JP2019044890A

JP2019044890A - 高圧水素ガス用蓄圧器およびその製造方法

Info

Publication number: JP2019044890A
Application number: JP2017169591A
Authority: JP
Inventors: ▲高▼木　周作; 周作 ▲高▼木; Shusaku Takagi; 俊夫高野; Toshio Takano
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Container Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Container Co Ltd
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-22

Abstract

【課題】水素ステーションなどで使用することができる、安価な高圧水素ガス用蓄圧器を提供する。【解決手段】鋼製容器を備える高圧水素ガス用蓄圧器であって、前記鋼製容器が、深さ：０．１〜２．０ｍｍの凹部を有する、高圧水素ガス用蓄圧器。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水素ガス用蓄圧器およびその製造方法に関するものである。

ＣＯ₂排出問題を解決すると共に、エネルギー問題を解決可能な燃料電池自動車は、今後の新たな自動車として期待されている。この燃料電池自動車に搭載される水素収容容器については、高い強度と軽さの双方の条件を満たしつつ、水素が漏れることを防止する必要がある。このため、この車載用容器については、従来、アルミニウム合金等の水素脆化の恐れが少ない金属を用いた容器や、樹脂製のシリンダーライナに炭素繊維を巻いた容器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、水素を収容する容器としては、上記のような車載用容器以外に、燃料電池自動車に水素を供給するための水素ステーションに設置される蓄圧器もある。この水素ステーション用蓄圧器では車載用容器のように軽さを追い求める必要がないため、全体が鋼材で形成された蓄圧器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、Ｃｒ−Ｍｏ鋼製のライナの外周をＦＲＰ（fiber-reinforced plastic）で被覆し、高圧水素環境下において疲労亀裂進展速度を改善した高圧水素貯蔵用ＣｒＭｏ鋼ライナＦＲＰ容器が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００９−０２４２２５号公報特開２０１０−０３７６５５号公報特開２００９−２９３７９９号公報

ところで、水素ステーションでは燃料電池自動車に水素を短時間で供給する必要があるため、水素ステーション用蓄圧器は車載用容器に比べてより高い圧力で水素を蓄えておくことが求められる。また、水素ステーション用蓄圧器は、水素充填回数も圧倒的に多いため、車載用容器に比べて高い疲労特性が要求される。

しかし、特許文献１〜３の容器を用いて上述の水素ステーションの安全基準を達成するためには、重量が重くなるとともにコストが掛かってしまうという問題がある。すなわち、特許文献１で提案されているような、アルミニウム合金等のライナに炭素繊維を巻いた容器の場合、炭素繊維を厚く被覆する必要があり、コストが掛かってしまう。

また、特許文献２で提案されているような、全体が鋼材で形成された容器の場合、鋼材には水素脆化の問題があるため、鋼材をかなりの厚みに設定する必要があり、重量が重くなるとともにコストが掛かってしまう。

さらに、特許文献３のように、ライナ層材料に特殊な成分系のＣｒ−Ｍｏ鋼を用いた場合、素材コストが高くなってしまうため、容器コストが高くなるという問題がある。また、特許文献３に用いられているポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の炭素繊維を鋼製ライナに被覆した場合には、やはり炭素繊維を厚く被覆する必要がありコストがかかってしまう。

さて、蓄圧器の技術分野においては、疲労き裂が発生しない４倍耐圧設計もしくは疲労き裂進展速度を計算により予測し、安全率を考慮して蓄圧器設計を行うことが一般的である。しかし、この考え方で設計された蓄圧器は安全率が高く、高コストとなる。

そこで、蓄圧器の低コスト化のために、容器を疲労き裂発生限度ぎりぎりで設計することが考えられる。その場合には、使用中の容器に発生する疲労き裂をモニタリングし、き裂が発生したら使用を中止する、もしくは定期点検時にき裂長さを確認し、次回の点検までき裂が容器を貫通しないと判断されれば継続使用すればよいはずである。しかし、実際には、蓄圧器内面には熱処理時に発生した脱炭素層、素材に存在する介在物、加工疵等種々の疲労き裂発生候補箇所があり、疲労き裂発生位置の予測は困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水素ステーションなどで使用することができる、安価な高圧水素ガス用蓄圧器を提供することを目的とする。

本発明の要旨構成は、次のとおりである。

１．鋼製容器を備える高圧水素ガス用蓄圧器であって、
前記鋼製容器が、深さ：０．１〜２．０ｍｍの凹部を有する、高圧水素ガス用蓄圧器。

２．前記鋼製容器の表面に炭素繊維強化樹脂層を有する、上記１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

３．前記鋼製容器がシームレス鋼管からなる、上記１または２に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

４．前記鋼製容器がストレート形状であり、
該鋼製容器の両端が円盤状のプラグと円環状のグランドナットで封止されている、
上記１〜３のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。

５．上記１〜４のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法であって、
前記鋼製容器を機械加工することによって前記凹部を形成する、高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法。

６．上記１〜４のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法であって、
前記鋼製容器を放電加工することによって前記凹部を形成する、高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法。

本発明の高圧水素ガス用蓄圧器では、鋼製容器に凹部を設けることにより、蓄圧器の使用時に疲労き裂が発生する箇所が限定されため、前記凹部でき裂発生をモニタリングするのみで、疲労き裂の発生を確実に検知できる。そのため、蓄圧器仕様を最低限とした安価な蓄圧器を提供することができる。

高圧水素ガス用蓄圧器の構造の一例を示す断面模式図である。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な実施態様を示すものであり、本発明は以下の説明によって何ら限定されるものではない。

［高圧水素ガス用蓄圧器］
本発明の蓄圧器は、高圧水素ガス用蓄圧器であり、鋼製容器を備えている。前記高圧水素ガス用蓄圧器は、例えば、水素ステーション用蓄圧器として用いることができるが、それに限定されることなく、任意の用途で用いることができる。

本発明の高圧水素ガス用蓄圧器は、鋼製容器のみで構成されていてもよく、また、鋼製容器の表面の少なくとも一部に後述する炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）層を有していてもよい。より具体的には、一般的に蓄圧器は以下の４種類に大別されるが、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器はタイプ１〜３のいずれのタイプとすることもできる。
・タイプ１：金属製容器からなる蓄圧器。
・タイプ２：金属製容器（ライナ）＋ＣＦＲＰ（フープラップ）。
・タイプ３：金属製容器（ライナ）＋ＣＦＲＰ（フルラップ）。
・タイプ４：樹脂製容器（ライナ）＋ＣＦＲＰ（フルラップ）。

［鋼製容器］
上記鋼製容器の材質としては、特に限定されることなく任意の鋼を用いることができるが、低コスト化の観点からは低合金鋼製の容器を用いることが好ましく、特に、クロムモリブデン鋼ＪＩＳＳＣＭｓｔｅｅｌ、ニッケルクロムモリブデン鋼ＪＩＳＳＮＣＭｓｔｅｅｌ、マンガンクロム鋼ＪＩＳＳＭｎＣｓｔｅｅｌ、マンガン鋼ＪＩＳＳＭｎｓｔｅｅｌ、およびボロン添加鋼Ｎ２８ＣＢ、Ｎ３６ＣＢ、Ｎ４６ＣＢのうちいずれか１つを用いることが好ましい。中でも、材料強度との両立の観点からは、焼き入れ性を確保しやすいクロムモリブデン鋼もしくはニッケルクロムモリブデン鋼を用いることがより好ましい。例えば、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）は、Ｃ：０．３３〜０．３８質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．２０質量％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０質量％である。

蓄圧器に水素を収容する際には、素材の水素脆化を考慮する必要がある。したがって、水素脆化の観点からは、鋼製容器の引張強さＴＳを１１００ＭＰａ以下とすることが好ましく、９５０ＭＰａ以下とすることがより好ましい。

上記鋼製容器としては、特に限定されず、任意の方法で製造されたものを用いることができる。例えば、鋼材の内部をくり抜いて容器としたものであってもよく、鋼管を加工したものであってもよい。また、前記鋼管としては、電縫溶接鋼管やシームレス鋼管など、任意のものを用いることができるが、中でもシームレス鋼管からなる鋼製容器を用いることが好ましい。シームレス鋼管からなる鋼製容器は、くり抜きによって製造される鋼製容器に比べて靭性などの特性に優れることに加え、溶接部もないため、高圧水素ガス用蓄圧器の容器として極めて好適である。

［凹部］
本発明においては、上記鋼製容器が、表面に深さ：０．１〜２．０ｍｍの凹部を有している。上述したように、蓄圧器に用いられる鋼製容器には、熱処理時に発生した脱炭素層や、鋼中介在物、加工疵など、種々の疲労き裂発生候補箇所があるため、疲労き裂発生位置の予測することが困難である。これに対し本発明の高圧水素ガス用蓄圧器では、鋼製容器に凹部が設けられており、その部分における肉厚が他の部分よりも薄くなっているため、この凹部から優先的に疲労き裂が発生する。したがって、前記凹部でモニタリングするのみで、疲労き裂の発生を確実に検知できる。そのため、蓄圧器仕様を最低限とした安価な蓄圧器を提供することができる。

その際、上記凹部の深さ０．１ｍｍ未満では、該凹部よりも他の部分で先に疲労き裂が発生する場合があるため、き裂発生検知の精度が低い。そのため、前記凹部の深さは０．１ｍｍ以上とする。一方、前記凹部の深さが２．０ｍｍを超えると、鋼製容器の疲労寿命が極度に小さくなることが懸念される。そのため、前記凹部の深さを２．０ｍｍ以下とする。

上記凹部の位置は、鋼製容器の圧力保持部であれば特に限定されず、任意の位置とすることができる。例えば、鋼製容器が両端にプラグを供える構造の場合には、前記プラグ間に前記凹部を設ければよい。また、疲労き裂を検出しやすくするという観点からは、鋼製容器の長手方向中央部、具体的には、鋼製容器の両端部から（プラグを用いている場合にはプラグから）１５０ｍｍ以上離れた位置（長手方向中央側）とすることが好ましい。また、前記凹部は鋼製容器の外表面と内表面のいずれに設けることもできるが、一般的には鋼製容器の内面側にかかる応力の方が外面側よりも高く、疲労き裂は内側から発生する傾向があるため、内表面に設けることが好ましい。

前記凹部の形状は特に限定されず、任意の形状とすることができる。例えば、点状の凹部（窪み、穴）や、線状の凹部（溝）などとすることができる。点状の凹部は応力集中がさほど大きくないため、より好ましい。

前記凹部の寸法は特に限定されず、任意の寸法とすることができる。一般的には、脱炭層の深さは百μｍ程度、介在物の大きさは数十μｍであるため、また、疲労き裂検知の容易さの観点からも前記凹部の深さを０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。また、万一き裂が発生した場合の容器の寿命の観点から、凹部深さ１．０ｍｍ以下、幅１ｍｍ未満とすることが好ましい。また、凹部を線状とする場合には鋼製容器の長手方向と平行な方向に導入することが好ましく、凹部の長さは深さの２倍〜３倍とすることが好ましい。凹部を点状とする場合には、半径０．１〜１．０ｍｍの半球状とすることが好ましく、半径０．２〜０．５ｍｍの半球状とすることがより好ましい。

また、上記の目的から、１つの鋼製容器に設ける凹部は１つとすることが好ましい。

上記凹部は、任意の方法で形成することができ、例えば、機械加工や放電加工によって形成できる。

［炭素繊維強化樹脂層］
上記鋼製容器の表面には、炭素繊維強化樹脂層を設けることができる。炭素繊維強化樹脂層は、強化材に炭素繊維を用い、これに樹脂を含浸させて強度を向上させた複合材料であり、ＣＦＲＰ（carbon-fiber-reinforced plastic）と呼ばれている。前記炭素繊維強化樹脂層を設けることにより、蓄圧器の耐圧性および疲労特性をさらに向上させることができる。前記炭素繊維強化樹脂層は、鋼製容器の外周面の全域もしくは一部を覆うことができるが、低コスト化の観点からは容器の周方向のみに炭素繊維を巻き付けたタイプ２容器とすることが好ましい。なお、炭素繊維強化樹脂層を用いる場合、前記鋼製容器は「ライナ」と称される。

前記炭素繊維としては、特に限定されることなく、例えば、ＰＡＮ系、ピッチ系など、任意のものを用いることができる。炭素繊維強化樹脂層における炭素繊維の体積含有率は、日本工業規格ＪＩＳＫ７０７５（１９９１）に準拠して求めることができ、通常５０％〜８０％の範囲とすることが好ましい。

［防食層］
また、繊維強化型炭素繊維との複合容器とする場合には、鋼製ライナの外周面に電蝕防止のための防食層、例えば粉体塗装を施す、もしくはガラス強化型樹脂（ＧＦＲＰ）をワインディングすることが好ましい。これにより、表層である炭素繊維強化樹脂層にクラック等が発生して、水分が炭素繊維層中に侵入してきてもＧＦＲＰ層にとどまるため、ライナ層に行きつかずライナが腐食しづらい。また、万一ライナ層に行きついたとしても、炭素繊維強化樹脂層とライナ層が隔絶しているため、電蝕が発生しないため、腐食速度が遅く、容器の劣化がしづらい。さらに、ＣＦＲＰ上層にＧＦＲＰ層をワインディングすれば、ＧＦＲＰはＣＦＲＰよりも軟質であるため、小石等での疵付きも防止できる。粉体塗装には、塩化ビニル系樹脂等をベースとする熱可塑性粉体塗料や、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂およびエポキシ樹脂等をベースとする熱硬化性粉体塗料を用いることができる。本発明では、水素充填時の熱等を考慮して、熱硬化性粉体塗料を用いるのが好ましい。

［疲労き裂の検知］
本発明の高圧水素ガス用蓄圧器を使用する際には、凹部における疲労き裂の発生をモニターすることが好ましい。疲労き裂の検知は、特に限定されず、任意の検知手段を用いて行うことができる。例えば、アコースティックエミッションセンサーを凹部近傍に設置して信号を検知する方法や、ひずみゲージを凹部近傍に設置してひずみの変化を検知する方法が挙げられる。蓄圧器が炭素繊維強化樹脂層を備える場合、前記検知手段は、検出感度の観点からは、鋼製容器に直接設置することが好ましいが、施工の容易さから、該炭素繊維強化樹脂層の表面または内部に設置することもできる。

凹部を有する高圧水素ガス用蓄圧器を作製し、疲労試験を行ってリークが発生する位置を確認した。具体的な手順は以下のとおりとした。

高圧水素ガス用蓄圧器としては、タイプ１とタイプ２の両者を作製した。タイプ１の蓄圧器として用いる鋼製容器は、低合金鋼製の継ぎ目無し鋼管を内面研削して作製した。タイプ２の蓄圧器は、タイプ１と同様の低合金鋼製の継ぎ目無し鋼管を内面研削して鋼製容器（ライナ）とし、該鋼製容器の外周に厚さ２ｍｍとなるようにＰＡＮ系ＣＦＲＰを巻き付けて作製した。タイプ１、タイプ２のいずれの蓄圧器においても、鋼製容器の寸法は、水素貯蔵部長さ１０００ｍｍ、外径２４０ｍｍ、肉厚２０ｍｍとした。鋼製容器の低合金鋼に対しては、焼き入れ焼き戻しの熱処理を施し、引張強さ（ＴＳ）が９００ＭＰａ程度となるように調整した。また、タイプ１蓄圧器の両端は、スピニング加工により絞った鏡部を持つ形状とし、タイプ２蓄圧器の鋼製容器両端は、円盤状のプラグと円環状のグランドナットにより封止した形状とした。

上記蓄圧器の鋼製容器の内面、長手方向中央部に凹部を形成した。前記凹部としては、幅０．５ｍｍ、深さ１ｍｍ、長さ２ｍｍの円弧状に機械加工をしたものと、幅０．２ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、長さ１．０ｍｍの円弧状に放電加工したものを作製した。また、比較のために、凹部を形成しない以外は上記実施例と同じ条件で蓄圧器を作製した。

上記の手順で、各条件の蓄圧器を５本ずつ作製し（ｎ＝５）、疲労試験を行って、疲労き裂が進展しライナを貫通する位置を調査した。前記疲労試験は、水圧で最低圧力２ＭＰａ、最高圧力９０ＭＰａの条件で実施し、その際にリークが発生した位置すなわち疲労破壊発生位置を確認した。表１に結果を示す。なお、表１では、鋼製容器の長手方向に垂直な断面における疲労破壊発生位置を、凹部を「０時」とした角度で表した。

表１に示したように、本願発明の条件を満たす高圧水素ガス用蓄圧器では、凹部からのみリークが発生、すなわち疲労破壊した。したがって、このように人工的に制御された凹部を形成することにより、疲労き裂をモニタリングする位置を限定することができ、その結果、低コストで安全性を確保した容器が作製できる。

１高圧水素ガス用蓄圧器
１０鋼製容器
１１凹部
２０プラグ
３０グランドナット
４０炭素繊維強化樹脂層

Claims

鋼製容器を備える高圧水素ガス用蓄圧器であって、
前記鋼製容器が、深さ：０．１〜２．０ｍｍの凹部を有する、高圧水素ガス用蓄圧器。
前記鋼製容器の外周に炭素繊維強化樹脂層を有する、請求項１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
前記鋼製容器がシームレス鋼管からなる、請求項１または２に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
前記鋼製容器がストレート形状であり、
該鋼製容器の両端が円盤状のプラグとグランドナットで封止されている、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法であって、
前記鋼製容器を機械加工することによって前記凹部を形成する、高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法であって、
前記鋼製容器を放電加工することによって前記凹部を形成する、高圧水素ガス用蓄圧器の製造方法。