106 確認された

使⽤可能範囲

^{基準化範囲拡大した}

試験片直径

不純物 O₂ CO CO₂ H₂O

仕様 ＜ 1 ＜ 1 ＜ 1 ＜ 3

Ni当量 Ni当量

82

70

常⽤の 圧

Ni当量

測定機器設置中

例⽰基準範囲

試験片表面

従来知見と予備試験結果を検討し標準寸法を選定 オーステナイト系ステンレス鋼：φ4mm以下 低合金鋼(SCM435・SNCM439等)：φ6mm

常⽤の温度 (℃) -40 -10 20 85

≧27.4%

≧28.5%

250

≧26.3%

-45

¹²⁰ ₇

試験片表面

ASTM G142(高温高圧水素中における材料の脆化評価 試験法)の試験片加工方法に準拠することが必要。

銅合金の例示基準化

①業界の要望

①業界の要望

水素ステーション建設のコストダウンのため、産業用水素設備等で使用実績の多い銅合金（C3771、

C3604) バルブの例示基準化の要望が強い

②銅合金の使用実績調査結果

産業用水素設備における使用実績を調査：-40℃～100℃＠22MPaで30年の複数実績例あり -10℃～100℃＠25MPaで製品出荷実績例あり

③耐水素性の評価結果

・常温での各圧力において、水素の 影響が無いことを確認

（右図C3771事例参照）

・大気中、-40℃～室温において、

水素の影響が無いことを確認

④例示基準化

・材料:JIS H3250 C3771及び

素 影響 を確認

C3604（銅合金）

・使用対象：圧縮水素が通る弁

・使用範囲：温度：-40℃～100℃

圧力：上限25MPa

・時期 ：平成26年4月施行

8

SUH660 の例示基準化

①業界の要望

高強度ステンレス鋼であるSUH660は充填ホース、充填ノズル、プレクーラ等の用途のニーズが高く、常温 及び低温での基準化の要望が強い

②例示基準化に向けた耐水素特性の確認

過去のNEDO鋼種拡大事業の結果を基に、更に使用温度範囲を拡大するため-45℃＠106MPa、50℃@115MPa の2点(●）について水素中の耐水素性特性（相対絞り）を測定して問題無いことを確認した （下図参照）

の2点(●）について水素中の耐水素性特性（相対絞り）を測定して問題無いことを確認した。（下図参照）

③SUH660の例示基準（案）

・材料：JISG4311及びJISG4312 SUH660の時効熱処理材

・使用場所:配管、弁、ノズル等

・使用範囲

温度：-45℃～50℃

圧力：上限82MPa

⇒例示基準化に向けて検討中

9

九州大学HYDROGENIUS 取組みの概要と年次計画

2013 2014 2015 2016 2017

水素先端科学基礎研究事業

（水素材料強度特性チーム）

2006 2012

水素利用技術研究開発事業

（金属材料部門）

（データ取得・データベース構築：水素の影響が小さい鋼）

SUS316(hi-Ni)(-45℃,106MPa), SUH660(-45℃,106MPa,50℃と120℃,115MPa)

XM19(HRX19) 業界・技術動向を

基礎研究・水素脆化の基本原理の解明

2006 ～2012

応用研究・データベース構築、事例解析 XM19(HRX19) 業界・技術動向を 踏まえて決定

（データ取得・データベース構築:水素の影響がある鋼）

SCM435 SNCM439 業界・技術動向を

2007 ～2012

規制見直し、使用材料拡大(2010～2012) SUS316(hi-Ni), SUH660, 6061-T6

JPEC, KHK

SC 35 S C 39 業界 技術動向を 踏まえて決定

（基礎研究）

破壊靭性メカニズムの解明（データベース構築へ）

35MPa蓄圧器(SCM435), 70MPa蓄圧器(SNCM439)の調査

JHFC, HySUT

有限寿命設計法の確立

耐水素脆性材料の探索（高Mnステンレス鋼など）

追加募集研究

2010 ～2012 岩谷産業(耐水素脆性高強度ステンレス鋼)

共和電業(高圧水素ガス用ひずみゲージ)

（国際標準への貢献）

CSA CHMC1 (GTR II)

HFCV用容器検討委員会規格WGに協力 国際標準への貢献

SAE J2579 (GTR Ⅰ) 自工会圧縮水素容器WGを支援

10 再委託研究機関： 産業技術総合研究所，物質・材料研究機構

規制見直しへのデータ取得：水素の影響が小さい鋼 XM19(HRX19) 高強度γステンレス鋼XM19（HRX19）の優れた耐水素性の検証

SSRT 疲労寿命 水素拡散 疲労き裂進展 破壊靭性

試験片作製本数 （ ） （ ）

試験計画と進捗状況

高強度γ 鋼 優 検

試験片作製本数 16 30 20（φ7），10（φ5） 14 13 試験済本数 7 12 0（φ7），0（φ5） 4 6

In 115 MPa H₂ In 95 MPa H₂ 旧サンプリング材 新サンプリング材

800 1000

HRX19

RT Air, SSRT 10^-5

10^-4

[m/cycle]

XM-19 (HRX19) In 115 MPa H₂

In air In 95 MPa H₂

In air

[m/cycle]

600 700

a]

HRX-19

B = 826MPa

◇:in air

○:in H

400 600

応力,  [MPa]

Air, 引張

10^-8 10^-7 10^-6

k growth rate da/dN 展速度，da/dN

400 500

力振幅,  a [MPa

R = -1 at RT 0.1Hz

0.2Hz

1Hz 0.5Hz

○:in H₂

0 200

0 5 10 15 20

応

ストロ ク変位[mm]

115MPa H₂, SSRT

10 100

10^-10 10^-9 10

Fatigue crack

5 200

疲労き裂進展

200 300

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

応力

疲労き裂進展特性 疲労寿命特性

応力変位線図

ストローク変位 [mm] ^{10 100}

Stress intensity factor range K [MPa ・ m^1/2]

5 200

応力拡大係数範囲，∆K [MPa･m^1/2] 破断繰返し数, N_f [cycles]

11

XM19 (HRX19)では，引張強さが800MPaを超えるにもかかわらず，SSRT特性，

疲労寿命特性および疲労き裂進展特性が高圧水素ガス中と大気中で同等．

規制見直しへのデータ取得：水素の影響がある鋼 SCM435 低合金鋼製水素蓄圧器の高圧化に向けて

SSRT 疲労寿命 CT (FCG) 破壊靱性 水素分析

試験計画と進捗状況

鋼製 蓄 高

試験片作成本数 16 30 14 13 10

試験済本数 3 7 2 0 0

Air 115

] _{予備熱処理 Air} MPa_MPa

H₂ σ_B

[MPa] 824 840

RTS 1.02

力，σ[MPa]

強度，σB[MPa ^{予備熱処理}

115MPa Air

幅，σa[MPa]

Φ[%] 72 30

RRA 0.42

応力

引張強 _H2 応力振幅

SSRT特性 熱処理条件の検討

ストローク変位[mm]

焼戻し温度，T [℃]

疲労寿命特性

破断繰返し数，Nf [cycles]

12

水素ステーションのコスト低減のためには，低合金鋼，炭素鋼の使用が不可欠

判定基準 ^* 設計

有限寿命設計法の確立：公式による設計と解析による設計

引張試験または

ミルシ トの絞り

×

^相対絞り_（RRA）

≥

^規格値

判定基準 設

公式による設計（引張強度）

σ

_B

SSRT 特性

（材料選択の基準＝絞り）

ミルシートの絞り

×

_（RRA）

≥

^規格値

(75 %) (0.8) 60 % S =

^B

σ

_allowable

= 3.5 ~ 4

許容応力の基準強度を引張強さとし，設計 係数 を に設定すれば 応力解析 係数Sを3.5 ~ 4に設定すれば，応力解析 のみで設計が可能

解析による設計（引張強度）

解析による設計（引張強度）

S = σ

_flow

= 2.4 σ

_allowable

疲労寿命特性

材料選択，応力解析，疲労強度解析，

疲労き裂進展解析，破壊前漏洩(LBB)解析

疲労寿命特性

高圧水素ガス _{ll bl} ：許容応力 _fl ： 流動応力[ = (_Y+_B)/2 ] SUS316L

公式による設計，解析による設計ともに

高圧水素ガス 中で疲労限度が 低下しない．

_allowable ：許容応力，_flow ： 流動応力[ (_Y+ _B)/2 ]

_Y ^{：降伏応力}



_w

13

公式による設計，解析による設計ともに 引張強度の確保が重要

*山田・小林，高圧ガス，49巻,10号, pp. 885-893 (2012)

考え方の提案：低合金鋼SCM435の試験結果と公式による設計

1000

1000 1000

600 800 1000

ress, [MPa]

N₂ H

SCM435 at RT 115MPa gas CHS = 0.002 mm/s

BN = 843 MPa

BH = 820 MPa

N = 73 %

 = 47 %

600 800 1000

ress,  [MPa] SCM435 at 233 K

115MPa gas CHS = 0.002 mm/s

BN = 898 MPa

BH = 886 MPa

N = 70 %

 = 36 %

N₂

600 800 1000

ress,  [MPa]

N2

H₂

SCM435 at 393 K 115MPa gas CHS = 0.002 mm/s

BN = 842 MPa

BH = 835 MPa

N = 72 %

 47 %

σ[MPa] σ[MPa] σ[MPa]

5 10 15

200 400

Nominal str 0 H₂ ^_{RTS = 0.97}^{H= 47 %}

RRA = 0.64

5 10 15

200 400

Nominal str 0 ^_{RTS = 0.99}^{H = 36 %}

RRA = 0.51

H₂

5 10 15

200 400

Nominal str 0 H = 47 % RTS = 0.99 RRA = 0.65

応力，σ 応力，σ 応力，σ

SSRT

特性

(a) −40 ºC (b) RT (c) 120 ºC

5 10 15

0 Stroke displacement [mm]

5 10 15

0 Stroke displacement [mm] 0 5 10 15

Stroke displacement [mm]

ストローク変位 [mm] ストローク変位 [mm] ストローク変位 [mm]

600

• 温度−40 ~ 120

^o

Cの115 MPa水素ガス中 で，引張強さσ

_B

は確保されている．

500 550 600

,  a [MPa]

○:In air, f = 1 Hz

●:In 115MPa H2 , f = 1 Hz

▲:In 115MPa H2, f = 0.1 Hz

■:In 115MPa H2, f = 0.01 Hz

[MPa]

• 115 MPa水素ガス中でも疲労限度σ

_w

は低下 しない．

350 400 450

tress amplitude,応力振幅，σa

安全係数4の公式による設計の可能性がある．

250 300

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

St

Number of cycles to failure, N_f [cycles]

SCM435 at RT R = -1 HV = 256

破断繰返し数，Nf [cycles]

14 疲労寿命特性

y f , _f[ y ]

水素材料データベースの構築と国内機関・メーカーへの提供

取得したデータをデータベース化，提供総数：762件（平成25年度以降：394件）

高圧ガス保安協会

石油エネルギー技術センター 自動車企業

規制見直し・使用材料拡大作業 FCVと水素ステーションの 低コスト化

高圧ガス保安協会

ドキュメント内 2 3 (ページ 35-39)