成果報告書詳細
管理番号20130000000609
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 水素ステーション機器要素技術に関する研究開発 水素用アルミニウム材料の評価・開発
公開日2013/10/29
報告書年度2010 - 2012
委託先名国立大学法人茨城大学
プロジェクト番号P08003
部署名新エネルギー部
和文要約茨城大学では、古河スカイ株式会社、日本軽金属株式会社、株式会社神戸製鋼所とともに、平成21年度までにおもに研究開発してきた燃料電池自動車(FCV)用高圧水素タンクに加え、水素製造・輸送・貯蔵のための機器及びシステムの高性能化、軽量化、低コスト化及び長寿命化のための開発をさらに加速するために、この種の機器・部材に要求されるアルミニウム材料の開発を目指した。また、や水素インフラ(HIS)等の普及促進のために、高圧水素環境下で使用するアルミニウム材料の安全性・信頼性等に係る材料評価試験法開発および材料データ取得を行った。
茨城大学で得られたおもな成果は以下のとおりである。
(1) 内圧型の試験片を用いて、高圧水素環境下(現状では、ボンベ圧力以下)で引張・疲労試験を行える装置を製作した。この装置を用いて、日本軽金属(株)で作製した6種類の合金の特性評価を、10MPaの水素ガス中で行った。その結果、すべての合金が十分な耐水素脆性を示すことを確認した。
(2) 上記6種類の合金について、温度30℃、相対湿度90%の環境下、および基準不活性環境としての乾燥窒素ガス環境下で、引張試験および疲労試験を行い、耐水素脆化特性を評価した。その結果、いずれの合金も水素脆化を示さないことが分かった。
(3) 6061-T6および7075-T6材について、重水の蒸気を含む環境下で、疲労き裂進展試験および破壊靭性試験を途中まで行い、き裂前方から試片を採取し、昇温脱離分析を行ったが、き裂前方に水素(重水素)が侵入・濃化することは認められなかった。一方、き裂に引張荷重を負荷した状態で、陰極電解法により水素をチャージしたところ、7075では水素の侵入・濃化は見られなかったが、6061ではそれが検出された。
(4) き裂先端での水素の分布を明らかにすることはできなかった。無応力の状態で、水蒸気雰囲気や水素ガス環境からの水素の侵入・拡散を調べた。水素脆化が報告されている7075アルミニウム合金の主たる晶出第二相であるAl7Cu2Fe相は、水素の侵入および拡散を助長する効果があることが明らかになった。また、比較的大きな寸法のMgZn2相も水素の侵入サイトとなると考えられたが、MgZn2相はAl7Cu2Fe相よりも侵入を助長する効果が少ないことが分かった。
(5) グループ内での研究の進捗状況の確認、その後の研究計画の調整を密接に行った。また、事業の方向について外部の委員を交えての議論も行った。HYDROGENIUS(水素先端科学基礎研究事業)と連携し、これに必要な100MPa級の高圧水素中での試験のための材料提供に関わるなど、VH3複合容器のステーション蓄圧器への利用に関する規制緩和に貢献するとともに、ステーションにおけるアルミニウム材料の課題を抽出し、事業遂行に生かした。NEDO主催の水素系材料評価法に関する協議会に参画し、国際標準化や材料評価法の進展に貢献した。
本研究開発で得られた以上の成果を基に、新たに材料種拡大の基準策定を進めれば、2015年頃より市場投入予定のHISおよびFCVに、本研究開発で提案した材料が使用される可能性が大である。
英文要約In Ibaraki University, as well as 3 aluminum manufacturing companies, development has been aimed in aluminum materials required in such apparatuses and components as related to hydrogen production, transportation and storing, in addition to those required in high-pressure hydrogen tanks for fuel-cell vehicle (FCV), for the purpose of further acceleration of the development in raising the performance, lowering the weight, reducing the cost and extending the lifetime of the above tanks, apparatuses and components. The development of material evaluation methods and the acquisition of material data have also been conducted for the promotion of further spread of hydrogen infrastructure (HIS), etc. The major results achieved in Ibaraki University are summarized as follows.
(1) The device was fabricated with which tension and fatigue test under high-pressure hydrogen environment (currently below gas cylinder pressure) by using the hollow test piece where high-pressure gas can be filled inside. By using this device, test pieces of 6 alloys produced in Nippon Light Metal Company, Ltd. were tension- and fatigue-tested under hydrogen gas of 10MPa, with a result that all the alloys are insensitive to hydrogen embrittlement.
(2) The resistance to hydrogen embrittlement was also assessed by tensile and fatigue tests on the same alloys under air at 30oC with relative humidity of 90%. Again, all the alloys were insensitive to hydrogen embrittlement.
(3) Fatigue crack propagation and fracture toughness tests were carried out on test pieces of 6061-T6 and 7075-T6 materials under an air containing heavy-water vapor. By means of thermal desorption spectroscopy using samples cut from the region ahead of the crack prior to the fracture, invasion or accumulation of hydrogen ahead of the crack was not observed. When hydrogen was electrolytically charged on the cracked test pieces loaded with tensile stress, invasion or accumulation of hydrogen was observed not in 7075 alloy but in 6061 alloy.
(4) By means of tritium autoradiography, the invasion and diffusion behavior of hydrogen from water environment and hydrogen gas environment were investigated without stress loading. The Al7Cu2Fe and MgZn2 phases, main second phases in 7075 aluminum alloys where hydrogen embrittlement was reported, had an effect of promoting the invasion and diffusion of hydrogen. The MgZn2 phase had smaller effect in promoting the invasion than the Al7Cu2Fe.
(5) Contributions to the deregulation concerning the use of the VH3 composite container to pressure accumulators in hydrogen stations were performed in cooperation with JPEC and HYDROGENIUS. Contributions to the international standardization and the progress in the material evaluation method were also made by participating in the meeting concerning the evaluation method of the materials for hydrogen systems organized by NEDO.
The above results will strongly contribute to keep the launch schedule of FCVs and HISs.
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