[キム・ヨンジュ コラム] 水素燃料電池トラクターの開発状況

[キム・ヨンジュ コラム] 忠南大学校 農業生命科学大学 スマート農業システム機械工学科 教授

水素燃料電池トラクターは 2022年から 5年間で約 300億ウォンを投じて進める農林畜産食品部の大型プロジェクトだ. 本プロジェクトは忠南大学校が主管し、水素燃料電池を供給する現代自動車グループ, 農機完成車メーカーである LSエムトロン, 大同, TYM などが参加するなど 19機関が参加する、農食品部の単一課題としては最大規模のプロジェクトだと言える. 本研究は 110kW級水素燃料電池トラクターの設計に向けて 4つの研究グループで構成されている. E-パワートレインおよびトラクター設計グループ, 駆動システムおよびシャシー設計グループ, パワーシステム設計グループおよび安全グループで構成されている.

本事業は世界初の水素燃料電池トラクターを開発するということ以外にも、挑戦的な側面がいくつもある. まず, 最大の挑戦は、環境配慮型自動車にも最近適用された水素燃料電池技術をトラクターに適用することだ. そのためには、高負荷の連続作業に対応できるようパワーシステムの設計と最適化などが必要であり, 同時にさまざまな法·制度の改善が必要だ.
特に, 高圧水素用品をトラクターに適用するためには、関連法の検討および改正が必要だった. 研究チームでは車両開発のため、まずサンドボックスを申請し, 開発過程で得た内容を基に規制を整備するため、複数の諮問会議を経て試験コード制定の準備を終えた. 2027年からは関連法規が制定され, 制度面でも水素燃料電池トラクターが商用化できるよう、すべての準備を完了した.

二つ目は、新しいトラクタープラットフォームの設計である. 従来、国内で開発されるトラクターはすべて、エンジン·トランスミッション·後車軸·ハウジングを連結して車体荷重を支持するフレームレス構造(Frameless construction)だ. 作業者はトラクターのトランスミッション上に運転席を載せて搭乗し、作業することになる. こうした構造は既存の核心部品をそのまま利用して電動化技術を適用できるという長所がある一方で、水素燃料電池, 水素タンクなど多様な水素燃料電池部品を搭載するには空間的な限界がある.

したがって、既存のトラクター構造に水素タンクを装着する場合, クボタの水素燃料電池トラクターのようにルーフ上に水素タンクを搭載する方式を採用しなければならないが, このような構造では転覆時に水素タンクの安全性を確保することが難しい. また、水素タンクを含む専用ルーフを開発する必要があり、多様なトラクターのラインアップに適用することも難しい.

本プロジェクトはこうした限界を克服するため、水素タンクの装着が容易な水素燃料電池トラクター専用フレームを設計し, これを用いて水素燃料電池専用プラットフォームを設計した. このプラットフォームは、国内の農業機械分野ではまだ適用されていない新たな試みだと言える. 専用プラットフォームは、水素燃料電池システムの搭載に必要な空間を確保しながら, 複数の農機企業が共通で活用できるという長所がある. 最後に、本プロジェクトのプラットフォーム共用化は、農機企業別の共用化を超え、有人と無人が同一のプラットフォームを持つよう設計した点である.

水素燃料電池共用化プラットフォームは、シャシー下部にモーター, インバーター, トランスミッションなどの駆動部と水素タンクなどのエネルギー装置をすべて装着できるよう設計したため、国内トラクター企業が自社キャビンの装着を通じてプラットフォームをすべて活用できる長所があると同時に、キャビンを除外して無人として活用できる長所がある. したがって、本水素燃料電池プロジェクトは水素燃料電池技術を開発すると同時に、新たな電動化プラットフォームの共用化の可能性を確認する挑戦的な課題だと言える.

特に, 水素燃料電池トラクタープラットフォームは、トラクターが持つ作業特性を反映するため、走行モーター, PTO モーター, 油圧モーターの 3種類のモーターで構成し、トラクターを駆動することになる. このような構造は既存の内燃機関に比べて比較的単純なトランスミッション構造を持つことができ, これにより動力伝達効率を高めることができる. また, 内燃機関の動力源であるエンジンよりも水素燃料電池パワーパックのほうが効率が高いため、同一のエネルギー源を使用してより効率的に農作業を行うことができるという長所がある.

水素燃料電池トラクター課題は今、新たな環境配慮型エネルギー源, 共用化可能な電動化専用プラットフォーム, そして有人と無人を同時に適用できる次世代プラットフォームとして開発を完了し、最終車両の安定化に向けた試験を実施している. トラクターの性能を検証するため、韓国農業技術振興院のトラクター性能試験方法に従い、既存の内燃機関トラクターと同じ方法で試験しているが 3つのモーター構成に伴う別途の試験方法の適用が必要な状況である. このような試験方法は水素燃料電池のほかにも、既存の内燃機関の代わりに一つ以上のモーターを使用して駆動または作業する電気トラクターすべてに活用可能な方法であり、本研究を通じてその試験方法を開発している.

現在、水素燃料電池トラクターは有人および無人トラクターの試作品開発を完了しており, 性能試験を完了して商用化に向けた準備が整った. ただし, 実際の農家での活用のためには、法·制度の改善, 充填, 安全などに関する制度改善が必要である. 同時に、市場拡大に向けた環境配慮型農機への補助金などの整備が必要な状況である.