成果報告書詳細
管理番号20130000000476
タイトル平成20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 水素ステーション機器要素技術に関する研究開発 都市型コンパクト水素ステーションの研究開発
公開日2013/10/29
報告書年度2013 - 2014
委託先名清水建設株式会社  岩谷産業株式会社
プロジェクト番号P08003
部署名新エネルギー部
和文要約平成20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 水素ステーション機器要素技術に関する研究開発 都市型コンパクト水素ステーションの研究開発

はじめに関連法規を踏まえたベースモデルを構築し、更なるコンパクト化として、蓄圧器、圧縮機等をキャノピー上、または地下に設置した場合また水素供給方式(オンサイト(水素製造設備あり)、オフサイト(トレーラーによる原料水素供給))を考慮した場合について検討した。
また、以下に示す安全性を向上させるための要素技術について検討した。爆風圧の反射波を低減できるエネルギー吸収壁として、壁面にて反射波の位相をずらして爆風圧の平滑化を行う手法を構築した。部分透過板の空隙率および部分透過板と壁面との距離を調整することにより、反射波の爆風圧を4割程度低減させることが可能であることが確認された。水素が漏洩・集積し、それに着火しても、その燃焼伝播を防止あるいは抑制し、被害を低減する、コンパクト水素ステーションのための水素燃焼制御システムを開発した。水素-空気の混合気体に窒素、二酸化炭素、ヘリウムなどの不活性ガスおよび微細な(平均粒径16ミクロン)水噴霧を加えると、燃焼の温度や圧力が相当小さくなることを実験により確認した。地下室のような半閉鎖空間に不活性気体を注入することにより、漏洩水素の着火を防止するのに加えて、排気筒から外気に放出した場合にステーションの近隣での着火を防止する安全濃度を保つという新しい概念の安全技術を構築した。H2、Air、CO2混合気について、燃焼を生じない安全濃度領域を明らかにした。
安全要素技術の構築を受け、実機への適用を検討した。原則として換気により水素漏洩時の滞留を防止するものとし、配管破断などの大規模漏洩時に対して安全性を確保できるよう各安全システムの適用を検討した。地下室内での着火・燃焼拡大を防止するため地下室全体に燃焼制御システムを適用し、高濃度な水素ガスが換気筒から外部に放出される際に、外部での燃焼・爆発を防止するため、放出ガスを不活性化することとした。また換気筒内に圧力低減板を設け、地下室内での爆発が生じた際に、換気筒から外部に放出される圧による周辺の被害を低減する構造とした。このうち換気システムと爆風圧低減システムについては効果を解析的に検証している。
安全性の検証として、蓄圧器および圧縮機の地下設置に際して、抽出された150件の事故シナリオ(FMEA143件、Hazop7件)に関し、多重防護安全対策(爆風圧低減システムおよび燃焼制御システム)を採用した場合のリスク評価を実施し、既存安全対策実施ケース(一般則第7条の3で採用されているような安全対策)と比べ、改善効果(H→M:1件、M(A2)→M(A3):31件)が得られた。
経済性の検証として、各建屋形式別土木・建築工事のコスト比較および各安全システムの導入コストを試算した。直接工事費において地上式(ベース配置)に対し、地下式は高額となったが、土地代を考慮した場合、地下式は地上式の約半分となることが確認できた。また安全システムについては、特殊ガス関係カードル・配管関係がコストの大半を占めているため、各システムの合理化を図る必要があることが明らかとなった。
多重防護安全システムの検出・作動条件となる水素漏洩検知システムに関する仕様、開発動向を調査し、既存の水素漏洩検知器をベースにシステム構築、問題点の洗い出しを行った。
英文要約Title: Development of Technologies for Hydrogen Production, Delivery and Storage Systems.Research and Development of Elemental Technologies for Hydrogen Station Components.Research and Development of Compact Hydrogen Station for Urban Areas Use (FY2008-FY2012) Final Report

In a trial design of compact hydrogen stations, we reviewed related laws and regulations to clarify the design prerequisites, and completed a basic layout (off-site type, a site area of 1200 square meters) of a hydrogen station on the basis of the prerequisites, and performed modeling and analysis of compacted hydrogen stations. Investigation to reduce further size in the over-ground, underground, on-site type, and off-site type was studied.
For the development of the energy absorption wall that can reduce the reflected blast wave, we developed the technique to delay the phase of the reflected blast wave on the wall and smooth the blast reflected pressure. It was confirmed that the reflected blast wave has been reduced by about 40% by adjusting the blockage ratio and the distance of the baffle plate and the wall.
Hydrogen combustion control system for compact hydrogen station was developed. It was confirmed by the experiment that the temperature and the pressure of combustion is small when inert gases such as nitrogen, carbon dioxide, and helium and fine water spray (average particle size 16 microns) were applied to the mixture of hydrogen and air.
In a study on the deactivation of hydrogen, the explosion limit of hydrogen/carbon-dioxide/air mixture was measured. The safe concentration of carbon-dioxide in the semi closed room has been determined.
The application of the following safety technology to compact hydrogen stations was studied.
(1) In order to prevent combustion and explosion outside, when high concentration hydrogen gas is emitted outside from a ventilation tube, inactivation system is installed (2) In order to prevent the propagation of combustion in underground room, water spray nozzles and helium gas injection ports are installed throughout the underground room. (3) In order to reduce the blast pressure, pressure reduction plates are installed inside the ventilation tube.
The effect of ventilation system and blast pressure reduction system was verified by numerical method.
The result of the risk analysis was improved to compare with the existing safety protections as well as the general high pressure safety standard.
Construction cost estimation of each type of compact hydrogen station was estimated. As a result, the underground type is a half times as low as the base model considering land rent in urban area. The cost of each safety system was estimated. It was found that the vessel and piping of inert or helium gas occupies the majority of cost.
The leakage detection system for hydrogen has been incorporated by the specification and development survey of the detecting and operating condition of the multiple safety protections.
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