素用に関心を持っており、協業実績があります」と氏。「一般的に複合材は、車両航続距離に必要な水素量と航続距離延長のための軽量化要求がある移動体システムでのみ使用されます。定置用途では複合材ソリューションへの関心はほとんどありません。」Blois氏はまた、定置用水素貯蔵の多くが低圧で運用されることも指摘。「複合タンクは700バールで意味がありますが、200バールまでなら金属タンクで対応可能です。」

大型タンクで700バール超の圧力は可能か？「1,000バールまで検討可能です」とBlois氏。「タンクの複合材壁厚は使用圧力とタンク直径に直接関連します。現在、複合材壁厚には限界があり、それを超えると複合材性能が低下します。」

航空用途で液体水素と圧縮ガス水素のどちらか？「航空機に必要な大量の水素を考慮すると、液体水素の高密度の方が圧縮ガスより魅力的です」とBlois氏。「しかし、40K〜80K（-233℃〜-193℃）の温度を長期間タンク内で維持するのは困難です。技術的解決策の更なる検討が必要です。」

水素タンクで熱可塑性複合材の使用機会は？「将来のタンクの構造部分では可能ですが、現在ではありません」とBlois氏。「現在、大規模700バールタンクで熱可塑性複合材を使用してタンク容器の性能を達成するのは効率的ではありません。しかし、熱可塑性ライナー（タイプIVタンク用）技術はタンク性能の鍵であり、将来的には全熱可塑性タンクがリサイクル性と持続可能性を向上させる可能性があります。」

今後5-10年の複合水素貯蔵タンク市場は？「最初の5年間は水素ガス貯蔵タンクの開発が続き、まだ多くの宿題があります」とBlois氏。「航空機での水素ガス貯蔵試験が始まったことを知っていますが、液体水素貯蔵の必要技術開発と成熟には数年かかるでしょう。」

STELIA Aerospace Compositesが水素貯蔵前進のために注力する分野は？「主要焦点は航空宇宙と宇宙です」とBlois氏。「しかし議論にはオープンで、ゼロエミッション移行の支援に強い責任を感じています。中量生産の高圧（700バール）タンク生産も開始可能で、全機会を評価し続けます。」