<1> 燃料電池自動車に係る安全技術研究 2005 年 2 月 11 日 ( 財 ) 日本自動車研究所 1 事業の目標! 高圧ガス保安法に係わる圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の例示基準 ( 技術基準 ) を策定する! 道路運送車両法, 道路法および消防法の見直しに資するデータを取得する 2

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1 A-1 車両関連機器に係わる安全技術 <1> 燃料電池自動車に係る安全技術研究 ( 実施者 : 財団法人日本自動車研究所 )

2 <1> 燃料電池自動車に係る安全技術研究 2005 年 2 月 11 日 ( 財 ) 日本自動車研究所 1 事業の目標! 高圧ガス保安法に係わる圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の例示基準 ( 技術基準 ) を策定する! 道路運送車両法, 道路法および消防法の見直しに資するデータを取得する 2

3 実施内容 高圧ガス保安法! 高圧容器の安全性評価および例示基準策定! バルブ等の安全性評価! 容器の高圧化 容量拡大に対する安全性評価! 液化水素貯蔵タンクの安全性評価! 充填コネクタの安全性評価 道路運送車両法! 車両の保安基準策定のための安全性評価! 水素ガス漏れ検知手段の開発 道路法! トンネル内事故時の安全性評価 消防法! 地下駐車場等での火災安全性評価 全般! その他の水素貯蔵タンクの安全性評価! 水素安全の国際基準策定の動向調査 3 高圧容器の安全性評価および例示基準策定 実施体制および審議内容 高圧ガス保安協会 ( 財 ) 日本自動車研究所 (JARI) JARI 技術基準 高圧ガス容器規格検討委員会 圧縮水素自動車燃料装置用容器等例示基準案検討委員会 審議経過 燃料電池システム技術基準調査委員会 例示基準案作成タスクフォース 例示基準案実証試験タスクフォース 車両 : 道路運送車両法 ( 国土交通省 ) 圧縮水素容器 附属品 : 高圧ガス保安法 審議内容 ( 対象とする規制の再点検項目 ) ( 再点検項目 N0.7,9) 容器の例示基準および高圧化 容量拡大 ( 再点検項目 N0.8) 容器用バルブの例示基準 ( 再点検項目 N0.10) 容器再検査周期および車載状態での検査 燃料電池自動車 ( 圧縮水素自動車の一例 ) 4 JARI 技術基準 ( 例示基準案 ) の対象範囲

4 高圧容器の安全性評価および例示基準策定 委員構成 検討委員会委員長 : 石谷教授 ( 慶応大学 ) 委員 24 名 ( 産学官 ) オブザーバ :24 名 作成 TF 委員 36 名 ( 産学官 ) 実証試験 TF 委員 20 名 ( 産学官 ) 審議スケジュール 年 2003 年 2004 年 月 / 日 10/23 11/14 11/27 12/12 12/25 1/27 3/10 3/15 3/25 6/14 6/17 6/24 8/4 9/1 9/15 9/24 10/6 開催時間 16:00 17:00 10:00 12:15 17:00 10:00 12:00 15:30 16:30 10:30 16:00 13:00 15:00 16:45 17:30 14:00 16:00 18:00 15:00 17:30 15:15 15:30 10:00 12:15 検討委員会 作成 TF 実証試験 TF 高圧ガス容器規格検討委員会 (11 月 2 日開催 ) 高圧容器の安全性評価および例示基準策定 規制再点検項目に対する取り組み結果 ( 再点検項目 N0.7,9) 容器の例示基準および高圧化 容量拡大 ( 再点検項目 N0.8) 容器用バルブの例示基準 ( 再点検項目 N0.10) 容器再検査周期および車載状態での検査 35MPa 容器 附属品技術基準策定 車検期間にあわせて 車載状態での容器再検査が可能 6

5 高圧容器の安全性評価および例示基準策定高圧容器および附属品 ( バルブ ) - 技術基準審議結果 年 12 月 1 日承認 7 高圧容器の安全性評価および例示基準策定容器および容器付属品の技術基準策定における前提 < 参照例示基準 > 容器 : 圧縮天然ガス自動車燃料装置用容器の技術基準の解釈 ( 別添 9) 付属品 : 付属品の技術基準の解釈 ( 別添 10) < 対象容器 > Type-3( 金属ライナー VH3) Type-4( プラスチックライナー VH4) < 材料 > 水素脆化に対しては 実験および文献データなどをもとに影響が小さいものを認定する < 技術革新 > 技術革新に対応できる基準 ( 事前評価委員会 ) とする 8

6 高圧容器の安全性評価および例示基準策定水素ガス透過試験 Type-3 容器 (40L) Type-4 容器 (65L) 供試容器 Type-3 容器 (40L) 透過量 :1[cm 3 /hr/l] 水素透過量 Type-4 容器 (65L) テストチャンバ 国際基準の動向 ISO/CD15869 : 判定基準 :1.0 [cm 3 /hr/l] EIHP Rev.12b : 判定基準 :1.0 [cm3/hr/l] HGV2Rev : 判定基準 :2.0 [cm3/hr/l] ( 別添 9( 天然ガス ): 判定基準 :0.25 [cm3/hr/l] ) ガレージでの換気率を考慮した安全率 透過量 :1.0 [cm3/hr/l] 4400 透過量 :2.0 [cm3/hr/l] 2200 Type-3 容器の水素透過は殆どない Type-4 容器の500 時間後の水素透過 :1.02[cm 3 /hr/l] Type-4 容器の技術基準での判定値 : 2.0[cm 3 /hr/l] 9 高圧容器の安全性評価および例示基準策定水素ガスサイクル試験 Type-4 容器 Type-3 容器 Pressure[MPa] 試験容器 :Type-3 容器 Type-4 容器試験ガス : 水素 天然ガスサイクル数 :1000 サイクル 蓄ガスユニット 放電などによる異常無し 供試容器 -10 Time[sec] 圧力波形 天然ガス容器の天然ガスサイクル試験法を水素ガスサイクル試験として実施した結果 1,000サイクル実施後の容器内部の損傷 : 無 バルブ側テイル側容器内部の状況 (Type-4, 水素,1000サイクル後) Type-4 容器を対象とし 1000 サイクルの水素ガスサイクル試験を 2MPa 以下 最高充てん圧力間で実施 10

7 高圧容器の安全性評価および例示基準策定許容欠陥確認試験 LBB 状態での水の漏洩 欠陥傷の深さ :0.1, 0.15, 0.2, 0.3[mm] 長さ :25[mm] 欠陥傷 (0.3[mm]) Pressure[MPa] 許容欠陥確認試験の状況 (Type-3 容器 :34L) FP35MPa MPa の繰返し圧力サイクル 漏洩の状況 ( 試験終了 ) Time[sec] 許容欠陥確認試験時の圧力サイクル線図 1μm 1μm ライナー内側ライナー外側リーク発生部位の破面 11 高圧容器の安全性評価および例示基準策定容器ボス部の結晶粒径 ( その1) 容器胴部の大口径化に伴い 容器ボス部の結晶の粗粒化と 粗粒化に伴う強度低下が想定される そこで 容器ボス部の結晶粒の状況を調査する 容器胴部直径 :400[mm] 容器胴部直径 :600[mm] 容器ボス部の結晶粒の状況 現行の容器に関しては 胴部直径がボス部粗粒化に及ぼす影響は少ないボス部の結晶粒は部位ごとに異なりさらに扁平化しているため 粒径を規定することは困難 % 耐力 /MPa 歪速度 strain/sec ( 平均 ) ( 平均 ) 粗粒化すると強度が低下する 200 0小 1 結晶粒径 大 5 結晶粒径と 0.2% 耐力 ( 強度 ) との関係 12

8 高圧容器の安全性評価および例示基準策定容器ボス部の結晶粒径 ( その2) 結晶粒径 強度により判定 試験片寸法 (mm) (mm) (mm) (mm) Standard B Smallsize 判定方法 材料試験により得られた耐力 > 構造解析により得られた応力 1/2 13 Stress (MPa) 高圧容器の安全性評価および例示基準策定材料規定 ( その1) 材料特性を高圧水素雰囲気 - 不活性ガス 空気雰囲気について調査材料特性の調査項目 引張り特性 疲労特性 遅れ割れ特性 疲労亀裂進展特性文献調査 :JARI 実験 :( 財 ) 金属系材料研究開発センター (JRCM) SUS316L R.T. Hydrogen(3x10-5) Strain (%) Hydrogen(8x10-5) Air(3x10-5) Hydrogen (3x10-6) Air(3x10-5) Hydrogen(3x10-6) Hydrogen(3x10-5) Hydrogen(8x10-5) SUS 316L の応力 - ひずみ特性 SUS 316L の疲労亀裂伝播 材料の選定 絞込み 文献等による調査対象材料ステンレス鋼 :SUS 304, 304L, 316, 316L などアルミニウム合金 :A6061-T6, A7071 など Relative Reduction of Area (Hydrogen/Helium) NG 316L 316LN (S) 304L (S) Temperature (K) 水素が相対絞り率に及ぼす影響 試験による特性確認 (JRCM にて実施 ) 優先実施する試験材料ステンレス鋼 :SUS 316L アルミニウム合金 :A6061-T6 銅合金 :C3771( 附属品用 ) ステンレス鋼 SUS 316L は水素の影響が少ない 規格材料と同等材料の調査 整理 規格材料ステンレス鋼 :SUS 316L アルミニウム合金 :A6061(T6) 技術基準へ反映 14

9 高圧容器の安全性評価および例示基準策定策定した容器基準の概要 ( まとめ ) 内容 VH3,VH4 に限定 1 条 ( 適用範囲 ) 2 条 ( 用語 ) 3 条 ( 材料 ) 4 条 ( 肉厚 ) 6 条 ( 加工及び熱処理の方法 ) 7 条 ( 容器検査 ) 8 条 ( 設計確認試験における設計検査 ) 11 条 ( 設計確認試験における常温サイクル試験 ) 13 条 ( 設計確認試験における火炎暴露試験 ) 14 条 ( 設計確認試験における落下試験 ) 15 条 ( 設計確認試験におけるガス透過試験 ) 17 条 ( 設計確認試験における水素ガスサイクル試験 ) 19 条 ( 設計確認試験における許容欠陥確認試験 ) 刻印等において示された年月日の前日から起算して 15 年を経過した日年又は 15 年を超えない範囲内において容器製造業者が定めた日から充てんしないものとして製造された容器 繊維の応力比 :2.25 SUS316L,A6061T6 最高充てん圧力の 1.5 倍の圧力で降伏を起こさない 自緊処理は, 適切な圧力で行うこと 最高充てん圧力 35MPa 以下 内容積 360L 以下 ( 容積 360L 以上の容器は KHK の事前評価委員会の審査で対応 ) 容器のボス部又はその近傍の材料の耐力を測定等により確認 サイクル試験の圧力下限値 :2MPa 以下の圧力 容器に充てんするガスの種類 : 水素ガス 垂直落下試験では, 容器の最低部は床面から 35mm 以上 試験ガス : 水素ガスのみ 水素ガスの透過率 : 容器の内容積 1L 当たり毎時間当たり 2 cm3 未満 サイクル数 :1,000 SUS316L,A6061T6 の水素雰囲気下でのき裂進展速度を使用して計算する 省令改正後に例示基準としてパブリックコメント募集 課題 : さらなる高圧化への対応 使用材料の拡大を視野に入れた規定材料試験法の検討 15 トンネル内事故時の安全性評価 目的 トンネル内でのトレーラー等の輸送規制量である 60m 3 の水素が漏洩した時の拡散状況を予測し規制見直しのための基礎データを得る 計算対象 トンネル本坑 換気設備電気集じん器 漏洩水素の滞留箇所, 滞留時間 流入する水素濃度 < 参考 > 主な規制対象トンネル : 全 24 トンネル 水底トンネル : 東京港トンネル 東京港アクアトンネル 関門トンネルなど ( 計 15 トンネル ) 長大トンネル関越トンネル 恵那山トンネル 千代田トンネルなど ( 計 9 トンネル ) 16

10 トンネル内事故時の安全性評価 解析条件 縦断勾配, 断面形状など代表的なトンネル構造 長大模擬トンネル水底模擬トンネル 7m 10m 2% 4.5m 馬蹄形, 拝み勾配 2% 水素漏洩車両 (1 台 ) 後続車両 (4 台 ) 進行方向 片側 2 車線一方通行 車両は全て停止状態 10m 5% 矩形, 谷勾配 5% ケース トンネル形状 長大模擬トンネル 水底模擬トンネル 長大模擬トンネル 長大模擬トンネル 水素平均漏れ速度 60m 3 /min 60m 3 /min 60m 3 /min 60m 3 /min 換気速度 0m/s 0m/s 1m/s 2m/s 備考 トンネル断面形状による影響 トンネル換気の影響 17 トンネル内事故時の安全性評価計算結果 ( トンネル断面形状の影響 ) ケース 1 : 長大模擬トンネル, 水素平均漏洩速度 60m 3 /min ケース 2 : 水底模擬トンネル, 水素平均漏洩速度 60m 3 /min 92sec 後 92sec 後 水素濃度体積分率 可燃下限界 (4%) 以上 412sec 後 412sec 後 1192sec 後 1192sec 後 長大模擬トンネル トンネル断面形状の影響 水底模擬トンネル 赤色の領域が可燃下限界 (4%) 以上 拝み勾配を有する天井付近には水素が滞留しその消失には時間を要する 18

11 トンネル内事故時の安全性評価 計算結果 ( 換気の影響 ) ケース1 : 水素平均漏洩速度 60m 3 /min, 換気風速 0m/s ケース3 : 水素平均漏洩速度 60m 3 /min, 換気風速 1m/s ケース4 : 水素平均漏洩速度 60m 3 /min, 換気風速 2m/s 水素濃度体積分率 0m/s 換気風速 0m/s 換気風速 1m/s 1m/s 可燃下限界 (4%) 以上 2m/s 2m/s 23sec 後 換気の影響 水素は漏洩箇所から取り除かれる 52sec 後青い領域以外が可燃下限界 (4%) 以上 19 トンネル内事故時の安全性評価 まとめ トンネル内輸送規制量 60m 3 の水素の漏洩 谷勾配を有するトンネルでは漏洩箇所から除去される 拝み勾配を有するトンネルでは消失には時間を要する 換気風速の存在下で水素は漏洩箇所から取り除かれる 今後の予定 実際に通行規制されているトンネル形状をモデルにしたシミュレーション 長大 水底トンネル等の危険物積載車両の通行規制の見直しに向けてのより幅広い知見を得る 20

12 研究項目 目標 高圧ガス保安法に係わる圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の例示基準 ( 技術基準 ) を策定する 道路運送車両法, 道路法および消防法の見直しに資するデータを取得する 成果概要 容器材料および水素透過量等の安全性の検討 高圧対応に向けた試験を短期間で実施し これらのデータをもとに委員会活動を通して 35MPa 対応の圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の技術基準を策定し 高圧ガス保安協会の承認を得た トンネル内での水素漏洩解析等を実施し 道路法 道路運送車両法の保安基準および消防法の見直しに向けたデータを提供した 中間目標 ( 平成 16 年末 ) 35MPa 対応の圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の例示基準 ( 技術基準 ) を策定する 道路運送車両法, 道路法および消防法の見直しに資するデータを取得する 達成度 ( 自己評価 ) 基準 ( 目標に対する達成度イメージ ) 達成度 期待水準を上る優れた成果 (110% 以上 ) S 概ね期待どおりの成果 (90% 以上 110% 未満 ) A 期待を下る成果 (90% 未満 ) B 期待を大きく下る不満足な成果 (70% 未満 ) C 特許 論文 口頭発表 ( 件数 ) 特許 ( 国内 海外 )0 件論文 6 件口頭発表 3 件 S 目標達成を評価するための成果 21 実用化の見通し! 圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の技術基準は 例示基準として省令改正の後に法制化され, 平成 17 年 4 月から施行される予定! これにより, 燃料電池自動車の普及が促進される 22

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