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さあしゃかに
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1 高圧水素を充填する複合容器蓄圧器の技術基準の検討状況 ( 一般財団法人石油エネルギー技術センター自動車新燃料部 ) 川付正明吉田剛小林拡石本裕保川又和憲中妻孝之岡崎順二 1. 研究開発の目的 1.1 目的本研究開発は国立研究開発法人新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) が実施する水素利用技術研究開発事業において東京大学高圧ガス保安協会 (KHK) 石油エネルギー技術センター (JPEC) とで連携して進めている複合圧力容器蓄圧器の基準整備等に関する研究開発に関するものである水素ステーションに用いられる複合圧力容器蓄圧器においてはその評価方法のひとつである常温圧力サイクル試験と実際の使用条件が大きく異なっており複合圧力容器蓄圧器の評価方法の高度化複合圧力容器蓄圧器の FRP 層の評価方法の高度化や複合圧力容器蓄圧器の疲労設計方法の高度化などが望まれているそこでこれらに係る基準整備等のための研究開発を行うこれら複合容器の評価基準の高度化により蓄圧器の長寿命化ついては水素ステーションでの複合圧力容器蓄圧器のライフサイクルコスト低減を図る本研究開発は平成 25 年度から平成 29 年度までの 5 ヵ年計画であり本稿では平成 26 年度の進捗状況を報告する 1.2 研究開発経緯水素ステーションの機器構成 ( 例 ) は図 1.1 に示すとおりであり蓄圧器の材料は鋼製に限定されていた為 70MPa 水素スタンドでは蓄圧器が厚肉となり大幅なコストアップとなるそのため鋼製蓄圧器に比べて軽量化コストダウンが期待され車載用高圧水素容器として実績のある複合容器が使用できるよう技術基準を整備することが必要であった前事業で設計疲労サイクル 10 万回設計圧力 110MPa のタイプ3 中型複合容器製造を達成しそれらを用いた実験結果に基づき平成 25 年 2 月に複合容器蓄圧器の設計製作検査方法をまとめたガイドラインを作成図 1.1 水素ステーションの機器構成 ( 例 ) し平成 26 年 9 月 29 日には KHK により圧縮水素蓄圧器用複合圧力容器に関する技術文

書 (KHKTD 5202(2014)) が制定されたまた今後の調査研究課題として下記項目を抽出し本研究開発を実施することとした 1 疲労試験 ( 常温圧力サイクル試験 ) における試験圧力媒体の種類及び試験温度等が疲労強度に及ぼす影響 2 疲労試験 ( 常温圧力サイクル試験 ) における試験圧力範囲が疲労強度に及ぼす影響 3タイプ4 複合容器の疲労による損傷モードの確認疲労特性の評価

2 書 (KHKTD 5202(2014)) が制定されたまた今後の調査研究課題として下記項目を抽出し本研究開発を実施することとした 1 疲労試験 ( 常温圧力サイクル試験 ) における試験圧力媒体の種類及び試験温度等が疲労強度に及ぼす影響 2 疲労試験 ( 常温圧力サイクル試験 ) における試験圧力範囲が疲労強度に及ぼす影響 3タイプ4 複合容器の疲労による損傷モードの確認疲労特性の評価実証 4タイプ2 複合容器の評価方法の確立 ( 平成 27 年度より開始 ) 2. 研究開発の内容差圧充塡式水素ステーションにおける複合圧力容器蓄圧器では図 2.1 水素充填解析例に示すように高圧バンク中圧バンク及び低圧バンクの組み合わせによるバンク切り替えが効率的と考えられており圧力変動の小さい充てんを繰り返し行う ( 以下部分充てんという ) ことが想定されているこの複合圧力容器蓄圧器は 15 年 55 万回程度使用されることが見込まれているため FRP 複合構造の圧力容器に累積疲労損傷則 ( マイナー則 ) を適用して疲労寿命を評価するための課題及び必要データ等を抽出するこのため試験片及び試験容器などを用いて平均応力応力範囲最大応力等を変更した場合の疲労特性を確認しまた併せて必要により当該関連技術調査を行い部分充てんを想定した複合圧力容器蓄圧器の設計試験検査方法及び運転管理手法などの高度化を検討する図 2.1 水素充填解析例 ( 蓄圧器 300Lx3 基 ) 2.1 複合圧力容器蓄圧器の疲労寿命評価手法の検討複合圧力容器蓄圧器の疲労寿命データはその効率化を図るために小容量容器を用いた常温圧力サイクル試験により取得するものとしまた当該試験に用いる容器試験体の発生応力等

3 を明らかにするため連携する東京大学生産技術研究所にて有限要素解析を用いた設計を行うさらに必要に応じてタイプ3 複合容器のライナーに使用する材料試験片 ( アルミ合金 A6061-T6 等 ) を用いた疲労試験等を実施し材料特性を検証する常温圧力サイクル試験は必要に応じて中型複合圧力容器や水素ステーション用蓄圧器を想定した容量 (300L 級 ) の容器でも引き続き実施するなお試験の実施に際しては圧力媒体の種類及び温度などの影響を考慮する 2.2 圧力媒体の評価選定タイプ3 複合容器においては長期にわたる試験期間における圧力媒体特にイオン交換水等による腐食の有無を確認するためイオン交換水グリコール水溶液等の比較試験 ( 常温圧力サイクル試験 ) や温度管理方法等の検討を行う 2.3 タイプ3 蓄圧器の評価方法の高度化疲労寿命 10 万回のタイプ3 複合容器の各種圧力範囲における疲労寿命データを取得し蓄圧器の実使用範囲での評価方法の確立を目指す最初に小型容器 (10-30L) を用いて設計圧力の30-90% 50-90% 及び70-90% 程度の実ステーションにおける低圧中圧及び高圧バンクの使用条件を模して平均応力応力範囲最大応力等を変更した場合の圧力サイクル試験を行い疲労特性を確認する引き続き中型容器 (80-100L) 及び大型容器 (300L) における各種圧力範囲における疲労寿命データを取得し容器の大型化により発生する不確定要素を抽出しまた平均応力応力範囲最大応力等と疲労寿命との相関への影響を確認する 2.4 タイプ4 蓄圧器の評価方法の高度化疲労寿命 10 万回のタイプ4 複合容器の各種圧力範囲における疲労寿命データを取得し蓄圧器の実使用範囲での評価方法の確立を目指すまたその疲労による損傷モードの確認を行う小型容器 (10-30L) 中型容器(80-100L) 及び大型容器 (300L) の3 種類を用いて設計圧力の30-90% 50-90% 及び70-90% 程度の実ステーションにおける低圧中圧及び高圧バンクの使用条件を模して圧力サイクル試験を行う 2.5 タイプ2 蓄圧器の評価方法の確立海外のタイプ2 複合容器の技術基準の調査を行い評価方法の原案を策定する合わせてタイプ2 複合容器 30L 100L 及び300L 程度の3 種類を用いて評価方法原案 ( 破裂モードの確認や圧力サイクル試験等 ) の妥当性を検証するとともに疲労寿命評価方法の確立を目指すなおクロモリ鋼の水素脆性に関しては水素ステーション用金属材料の鋼種拡大に関する研究開発と連携して検討する 3. 平成 26 年度研究開発の結果 3.1 圧力媒体の評価選定圧力媒体を従来のイオン交換水に加え腐食防止剤入りイオン交換水 50% グリコール水溶

1) また圧力サイクル試験後の漏洩部の調査を行った結果試験後の漏洩部に腐食等の影響は認められなかったこれらの結果から性状等の管理のしやすさ

4 液及びフッ素系熱媒の計 4 ケースとし圧力サイクル試験を行い比較評価した試験圧力 1MPa~65MPaの圧力変動で漏れ発生回数が4~6.5 万回と圧力媒体による有意差は認められなかった ( 表 3.1 図 3.1) また圧力サイクル試験後の漏洩部の調査を行った結果試験後の漏洩部に腐食等の影響は認められなかったこれらの結果から性状等の管理のしやすさ経済性廃棄等の取扱い性などを考慮し今後の試験用圧力媒体を50% グリコール水溶液とすることとした表 3.1 圧力媒体種変更時のサイクル試験結果図 3.1 圧力媒体種変更時のサイクル試験結果 3.2 タイプ 3 小型複合容器評価試験

表 3.2に示すような実ステーションにおける使用条件を模した圧力条件を加えた圧力サイクル試験を実施中である表には圧力媒体選定時に実施した試験結果も記載している表 3.3 3.4に東京大学吉川教授による容器に内圧がかかった場合のライナー内面胴部周方向の応力とライナー内面鏡部軸方向の応力の解析結果を示すこの結果を基に表 3.

5 表 3.2に示すような実ステーションにおける使用条件を模した圧力条件を加えた圧力サイクル試験を実施中である表には圧力媒体選定時に実施した試験結果も記載している表に東京大学吉川教授による容器に内圧がかかった場合のライナー内面胴部周方向の応力とライナー内面鏡部軸方向の応力の解析結果を示すこの結果を基に表 3.2のき裂発生箇所における応力範囲を算出したただし数値は試験上限圧力 65MPaのときの平均応力を-100とし相対比として算出した図 3.1 試験中のタイプ 3 小型複合容器表 3.2 応力範囲を変えた圧力サイクル試験条件及び途中結果番圧力媒体内表面試験上試験下号フラスト限圧力限圧力処理 (MPa) (MPa) 想定応力サイクルき裂箇所応力範囲範囲回数解析結果 ( 設計圧力対 %) ( 回 ) ( 相対比 ) 1 イオン交換水有り ~1 62,894 胴部腐食防止剤含有水有り ~1 55,153 鏡部腐食防止剤含有水無し ~1 40,061 鏡部エチレンクリコール水溶液有り ~1 55,548 鏡部エチレンクリコール水溶液無し ~1 63,376 鏡部フッ素系熱媒体有り ~1 63,377 鏡部イン交換水有り ~1 >1,350,000 なし ( ) 8 フッ素系熱媒体有り ~1 225,224 胴部鏡部イオン交換水無し ~1 24,925 胴部フッ素系熱媒体有り ~1 19,962 鏡部 ~ ~ ~30 14 エチレンクリコール水溶液有り ~ ~ ~ ~1 評価中

6 表 3.3 ライナー内面胴部周方向応力解析結果表 3.4 ライナー内面鏡部軸方向応力解析結果き裂部に係る応力範囲とサイクル回数の関係を図 3.2に示すこのように下限応力が一定の場合に応力範囲が縮小されることでサイクル回数が増加する傾向が認められるただし胴部と鏡部では応力のかかり方に相違があるため一律に比較することはできない今後データをとりまとめ評価方法の高度化を図っていく番号 7 の容器 135 万回で漏れず図 3.2 き裂発生箇所にかかる応力範囲と圧力サイクル回数 3.3 タイプ 4 蓄圧器の評価方法の高度化タイプ 4 複合容器については国内外で目標とする条件の設計圧力 100MPa 程度疲労寿命 10 万回レベルのものが存在しないそのため市販容器等の調査を行い最高充填圧力 70M

7 Pa の車載容器を用いて評価試験を実施することとし 36L の小型容器の製作を完了した今後タイプ 4 複合容器の圧力サイクル試験 ( 疲労試験 ) での損傷モード部位の確認及び圧力サイクル試験に於ける試験圧力範囲が疲労強度に及ぼす影響を調査する 4. まとめ 1) 圧力媒体の評価選定タイプ3 小型複合容器で圧力媒体種試験媒体温度を変更して圧力サイクル試験を実施した結果圧力媒体試験媒体温度による有意差はなかった性状管理のしやすさ経済性廃棄等取扱い性などを考慮し今後の試験用圧力媒体を50% エチレングリコール水溶液とすることとした試験媒体温度は室温を適用することとした 2) タイプ3 小型複合容器評価試験圧力サイクル試験における漏えい箇所が胴部以外からも確認されたため鏡部での応力解析を実施したその部分も含めた応力範囲と圧力サイクル回数のデータを取得中である 3) 今後の予定タイプ3 小型複合容器で水素ステーションを模した応力範囲平均応力と疲労寿命の評価を継続するタイプ3 中型複合容器での評価を開始するタイプ4 小型複合容器の評価を開始するタイプ2 複合容器の評価方法の確立を目指して調査を開始する謝辞本事業の成果は国立研究開発法人新エネルギー産業技術総合開発機構 (NEDO) からの業務委託の結果得られたものである

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PowerPoint Presentation H8 年度有限要素法 1 構造強度設計 1. 塑性崩壊 1.3 疲労設計 ( 一部修正版 ) H8-1/6 早川 (R : 夏学期の復習部分 ) 1. 塑性崩壊とその評価法 ( 極限解析 ) R 塑性崩壊 : 構造物として使用に耐えないほどの過度の塑性変形全断面降伏前提 : 弾完全塑性材モデル E ひずみ硬化ありひずみ硬化なし : 降伏強さ E : ヤング率 ε 図 1.3 弾完全塑性材モデルの応力