<1> 燃料電池自動車に係る安全技術研究 2005 年 2 月 11 日 ( 財 ) 日本自動車研究所 1 事業の目標! 高圧ガス保安法に係わる圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の例示基準 ( 技術基準 ) を策定する! 道路運送車両法, 道路法および消防法の見直しに資するデータを取得する 2

(1)

第１回「水素安全利用等基盤技術開発」（中間評価）分科会

資料 6(1)

資料 6(1) プロジェクトの詳細説明

A-1 車両関連機器に係わる安全技術

・<1>燃料電池自動車に係る安全技術研究（実施者：財団法人日本自動車研究所）

(2)

1

2005年2月11日

（財）日本自動車研究所

事業の目標

!

高圧ガス保安法に係わる圧縮水素自動車燃

料装置用容器および附属品の例示基準（技

術基準）を策定する。

!

道路運送車両法，道路法および消防法の見

直しに資するデータを取得する。

(3)

3

実施内容

!

高圧容器の安全性評価　

および例示基準策定

!

バルブ等の安全性評価

!

容器の高圧化・容量拡大に

対する安全性評価

!

液化水素貯蔵タンクの安全

性評価

!

充填コネクタの安全性評価

!

車両の保安基準策定のた

めの安全性評価

!

水素ガス漏れ検知手段の

開発

!

トンネル内事故時の安全性

評価

!

地下駐車場等での火災安

全性評価

!

その他の水素貯蔵タンクの

安全性評価

!

水素安全の国際基準策定

の動向調査

高圧ガス保安法

道路運送車両法

道路法

消防法

全般

実施体制および審議内容

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

（財）日本自動車研究所（JARI）

圧縮水素自動車燃料装置用容器等

例示基準案検討委員会

例示基準案作成ﾀｽｸﾌｫｰｽ

例示基準案実証試験ﾀｽｸﾌｫｰｽ

高圧ガス保安協会

燃料電池ｼｽﾃﾑ技術基準調査委員会

高圧ガス容器規格検討委員会

JARI JARI JARI JARI技術基準技術基準技術基準技術基準審議経過審議経過審議経過審議経過圧縮水素容器・附属品：高圧ガス保安法車両：道路運送車両法（国土交通省） ①圧縮水素容器 ③容器安全弁（PRD) ②止弁充填コネクタ圧力調整弁高圧ガス保安法の対象範囲燃料電池自動車（圧縮水素自動車の一例）

審議内容（対象とする規制の再点検項目）

（再点検項目N0.7,9）

・容器の例示基準および高圧化・容量拡大

（再点検項目N0.8）

・容器用バルブの例示基準

（再点検項目N0.10）

・容器再検査周期および車載状態での検査

JARI技術基準（例示基準案）の対象範囲

(4)

5 年 2003年 2004年月 /日 10/23 11/14 11/27 12/12 12/25 1/27 3/10 3/15 3/25 6/14 6/17 6/24 8/4 9/1 9/15 9/24 10/6 開催時間 13:30 ～ 16:00 13:30 ～ 17:00 10:00 ～ 12:15 13:30 ～ 17:00 10:00 ～ 12:00 13:30 ～ 15:30 13:30 ～ 16:30 10:30 ～ 16:00 13:00 ～ 15:00 13:30 ～ 16:45 13:30 ～ 17:30 14:00 ～ 16:00 13:30 ～ 18:00 15:00 ～ 17:30 13:30 ～ 15:15 13:30 ～ 15:30 10:00 ～ 12:15 検討委員会作成 TF 実証試験 TF 第１回第２回第３回第１回第２回第３回第１回第２回第４回第３回第５回第４回第５回第７回第６回第４回第８回第９回

審議スケジュール

委員構成

検討委員会

　委員長：石谷教授（慶応大学）、委員24名（産学官）、オブザーバ：24名

作成TF

　委員36名（産学官）

実証試験TF

　委員20名（産学官）

_{高圧ガス容器規格検討委員会}

（11月2日開催）

規制再点検項目に対する取り組み結果

（再点検項目N0.7,9）

・容器の例示基準および高圧化・容量拡大

（再点検項目N0.8）

・容器用バルブの例示基準

（再点検項目N0.10）

・容器再検査周期および車載状態での検査

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

35MPa容器・附属品

技術基準策定

車検期間にあわせて、車載状態

での容器再検査が可能

(5)

7

高圧容器および附属品（バルブ）

－技術基準審議結果－

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

2004年12月1日承認

容器および容器付属品の技術基準策定における前提

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

＜参照例示基準＞

　容　器：圧縮天然ガス自動車燃料装置用容器の

　　　　　　技術基準の解釈（別添9）

　付属品：付属品の技術基準の解釈（別添１０）

＜対象容器＞

　Type-3（金属ライナー、VH3)

　Type-4（プラスチックライナー、VH4)

＜材料＞

　水素脆化に対しては、実験および文献データなどをもと

　に影響が小さいものを認定する。

＜技術革新＞

　技術革新に対応できる基準（事前評価委員会）とする

(6)

9

水素ガス透過試験

Type-4容器の水素透過 0 10000 20000 30000 40000 0 100 200 300 400 500 600 時間 [hr] 水素濃度 [ ppm] 0 0.5 1 1.5 2 透過量 [ c m 3/ hr/L ] 水素濃度透過量テストチャンバ Type-3容器（40L）　　　　Type-4容器（65L）供試容器 Type-3容器の水素透過 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 時間 [hr] 水素濃度 [ ppm] 0 0.25 0.5 0.75 1 透過量 [ c m 3/ hr/ L] 水素濃度透過量 Type-3容器の水素透過は殆どない。 Type-4容器の500時間後の水素透過：1.02[cm3_/hr/L] Type-3容器（40L）　　　　　　Type-4容器（65L）水素透過量国際基準の動向・ISO/CD15869 　：判定基準：1.0[cm3_/hr/L] ・EIHP Rev.12b 　：判定基準：1.0[cm3/hr/L] ・HGV2Rev.12-03 ：判定基準：2.0[cm3/hr/L] （・別添９（天然ガス）：判定基準：0.25[cm3/hr/L] ) ガレージでの換気率を考慮した安全率・透過量：1.0[cm3/hr/L]　→4400 ・透過量：2.0[cm3/hr/L]　→2200

Type-4容器の技術基準での判定値：

2.0[cm

3

_/hr/L]

透過量：1[cm3_/hr/L]

水素ガスサイクル試験

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 100 200 300 400 500 600 700 Time[sec] Pr e ss u re [M Pa] 蓄ガスユニット供試容器圧力波形バルブ側　　　　　　　　　テイル側容器内部の状況（Type-4,水素,1000サイクル後）放電などによる異常無し天然ガス容器の天然ガスサイクル試験法を水素ガスサイクル試験として実施した結果 1,000サイクル実施後の容器内部の損傷：無 Type-4容器 Type-3容器試験容器：Type-3容器　　　　　　　Type-4容器試験ガス：水素、天然ガスサイクル数：1000サイクル

Type-4容器を対象とし、1000サイクル

の水素ガスサイクル試験を2MPa以下

～最高充てん圧力間で実施

(7)

11

許容欠陥確認試験

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

許容欠陥確認試験の状況（Type-3容器：34L）漏洩の状況(試験終了) 0.0 0.0 0.0 0.0 25.0 25.025.0 25.0 50.0 50.050.0 50.0 75.0 75.075.0 75.0 100.0 100.0 100.0 100.0 0.0 0.0 0.0 0.0 30.030.030.030.0 60.060.060.060.0 90.090.090.090.0 120.0120.0120.0120.0 150.0150.0150.0150.0 Time[sec] Time[sec] Time[sec] Time[sec] Pr e s su re [M Pa ] Pr e s su re [M Pa ] Pr e s su re [M Pa ] Pr e s su re [M Pa ] 許容欠陥確認試験時の圧力サイクル線図 FP35MPa×1.25≒44MPa の繰返し圧力ｻｲｸﾙ LBB状態での水の漏洩傷深さ：0.3[mm]の場合、約8000回でﾘｰｸ〃：0.15[mm]の場合、約13000回でﾘｰｸ欠陥傷の深さ：0.1, 0.15, 0.2, 0.3[mm] 　　〃　　長さ：25[mm] 欠陥傷（0.3[mm]) ライナー内側　　　　　　　ライナー外側リーク発生部位の破面計算値に対し差異がみられる亀裂進展により傷が外面に到達亀裂進展速度は水素雰囲気下での値を使用する水素雰囲気下での材料特性 1μm 1μm 12

容器ボス部の結晶粒径（その1）

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

容器胴部の大口径化に伴い、容器ボス部の結晶の粗粒化と、粗粒化に伴う強度低下が想定される。そこで、容器ボス部の結晶粒の状況を調査する。容器胴部直径：400[mm]　　　　　　容器胴部直径：600[mm]　容器ボス部の結晶粒の状況現行の容器に関しては、胴部直径がボス部粗粒化に及ぼす影響は少ないボス部の結晶粒は部位ごとに異なりさらに扁平化しているため、粒径を規定することは困難 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 5 0. 2% 耐力／ＭＰ a 8.4×10-4 8.4×10-4(平均) 8.4×10-5 8.4×10-5(平均) 歪速度　strain/sec 小　←　　　　　結晶粒径　　　　　→　大結晶の粗粒化への対応が必要粗粒化すると強度が低下する

(8)

13

容器ボス部の結晶粒径（その2）

容器片からの試験片切り出し例（1/2 カット容器片：容器口金部∼肩部∼胴部）試験片を切り出す位置Ａ試験片を切り出す位置 B 2 20 12.5 2.5 4 24 20 4.0 6 36 30 6.0 8 54 45 9 Small-size 10 75 62.5 12.5 Standard 最小首部半径(mm) 最小並行部長さ(mm) 標点間距離(mm) 直径 (mm) 高圧容器の技術基準に追加試験片寸法結晶粒径→強度により判定材料試験により得られた耐力構造解析により得られた応力

＞

判定方法

材料規定（その1）

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

材料特性を高圧水素雰囲気－不活性

ガス・空気雰囲気について調査

材料特性の調査項目　・引張り特性　・疲労特性　・遅れ割れ特性　・疲労亀裂進展特性文献調査：JARI 実験：（財）金属系材料研究開発センター（JRCM）優先実施する試験材料　ステンレス鋼：SUS 316L 　アルミニウム合金：A6061-T6 　銅合金：C3771（附属品用）文献等による調査対象材料　ステンレス鋼：SUS 304, 304L, 316, 316Lなど　アルミニウム合金：A6061-T6, A7071など材料の選定・絞込み試験による特性確認（JRCMにて実施）規格材料と同等材料の調査・整理 50 50 50 50 100100100100 150150150150 200200200200 250250250250 300300300300 0.0 0.00.0 0.0 0.2 0.20.2 0.2 0.4 0.40.4 0.4 0.6 0.60.6 0.6 0.8 0.80.8 0.8 1.0 1.01.0 1.0 1.2 1.21.2 1.2 316NG 316L 316LN 316 316(S) 304L 304 304(S) R el a tive R ed u ction o f A rea (H y d rogen/ H el ium ) Temperature (K) 水素が相対絞り率に及ぼす影響ステンレス鋼 SUS 316Lは水素の影響が少ない 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Strain (%) 0 100 200 300 400 500 600 700 S tre s s (M P a ) Air(3x10-5) Hydrogen(3x10-6) Hydrogen(3x10-5) Hydrogen(8x10-5) Hydrogen(8x10-5) SUS316L R.T. Air(3x10-5) Hydrogen(3x10-5) Hydrogen (3x10-6) 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 1 10 100 SUS316L疲労き裂伝播 SUS316L疲労き裂伝播SUS316L疲労き裂伝播 SUS316L疲労き裂伝播水素中１水素中２水素中３大気中水素中４ da/dN / m/ cycle ΔＫ / MPa・m1/2 SUS 316Lの疲労亀裂伝播 SUS 316Lの応力－ひずみ特性規格材料　ステンレス鋼：SUS 316L 　アルミニウム合金：A6061（T6）

(9)

15

策定した容器基準の概要（まとめ）

高圧容器の安全性評価および例示基準策定

SUS316L，A6061T6の水素雰囲気下でのき裂進展速度を使用して計算する第19条　（設計確認試験における許容欠陥確認試験）サイクル数：1,000回第17条　（設計確認試験における水素ガスサイクル試験）・水素ガスの透過率：容器の内容積1L当たり毎時間当たり2 cm3未満　試験ガス：水素ガスのみ第15条　（設計確認試験におけるガス透過試験）・垂直落下試験では，｢容器の最低部は床面から35mm以上｣第14条　（設計確認試験における落下試験）・容器に充てんするガスの種類：水素ガス第13条　（設計確認試験における火炎暴露試験）・サイクル試験の圧力下限値：2MPa以下の圧力第11条　（設計確認試験における常温サイクル試験）・容器のボス部又はその近傍の材料の耐力を測定等により確認第８条　（設計確認試験における設計検査）内容積360L以下（容積360L以上の容器はKHKの事前評価委員会の審査で対応）最高充てん圧力35MPa以下第７条　（容器検査）自緊処理は，適切な圧力で行うこと第６条　（加工及び熱処理の方法）最高充てん圧力の1.5倍の圧力で降伏を起こさない第４条　（肉厚） SUS316L，A6061T6 第３条　（材料）繊維の応力比：2.25 第２条　（用語）「刻印等において示された年月日の前日から起算して15年を経過した日年又は15年を超えない範囲内において容器製造業者が定めた日から充てんしないものとして製造された容器」 VH3，VH4に限定第１条　（適用範囲）内容　省令改正後に例示基準としてパブリックコメント募集課題：さらなる高圧化への対応、使用材料の拡大を視野に入れた規定材料試験法の検討

トンネル内事故時の安全性評価

目的

トンネル内でのトレーラー等の輸送規制量である60m

3

_{の水素が漏洩した}

時の拡散状況を予測し規制見直しのための基礎データを得る

トンネル本坑

計算対象

換気設備

電気集じん器

漏洩水素の滞留箇所，滞留時間

流入する水素濃度

＜参考＞

主な規制対象トンネル：全24トンネル

・水底トンネル：

　　　東京港トンネル、東京港アクアトンネル、関門トンネルなど　（計15トンネル）

・長大トンネル

　　　関越トンネル、恵那山トンネル、千代田トンネルなど（計9トンネル）

(10)

17

5%

2%

10m

4.5m

10m

7m

馬蹄形，拝み勾配矩形，谷勾配水素漏洩車両（１台）後続車両（４台）進行方向

長大模擬トンネル

水底模擬トンネル

縦断勾配，断面形状など代表的なトンネル構造

2%

5%

片側2車線一方通行　　　車両は全て停止状態 2m/s 1m/s 0m/s 0m/s 換気速度 60m3_/min 60m3_/min 60m3_/min 60m3_/min 水素平均漏れ速度 4 3 2 1 ケーストンネル換気の影響 ■　トンネル断面形状による影響備考長大模擬トンネル長大模擬トンネル水底模擬トンネル長大模擬トンネルトンネル形状

解析条件

92sec後

412sec後

1192sec後

赤色の領域が可燃下限界（4%）以上

92sec後

412sec後

トンネル断面形状の影響

拝み勾配を有する天井付近には水素が滞留し

ケース１　：　長大模擬トンネル，水素平均漏洩速度60m3_/min ケース２　：　水底模擬トンネル，水素平均漏洩速度60m3_/min

長大模擬トンネル

水底模擬トンネル

1192sec後

水素濃度体積分率可燃下限界（4%）以上

トンネル内事故時の安全性評価

計算結果（トンネル断面形状の影響）

(11)

19

トンネル内事故時の安全性評価

計算結果（換気の影響）

換気の影響

1m/s

2m/s

0m/s

水素濃度体積分率

換気風速

水素は漏洩箇所から取り除かれる

ケース３　：　水素平均漏洩速度60m3_/min，_{換気風速1m/s} ケース４　：　水素平均漏洩速度60m3_/min，_{換気風速2m/s}

青い領域以外が可燃下限界（4%）以上

23sec後

52sec後

可燃下限界（4%）以上ケース１　：　水素平均漏洩速度60m3_/min，_{換気風速0m/s}

谷勾配を有するトンネルでは漏洩箇所から除去される。

拝み勾配を有するトンネルでは消失には時間を要する。

換気風速の存在下で水素は漏洩箇所から取り除かれる。

まとめ

今後の予定

長大・水底トンネル等の危険物積載車両の通行規制の

見直しに向けてのより幅広い知見を得る。

実際に通行規制されているトンネル形状をモデルにしたシミュレーション

■　トンネル内輸送規制量60m

3

_{の水素の漏洩}

トンネル内事故時の安全性評価

(12)

21

※目標達成を評価するための成果

中間目標(平成１６年末)

・35MPa対応の圧縮水素自動車燃料装置

用容器および附属品の例示基準（技術基

準）を策定する。

・道路運送車両法，道路法および消防法の

見直しに資するデータを取得する。

・高圧ガス保安法に係わる圧縮水素自動車

燃料装置用容器および附属品の例示基準

（技術基準）を策定する。

・道路運送車両法，道路法および消防法の

見直しに資するデータを取得する。

目標

特許(国内・海外）０件　論文６件　　口頭発表３件

特許、論文、口頭発表（件数）

達成度（自己評価）

・容器材料および水素透過量等の安全性の検討、高圧対応に向けた試験を短期間で実施し、これらのデータをもとに委員会活動を通して 35MPa対応の圧縮水素自動車燃料装置用容器および附属品の技術基準を策定し、高圧ガス保安協会の承認を得た。・トンネル内での水素漏洩解析等を実施し、道路法、道路運送車両法の保安基準および消防法の見直しに向けたデータを提供した。

成果概要

成果概要※

基準（目標に対する達成度イメージ）達成度期待水準を上回る優れた成果（110%以上） S 概ね期待どおりの成果（90%以上110%未満） A 期待を下回る成果(90%未満) B 期待を大きく下回る不満足な成果(70%未満) C