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 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
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
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 3.2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 65 1 100~1 62,894 胴部 174 2 腐食防止剤含有水 有り 65 1 100~1 55,153 鏡部 162 3 腐食防止剤含有水 無し 65 1 100~1 40,061 鏡部 162 4 エチレンク リコール水溶液 有り 65 1 100~1 55,548 鏡部 162 5 エチレンク リコール水溶液 無し 65 1 100~1 63,376 鏡部 162 6 フッ素系熱媒体 有り 65 1 100~1 63,377 鏡部 162 7 イン交換水 有り 45 1 70~1 >1,350,000 なし (120 113) 8 フッ素系熱媒体 有り 45 1 70~1 225,224 胴部 鏡部 120 113 9 イオン交換水 無し 75 1 115~1 24,925 胴部 200 10 フッ素系熱媒体 有り 75 1 115~1 19,962 鏡部 187 11 59 7 90~10 12 59 13 90~20 13 59 20 90~30 14 エチレンク リコール水溶液 有り 59 32 90~50 15 59 45 90~70 16 65 20 100~30 17 52 1 80~1 評価中
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
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