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成果報告書詳細
管理番号20180000000531
タイトル平成25年度ー平成29年度成果報告書 水素利用技術研究開発事業 燃料電池自動車及び水素ステーション用低コスト機器・システム等に関する研究開発 水素ステーションの高圧水素用ホースとシールシステムに関する研究開発
公開日2018/6/30
報告書年度2013 - 2017
委託先名一般社団法人水素供給利用技術協会 国立大学法人九州大学 一般財団法人化学物質評価研究機構 横浜ゴム株式会社 NOK株式会社 日本合成化学工業株式会社
プロジェクト番号P13002
部署名次世代電池・水素部
和文要約(1)樹脂製高圧水素用ホース・高圧水素シールシステムの開発
1.樹脂製高圧水素用ホースの開発
FCV普及初期において、水素ステーションディスペンサー用ホースとして1年間ノーメンテナンス使用可能となる-40℃、87.5MPa水素充填に対応した高圧水素用樹脂製ホースを開発した。ホース内面層疲労破壊を抑制する補強層構造設計により、目標となる耐圧・耐久性を満足するホース補強層構造を確立した。これにより、耐圧・耐久性能と軽量・柔軟化を両立し、従来技術と差別化した。ディスペンサー用ホースとして初の耐久性評価データを取得した。
従来樹脂の単層構造では内面樹脂に侵入した水素ガスにより発生したミクロボイドを起点として内面樹脂クラックが発生する現象を初めて検出した。この現象への対応のため、水素バリア機能を持つ樹脂を用いて2種2層内面樹脂を試作した。内面樹脂の水素耐性が向上することを確認した。
2.高圧水素シールシステムの開発
 水素機器に用いられる高圧水素シール用ゴム材料について、配合設計を行い作製したモデル配合ゴム材料について、高圧水素曝露後の水素侵入量、寸法変化をデータベースとしてまとめ、「日本ゴム協会水素機器用エラストマー材料研究分科会」にて議論し、情報共有した。水素ステーション機器用高圧水素シール材として使用されるゴム材料について、T40条件の低温でシール可能なゴム材としてエチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、常温でのシール材としてJIS B2401-1:2012 NBR-90材、180℃までの高温でのシール材としてフッ素ゴムを選定し、設定した標準配合の水素特性評価、トライボロジー特性評価を実施した。
 高圧水素シール用Oリングについて、90MPaの高圧水素の繰返し負荷による損傷発生条件を明らかにした。高つぶし率で表面損傷が抑制され、軽微な損傷を有するシールであってもシール機能が保持されていることを確認した。また、透過法による溶解水素量と昇温脱離法による侵入水素量との相関を確認し、透過法による溶解水素量の見積りが簡便な信頼性評価法として妥当であることを確認した。
 高圧水素環境でのOリングゴム材のはみ出し損傷について、バックアップリングを用いることで低減可能であることを確認した。

(2)樹脂製高圧水素用ホース・高圧水素シールシステムの評価基準に関する研究
1.樹脂製高圧水素用ホースの信頼性評価基準化
樹脂製高圧水素用ホースの耐久性評価基準を本事業で確立した。その際、本事業で確立した水素インパルス試験方法を本基準に盛り込んだ。作成に当たって、高圧ガス保安法や海外規格等を調査し、高圧水素用ホース基準化検討会でホースメーカやST運営企業など、広く意見交換を行うことにより、業界ニーズを反映した。
また、NEDO事業「水素ステーション機器における実用化技術の海外動向及び国際標準化動向に関する検討」と連携を図り、ISOTC197/WG22で検討中のISO19880-5 Draft International Standard(DIS)に反映させた。
2.高圧水素シールシステムの信頼性評価基準化
 高圧水素シール用ゴム材料の高圧水素曝露特性と相関する評価指標を探索し、引張応力が重要な評価指標の一つであることを見出した。また、透過法による溶解水素量と昇温脱離法による侵入水素量との相関を確認し、透過法による溶解水素量の見積りが簡便な信頼性評価法として妥当であることを確認した。
 Oリング溝、バックアップリングを含む高圧水素シールシステム設計指針を確立した。高圧水素シールシステムの設計は、シールが使用される水素機器の温度・圧力の変動などの使用環境を考慮して行う必要があることが判明した。
英文要約(1) Development of Hydrogen Fueling Hose and sealing system
1. Development of Hydrogen Fueling Hose
Reinforced plastic hoses for 87.5MPa hydrogen fueling at -40°C, which can use as hydrogen fueling hose of dispenser at HRS for one year durability in the early stage of the fuel cell vehicle market. Reinforcement structure of the hoses was developed to enhance fatigue strength of the inner plastic tube of the hose. The hoses were tested as hydrogen fueling hose. The hoses showed high pressure resistance, durability and flexibility.
According to the analysis of failed hose, the fatigue crack growth from the microvoid by means of penetrated hydrogen in the inner tube material was found. To avoid the microvoid production, prototype two-layer inner tube was manufactured. The effect of inner surface barrier layer for hydrogen penetration enabled to progress hydrogen resistance of the inner tube.
2. Development of Hydrogen sealing system
A Series of model rubber composites for high-pressure hydrogen seal materials was developed. Hydrogen uptake and volume change of model rubber composites after high-pressure hydrogen exposure of them were summarized as the database for hydrogen seal materials. The database was shared in the research group of the Society of Rubber Science and Technology, Japan”. Ethylene propylene rubber and silicone rubber for seal materials under T40 condition, NBR-90 (JIS B2401-1:2012) as seal materials at ambient temperature and fluorine-containing rubber as seal materials up to 180°C were selected as practical model compounds for the database.
According to the results of pressure cycle tests of rubber O-ring, failure condition of the O-ring was clarified. The O-ring maintained to seal after fracture occurred in the rubber composites of O-ring. Overflow fracture of the O-ring was able to reduce by means of backup rings in the O-ring groove.

(2) Standardization of Reliability Evaluation for hydrogen Fueling Hose and sealing system
1. Standardization of Reliability Evaluation for hydrogen Fueling Hose
We established the draft of durability evaluation standard for high pressure hydrogen hose was in this Prj. At that time, the hydrogen impulse test method established in this Prj. was included in this draft. In preparing the draft, we investigated technical standards of the domestic law and overseas standards and reflected industry needs by exchanging opinions of many members, such as hose manufacturers, HRS companies etc.
Also, we proposed the results of this Prj. to another NEDO Prj., and ISO/WG22 made ISO19880-5 DIS.
2.Standardization of Reliability Evaluation for hydrogen sealing system
Tensile properties of rubber composites were found to be a candidate for the hydrogen-proof test under conventional condition. The guidelines for hydrogen sealing system, which includes O-ring groove and backup rings, were established. The seal system design taking into account of pressure profile and temperature condition was important for hydrogen sealing system.
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