成果報告書詳細
管理番号20130000000467
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 水素インフラ等に係る基準整備に関する研究開発
公開日2013/10/29
報告書年度2010 - 2012
委託先名高圧ガス保安協会
プロジェクト番号P08003
部署名新エネルギー部
和文要約本事業は、「水素インフラ等に係る基準整備に関する研究開発」として、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、圧縮水素運送自動車用複合容器(CFRP)に係る基準整備に関する研究開発、水素ステーション用複合容器(CFRP)に係る基準整備に関する研究開発、圧力設備の設計基準における設計係数と水素適用に関する研究開発を行うことにより、既存規制の見直し等に資するデータ、高度な技術基準案を国内及び国際標準に提案するためのデータ取得並びにそれに係わる技術開発を実施し、水素社会におけるインフラ整備に資することを目的とする。
本研究開発はこのような背景の中、水素インフラ等の普及促進にとって重要な研究開発テーマ「水素インフラ等に係る基準整備に関する研究開発」に参画し、先行事業の中で抽出された水素インフラに関する規制見直しの最重点課題の解決を図り、燃料電池自動車の普及促進の一翼を担う。具体的には、70MPa級水素ステーションを構成する配管、バルブなど各部品を製造する前提となる高圧水素ガス設備に使用可能な金属材料の鋼種拡大、高圧水素ガスの輸送・貯蔵を目的とした複合容器(CFRP)に係る技術基準の整備を見据えた調査及び試験に加え、水素ステーションに用いる圧力設備のより合理的な設計を可能とすべく、圧力設備の設計基準における設計係数と水素適用に関する検討を行った。
その結果、各研究開発項目において以下の成果をあげることにより、目標を達成した。

1)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
70MPa級水素ステーションにおける圧縮水素が通る高圧設備(配管、管継手、蓄圧器の元弁など)の耐圧部分について、高圧水素中の材料特性と疲労特性の保証により一般高圧ガス関係例示基準の材料選定基準を確立した。なお、SUS316及びSUS316Lについては、材料選定基準に基づき、絞り、Ni当量、常用圧力及び常用温度の範囲を一般高圧ガス関係例示基準に提案し、基準改正に反映された。

2)圧縮水素運送自動車用複合容器(CFRP)に係る基準整備に関する研究開発
高圧化に伴う水素運送自動車用容器の安全を確保するための設計確認試験及び組試験の方法等について検討を行い、JPECにて行われたJIGA-T-S/12/04をベースとした最高充てん圧力45MPaの圧縮水素運送自動車用容器の例示基準案作成のための助言を行った。

3)水素ステーション用複合容器(CFRP)に係る基準整備に関する研究開発
水素ステーション蓄圧器用複合容器を特認申請するためのガイドラインとしてASME Sec.X Appendix 8をベースとすることを提案し、JPECにて行われた水素ステーション蓄圧器用複合容器のガイドライン策定に資する資料の検討のための助言を行った。さらに、東京大学及びJPECにて行われた小型複合容器及び中型複合容器の設計製作、試験計画の策定及び試験結果の評価に対して助言を行い、蓄圧器の圧力繰返し寿命に関する健全性確保のための設計指針を得た。また、CFRP製複合容器の設計基準の基礎となるCFRPのストレスラプチャー試験及び疲労試験を行いデータの充実を図った。

4)圧力設備の設計基準における設計係数と水素適用に関する研究開発
国内で用いられている基準の中で設計係数の最も小さなKHKS0220超高圧ガス設備に関する基準の水素適用について検討を行い、水素の影響に応じて、従来通り大気中のデータを利用してKHKS0220で設計する場合と、水素中のデータを使用してKHKS0220で設計する場合とに分けることを提案した。 なお、従来通り大気中のデータを利用してKHKS0220で設計する例については、LBBが成立する場合にあっては材料特性及び疲労特性に水素の影響が無いこと、LBBが成立しない場合にあっては材料特性、疲労特性及び疲労き裂進展特性に水素の影響が無いことを設計条件内で確認することが必要となるとした。また、SUS316及びSUS316Lの冷間加工材について、SSRT、疲労試験及び疲労き裂進展試験のデータから、水素の影響が無い設計条件を具体的に示した。
英文要約Investigations and tests for preparing technical standards related to carbon fiber reinforced plastic (CFRP) were conducted, aiming at the expansion of applicable steel grade for high pressure hydrogen devices such as pipeline and valves, which are constituents of a 70MPa hydrogen filling station, and the realization of the transportation and storage of high pressure hydrogen gas.
Additionally, studies on a design coefficient for high pressure gas equipment and its application to hydrogen stations were conducted in order to enable more rational design of high pressure gas equipment.
The followings are major findings of the studies.
 
(i) By assuring material characteristics and fatigue characteristics sufficient to withstand application in high pressure hydrogen atmosphere, the material selection criteria for pressure parts of high pressure gas equipment (e.g. pipeline, pipe joints, master valves of accumulators, etc.) of a 70MPa hydrogen filling station, through which compressed hydrogen gas passes, were established to be specified in Exemplified Standards for General High Pressure Gas Safety Regulations. For SUS316 and SUS316L, based on the material selection criteria, we established and proposed ranges of contraction of area, Ni equivalent, normal operation pressure and operation temperature, which were reflected in the amendment of Exemplified Standards for General High Pressure Gas Safety Regulations.

(ii) Following the development of high pressure gaseous hydrogen storage and filling technologies, the studies on the methods of design verification test and assembly test were conducted in order to assure safety of tanks for hydrogen transport vehicles. We provided JPEC with advice on the establishment of the draft of the exemplified standard for tanks for 45MPa compressed hydrogen gas transport vehicles, which is based on JIGA-T-S/12/04.

(iii) We proposed to adopt ASME Sec.X Appendix 8 as the basis for drafting the guideline to apply for special approval for composite containers used as parts of accumulators for hydrogen stations. We provided advice and recommendations for the study by JPEC on documents conducive to the establishment of the guideline for composite containers for accumulators in hydrogen stations. Also, we provided suggestions as to the design and manufacture of small or midsized composite containers, the establishment of testing plan and the evaluation of test results, which were conducted by Tokyo University and JPEC, and thereby we established the design guide for assuring the soundness related to the pressure fatigue life of accumulators. Additionally, we performed fatigue and stress rupture testing of CFRP, which serve as a foundation for design standards of CFRP composite containers, and improved the data.

(iv) The study on the application of KHKS0220 (Standard for Ultrahigh-pressure Equipment), whose design coefficient is the smallest among the standards adopted in Japan, to hydrogen stations was conducted. In accordance with the result of the study, we proposed to divide into two cases depending on the effects of hydrogen. The one is to design according to KHKS 0220 using the data obtained in the atmosphere as is conventionally done, and the other is to design according to KHKS 0220 using the data in hydrogen atmosphere. For the former case, we found it necessary to confirm under the design condition that hydrogen has no effect on material and fatigue characteristics if a LBB condition occurs, and no effects on material, fatigue and fatigue crack growth characteristics in case a LBB condition doesn’t occur. Also, based on the results of SSRT, fatigue test and fatigue crack growth test, we presented the specific design condition, under which there’s no effect of hydrogen, for cold forming materials of SUS316 and SUS316L.
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