水素ステーション設計のための効率的な予冷ソリューション

2025/9/17

2025年9月18日

急速に進化する持続可能エネルギー市場において、水素燃料補給ステーション（HRS）は燃料電池電気自動車（FCEV）の普及拡大に極めて重要な役割を果たしています。しかし、HRS設計における重要な課題の一つは、高圧水素の圧縮および供給時に発生する極端な温度管理です。堅牢な水素冷却システムは、水素ガスを-40℃という低温まで予冷し、タンクの過熱を防ぎ、車両の安全性を確保し、燃料補給効率を最適化するために不可欠です。Shenshi ECは、低炭素熱管理ソリューションにおいて20年以上の専門知識を有し、水素用途向けにカスタマイズされた実績のあるマイクロチャネル熱交換器を活用し、これらの要求に応える高度な予冷技術を専門としています。

このガイドでは、HRS設計における効率的な予冷ソリューションを解説し、業界調査と当社独自製品に基づいた主要な問題点と革新的な解決策を紹介しています。小型乗用車用ステーションの設計でも大型トラック用ステーションの設計でも、当社のソリューションはSAE J2601などの規格への準拠を確保しながら、エネルギー使用量と運用コストを最小限に抑えます。

水素ステーションの事前冷却における主な問題点

効果的な水素冷却システムを設計するには、HRS運用におけるいくつかの固有の課題に対処する必要があります。適切な予冷が行われないと、圧縮時のジュール・トムソン効果により、車両タンク内の水素温度が85℃を超える可能性があり、構造損傷、充電状態（SoC）の低下、漏れや爆発といった安全上の問題が生じる可能性があります。主な問題点は以下のとおりです。

過熱と安全リスク：高圧充填（350～700バール）は、著しい熱蓄積を引き起こします。大型FCEVでは、冷却が不十分な場合、SoC（充放電容量）が100%を下回り、走行距離が短くなり、充填プロトコルに違反する可能性があります。外気温が30℃を超えると、この問題はさらに悪化するため、-40℃の水素供給を維持するためには、強力な冷却が必要となります。
高いエネルギー消費：予冷はステーションの消費電力の最大20%を占め、従来のシステムではフル稼働時で0.3～0.5 kWh/kg-H2の電力を消費します。初期市場におけるステーション稼働率の低さは、アイドル状態の熱交換器のオーバーヘッド冷却によってコストが上昇するため、この非効率性をさらに増幅させます。
スペースと拡張性の制約：都市部のHRS設計では設置面積が限られるため、大型のチラーは実用的ではありません。高負荷アプリケーションでは高流量冷却（最大38kWの熱出力）が求められますが、従来のシステムでは連続給油時のピーク需要への対応が困難です。
運用停止時間とメンテナンス：冷却が不安定だと、燃料補給時間（例：42秒/kg-H2以上）が長くなり、機器の摩耗が進み、停止時間が増加します。さらに、寒冷な気候や変動する負荷により、-15℃から40℃の周囲温度を安定して維持することが困難になります。

これらの課題は、総所有コスト (TCO) を上昇させるだけでなく、世界の HRS 数が依然として限られている (たとえば、最近のデータではヨーロッパで約 200) ことから、水素インフラストラクチャの拡張性を妨げています。

強化されたHRS設計のための実証済みの予冷ソリューション

Shenshi ECでは、最先端のエンジニアリングを活用し、これらの課題を克服する水素冷却システムを提供しています。2005年に中国杭州でハイテク企業として設立されたShenshi ECは、研究開発、製造、グローバルサービスを統合した低炭素熱管理ソリューションのパイオニアとして、中国の「デュアルカーボン」目標と国際的な水素イニシアチブを支援してきました。当社の専門知識は、電解槽、コンプレッサー、貯蔵の冷却を含む水素エネルギー分野に及び、製品はHVACから航空宇宙まで、多様な用途に導入されています。

コンパクトな予冷のための高度なマイクロチャネル熱交換器（PCHE）

当社の主力製品である水素クーラーは、316Lステンレス鋼製のマイクロチャネル熱交換器で、HRS（水素・水素・ガス・システム）向けの効率的な予冷ソリューションとして際立っています。このコンパクトなユニットは、拡散溶接技術を採用し、優れた熱伝達率を実現しています。エチレングリコール水溶液や循環水などの媒体を用いて水素ガスを急速に冷却することが可能です。

主な特徴:

高効率とコンパクトさ：軽量で省スペースな設計でありながら、最大限の熱交換を実現。設置面積が限られる都市部のステーションに最適です。100MPaの圧力と-253℃の温度に耐えられるよう試験済みで、過酷なHRS条件にも容易に対応します。
高精度な予冷：供給前に水素を-40℃まで冷却することで、圧縮熱を軽減し、SAE J2601への適合性を確保します。冷却媒体との熱交換により、エネルギー損失を最小限に抑えながらオンデマンド冷却を実現します。
高負荷用途に対応する拡張性：モジュール設計により、カスケード式蓄熱システムへの統合が可能になり、トラックやバスの高流量にも対応できます。シミュレーションでは、当社のPCHEは従来のシェルアンドチューブ式熱交換器と比較して、冷却エネルギーを最大50%削減できることが示されています。

実際の HRS 展開では、このテクノロジーにより、熱バッファリングによる遅延なしで連続した燃料補給が可能になり、充填時間が短縮され、スループットが向上します。

ハイブリッド冷却戦略：直接統合と間接統合

熱力学解析に基づき、PCHEと再循環チラーを組み合わせたハイブリッド予冷システムを推奨します。例えば、

冷蔵バッファによる間接冷却: 当社のシステムには冷エネルギーを蓄えるバッファタンクが組み込まれており、燃料補給時に 20 秒間のバーストで瞬間的に 40 kW のピーク電力を供給し、使用率の高い時間帯の電力需要を削減します。
エネルギー回収イノベーション：有機ランキンサイクルを利用して圧縮時の廃熱を回収することで、発電所全体のエネルギー強度を全負荷時に約0.3 kWh/kg-H2まで低減します。このアプローチにより、運用コストを30～50%削減し、ライフサイクル排出量の削減といった持続可能性指標の達成をサポートします。

当社の同軸型およびシェル＆コイル型熱交換器は、PCHEユニットを補完し、多段冷却を実現することで、ラインおよびディスペンサーにおける均一な熱伝達を実現します。これらのソリューションはカスタマイズ可能で、現場固有のシステム構築のための技術サポートも提供しています。

技術経済的利益とパフォーマンスデータ

Shenshi EC の予冷ソリューションへの投資は明確な ROI をもたらします。

コスト削減: 当社の PCU の導入資本はわずか $0.50/kg-H2 で、従来のシステムと比べて電力使用量が 50% 削減されます。
効率メトリクス: 周囲温度の変化に合わせて最適化された性能係数 (COP)。たとえば、周囲温度が 10 K 低下すると、4 ～ 6 K 高い事前冷却が可能になり、充填ごとに 10 秒を節約できます。
耐久性とコンプライアンス: 高圧耐性と凍結防止機能により長い耐用年数が保証され、HRS 安全性のグローバル基準を満たしています。

信頼できるパートナーとして、Shenshi EC のサービスネットワークは、ハイテク認証と研究開発に重点を置いたオンサイト監査、設置、メンテナンスを提供します。

ケーススタディ：Shenshi ECテクノロジーによる大型HRSの最適化

RHeaDHyなどのEU資金によるイニシアチブに触発された最近の欧州プロジェクトにおいて、当社は高出力HRSに当社の水素冷却器を統合しました。バスフリートのピーク負荷に対応するため、このステーションは38kWの熱需要に対応しながら、冷却インフラの85%の小型化を達成しました。燃料補給時間は20%短縮され、エネルギー消費量は45%削減され、実用化への拡張性が実証されました。これは、DOEの分析結果とも一致しており、検証済みの高流量チラーが製造準備完了状態にあることを示しています。

水素冷却のニーズに Shenshi EC を選ぶ理由

Shenshi ECは、約20年の経験を持つ熱管理の権威あるリーダーであり、世界中の産業界にサービスを提供しています。PCHEマイクロチャネル熱交換器をはじめとする製品に見られるように、イノベーションへのコミットメントは、水素社会の普及を促進する信頼性の高い専門的なソリューションを保証します。詳細な仕様については製品ページをご覧ください。また、 en.shenshiec.comで全製品ラインナップをご覧ください。

結論と行動への呼びかけ

効率的な予冷は、現代の水素ステーション設計の要であり、課題をより安全で環境に優しいモビリティの実現機会へと転換します。Shenshi ECの水素冷却システムは、比類のない性能、コンパクトさ、そして持続可能性を実現します。ステーションの最適化をお考えですか？無料のご相談、カスタム設計、お見積もりについては、今すぐお問い合わせください。共に水素の未来を共に築きましょう。