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成果報告書詳細
管理番号20180000000796
タイトル平成25年度―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供給インフラの国内規制適正化、国際基準調和・国際標準化に関する研究開発 水素ステーション用複合容器の供用中検査手法の研究開発
公開日2018/12/27
報告書年度2013 - 2017
委託先名千代田化工建設株式会社
プロジェクト番号P13002
部署名次世代電池・水素部
和文要約件名:平成25年度―平成29年度 水素利用技術研究開発事業 燃料電池自動車及び水素供給インフラの国内規制適正化、国際基準調和・国際標準化に関する研究開発 水素ステーション用複合圧力容器の供用中検査手法の研究開発

水素ステーションにおいては、運用/保守のコスト適正化のため、Type3-CFRP高圧タンク(以下、Type3容器と示す)の非破壊検査手法の確立が望まれている。Type3容器の供用中検査が可能な手法として非破壊検査手法の一つであるアコースティック・エミッション法(以下、AE)に着目した。Type3容器の負荷/サイクル条件がAE発生挙動に与える影響を把握するため、アルミライナー材に用いられているアルミ合金(A6061-T6)の試験片(以下、アルミ合金単体と示す)による疲労試験及び、Type3容器を用いた疲労試験を実施した。
アルミ合金単体の疲労試験の結果、応力振幅が140MPa以下(当該アルミ合金の耐力約280MPaを超えない応力範囲)の低負荷時は、試験方法(四点曲げや片振り/引張や圧縮/平板や砂時計型試験片など)に関わらず、破断までのサイクル数の約50%付近からAE振幅が上昇する傾向が見られた。一方、高負荷時は、試験初期から高振幅AEが発生するなどAE発生挙動が安定しない事象が見られた。ただし、最大応力が280MPaを超える条件の場合でも、(水素ステーションでの部分充填を想定して)応力振幅を小さくすると、1000万サイクルを超えても試験片は未破断であり、その試験中の高振幅AEは非常に少なかった。
Type3容器についても水圧疲労試験にAE計測を実施し、アルミ合金単体の疲労試験時のAE発生挙動と比較検討した。疲労寿命が約10万サイクルになる負荷条件を境界として、以下の(1)(2)に示す結果が得られ、Type3容器の疲労き裂をAE法で供用中に評価できる事が確認された。

(1) 低負荷/高サイクル条件(水素ステーションで使用時の疲労環境)
疲労進展に関係するAEの振幅値、振幅比およびAE発生数が疲労寿命の約50%程度から増加する。これらの、AEパラメータにより疲労進展を評価できることが分かった。

(2) 高負荷/低サイクル条件(疲労試験のN数を増やす目的の疲労環境)
疲労試験の負荷が高くなり疲労寿命が10万サイクル未満になるに従い、AE発生数は少なくなり、高振幅AEの発生時期も不安定になるため、振幅値だけでの評価は難しくなる。しかし、疲労進展に関係するAE波の200―300kHz周波数成分が増加することに着目し、その周波数成分の振幅値を100kHz以上の振幅値で除した「振幅比」を用いることで疲労進展を評価できる可能性が示唆される結果が得られた。
英文要約Title: Hydrogen Utilization Technology Development Development for Adequate Domestic Regulation, International Harmonization in Regulation and International Standard for Fuel Cell Vehicle and Hydrogen Infrastructure Development of In-service Inspection Method of Type III-CFRP Pressure Vessel for Hydrogen Stations (FY2013―FY2017)Final Report

Regarding hydrogen stations, it has been desired to establish a practical method regarding a non-destructive inspection for Type III-CFRP pressure vessel in consideration with operation and maintenance of the station. We found that an acoustic emission (AE) as one of the inspection method has relation with fatigue in aluminum alloy which is inner material of the vessel. In addition, a new parameter of AE has developed in order to emphasize acoustic phenomena with the fatigue, which may depend on manufacturing conditions of the vessel. We are trying to enhance the practical method by using AE through getting of more experimental data in order to evaluate the vessel.

In FY2017, fatigue experiments by using test specimens and pressure vessels were executed in consideration with conditions and operations of the stations. As a result of the experiments, advanced evaluation methods for Type III-CFRP pressure vessel were developed. It was found that phenomenon of acoustic emission which indicates fatigue depends on condition of operation loads and cycles.

Case-1: Low load (lower than design load) / High cycle condition (Fatigue environment in use at real hydrogen station.)
The low load was considered as actual operating condition in the station. An amplitude and the new parameter of AE indicate the fatigue progresses. They increased from around 50% of remaining life of the material. Therefore, the AE data can provide a clue to evaluate the conditions of Type III-CFRP pressure vessel without overhaul.

Case-2: High load (higher than design load) / Low cycle condition (Fatigue environment aimed at increasing the number of fatigue tests.)
The high load was over the actual operating conditions, but phenomena of AE under severe load was tried to confirm nevertheless. As a results, it was difficult to evaluate the fatigue based on amplitude of AE. Because it is few number of the occurrences and the occurred timing was not related with the fatigue progress. On the other hand, the new parameter of AE based on frequency band between 200 kHz and 300 kHz increased with the fatigue progresses.
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