成果報告書詳細
管理番号20110000001740
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 システム技術開発 車載等水素貯蔵・輸送容器システム技術に関する研究開発
公開日2012/1/11
報告書年度2008 - 2010
委託先名サムテック株式会社
プロジェクト番号P08003
部署名新エネルギー部
和文要約低コスト化、コンパクト化および高耐久性に関する機器および市場立ち上げ時期に必要なシステムの仕様検討、試作開発、性能検証・評価を実施すると共に、実際の充てんや輸送を模擬した条件下における性能検証・評価を実施した。具体的には、燃料電池車の燃料装置用容器として期待されている「水素吸蔵合金と高圧水素ガスによる水素貯蔵方式を組み合わせたハイブリッド貯蔵タンク」を開発対象とし、ハイブリッド貯蔵タンク用広口高圧タンクの開発を行った。
(1) ハイブリッド貯蔵タンクの基本諸元の策定:ハイブリッド貯蔵タンクの最適な圧力を検討するため、貯蔵圧力を15MPa、25MPa、35MPa とし、目標の体積貯蔵密度28g-H2/Lを達成するハイブリッド貯蔵タンクについて経済性を比較した。この経済性は、35MPaで最大となることがわかった。
(2) ハイブリッド貯蔵タンクの安全性確認・評価試験:ハイブリッド貯蔵タンクの安全性について、車載用高圧水素容器の技術基準(JARI S 001)に基づく評価試験を進めてきた。まだ評価をしていない落下試験について安全性評価を行った結果、ハイブリッド貯蔵タンクは広口高圧タンクと比べて約2倍の15%剛性が低下することがわかった。
(3) ハイブリッド貯蔵タンクの低コスト化技術の開発:ハイブリッド貯蔵タンクの低コスト化および性能(熱交換効率、重量)向上を図るために、MHカートリッジの設計自由度を向上する広口高圧タンクの設計および製造工程の開発を行った。
1)熱処理不要なアルミ材料を用いてライナーを製作し、加工性評価およびサイクル性能の評価を行った。サイクル性能については、同耐久回数を得るために従来の6061アルミニウムと比べて約12%低く応力設計する必要があるものの熱処理工程を省略できることによりコストダウンできることがわかった。
2)MHカートリッジの設計の自由度を高め、加工時間を短縮できるスピニング装置を開発した。本装置は、スピニング加工時の遠心力によるMHカートリッジの損傷防止、局所的な加熱による水素吸蔵合金の劣化防止および加工時間の短縮を図るものである。加工時間は従来と比べて半減でき、加工精度も従来装置と同等であることを確認した。
3)従来は水素吸蔵合金の初期活性化処理後にガス圧で自緊処理を行っており、本工程が低コスト化のネックとなっていた。初期活性化処理時に、容器の許容温度(85℃)以上の熱を加えることにより自緊処理によって得られた、アルミライナーの残留圧縮応力が減少するためである。初期活性化処理後の残留圧縮応力の減少度合を評価するとともに回避策を検討した。この結果、初期活性化処理した容器は、アルミライナーの残留圧縮応力が約65%減少することがわかった。一方、初期活性化処理時に容器に荷重を発生させることにより、これを回避できることがわかった。
4)低コスト炭素繊維の選定:候補繊維を用いて試作し、破裂試験圧力より強度発現率を算出して評価した。この結果、従来の高性能炭素繊維と同等の強度発現率が得られる低コスト炭素繊維を選定することができた。
(4) ハイブリッド貯蔵タンクの試作:高性能化に焦点をしぼり新規容器の試作を行った。新規容器は内容積を50L とし設計、製作を行った。破裂試験、サイクル試験を行い、基本的な安全性能を合格することを確認した。さらに、水素吸蔵試験を行った結果、体積貯蔵密度28.8[H2-g/L]が得られ、中間目標28[H2-g/L]を達成していることを確認した。
英文要約Title:Development of Technologies for Hydrogen Production, Delivery and Storage Systems (FY2008-FY2010)Final Report
To develop a hybrid hydrogen storage tank (hybrid tank) as a combined high-pressure gas tank and metal hydride, we conducted research and development to investigate various characteristics when refueling and discharging hydrogen (performance tests) and to investigate safety (safety tests) as a hydrogen storage tank that will be used in a vehicle because we assumed that the hydrogen storage characteristics, hydrogen discharge characteristics, and safety differ from those in conventional high-pressure gas tanks.
A hybrid tank with the following performance has been developed with a target.
1) Volumetric Capacity: 28 g/L(outer volume)
2) Refueling Rate : 90 % / 10 min.
Optimum filling pressure of hybrid tank:To find out the optimum filling pressure of hybrid tank, we compared the cost of 3-hybrid tanks, that have same outer volume, same amount of hydrogen contained, and different filling pressure (15, 25 and 35MPa). From this research, we found that the optimum filling pressure of hybrid tank with current metal hydride is 35MPa.
Safety tests on hybrid hydrogen tank:With the previous research, we confirmed that the hybrid tank had same safety factor as current composites cylinders with the exception of drop test requirements. With this project, we tested the compatibility of hybrid tank for drop test, and found that hybrid tank can loose the stiffness up to 15% after drop ~ we must consider this amount when we design the tank.
Development of cost down technologies for hybrid tank:To improve the cost performance of hybrid tank, we successfully developed following items.
1)Utilize of non-heat treat aluminum alloy
2)Utilize of low cost carbon fiber
3)Low cost spinning process
4)Low cost Autofrettage process
Development of New Hybrid Tank:New hybrid tank has designed, manufactured and tested ~ the internal (water) volume of tank is 50liter, and the outer volume is 66liter. This tank satisfies the basic safety test for pressure vessel. The actual amount of hydrogen contained was 1.9kg, and volumetric capacity was 28.8g/liter that exceeds the target of 28g/liter
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