JP2021148279A - 高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法、ガス供給システムの使用方法、及び、ガス供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガス供給システムに使用される高圧ガス容器の寿命を適切に管理して長寿命化を図る圧力サイクル寿命試験方法、また、高圧ガス容器の長寿命化を図ることが可能となるガス供給システムの使用方法、及び、ガス供給システムを提供する。【解決手段】高圧気体の充填及び放出に伴う種々の値の応力振幅が繰り返し作用する高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法であって、最大応力振幅σａを前記高圧ガス容器に作用させた後、連続的に応力振幅σｂを前記高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化とする応力振幅付与工程と、前記高圧ガス容器にサイクル疲労破壊による損傷の有無を確認する損傷確認工程と、前記損傷確認工程において前記高圧ガス容器に損傷が無いと判断された場合に、サイクル疲労破壊に対する前記応力振幅σｂによる影響はないと判断する判断工程とを備える高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法、高圧ガス容器を備えるガス供給システムの使用方法、及び、高圧ガス容器を備えるガス供給システムに関する。

近年、燃料電池自動車等の水素ガスを利用する車両（ 以下、単に「車両」という。） の開発が行われており、これに伴って車両のタンクに水素ガスを充填するための水素ステーション（ガス供給システム）の開発も進められている（例えば、特許文献１）。ガス供給システムは、図３に示すように、複数の高圧ガス容器２３１，２３２，２３３を有する高圧ガス容器ユニット２３と、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３に圧縮水素ガスを供給するガス送出部２１と、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３内の水素ガスを車両９のタンク９ａに供給する供給設備１１と、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３からタンク９ａへの水素ガスの充填順序を制御する制御部２９と、を備えるガス供給システムが開示されている。制御部２９は、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３を切り替えてタンク９ａに水素ガスを充填させる機能を有している。高圧ガス容器２３１は、タンク９ａの圧力（タンク９ａ内に充填されている水素ガスの圧力）が所定の低圧の範囲である低圧域内である場合に使用が開始され、高圧ガス容器２３３は、タンク９ａの圧力が、上記低圧域よりも幅が狭い所定の高圧の範囲である高圧域内である場合に使用が開始される。また、高圧ガス容器２３２は、タンク９ａの圧力が上記低圧域と上記高圧域との間の圧力の範囲である中圧域である場合に使用が開始される。

上記ガス供給システムの作動について、水素ガスの供給を受ける車両９のタンク９ａの水素ガス圧力が１０ＭＰａであり、このタンク９ａの水素ガス圧力が７０ＭＰａとなるまで水素ガスを充填する場合を例にとり以下説明する。ここで、高圧ガス容器２３１は、タンク９ａの圧力が圧力範囲０〜３０ＭＰａの場合に使用が開始され、高圧ガス容器２３２は、タンク９ａの圧力が圧力範囲３０〜５０ＭＰａの場合に使用が開始され、高圧ガス容器２３３は、タンク９ａの圧力が圧力範囲５０〜７０ＭＰａの場合に使用が開始されるとする。なお、高圧ガス（高圧の水素ガス）充填時における各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３の内部圧力は、いずれも例えば８５ＭＰａに設定されるとする。

車両９のタンク９ａの水素ガスの圧力を１０ＭＰａから７０ＭＰａとなるまで水素ガスを充填する場合、通常、高圧ガス容器２３１⇒高圧ガス容器２３２⇒高圧ガス容器２３３の順に高圧ガス容器を切り替える運用を行ってタンク９ａに高圧ガス（水素ガス）を充填させる。この時、高圧ガス容器２３１の圧力は、例えば８５ＭＰａから３０ＭＰａに低下し、高圧ガス容器２３２の圧力は、８５ＭＰａから５０ＭＰａに低下し、高圧ガス容器２３３の圧力は８５ＭＰａから７０ＭＰａに低下する。車両９のタンク９ａへの水素ガスの充填作業が完了した後、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３は、ガス送出部２１を介した高圧ガスの充填が行われ、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３の圧力が８５ＭＰａとなるまで水素ガスが充填される。

また、車両９のタンク９ａの水素ガスが５０ＭＰａであり、このタンク９ａの水素ガス圧力が７０ＭＰａとなるまで水素ガスを充填するような場合には、高圧ガス容器２３１，２３２を使用せずに、高圧ガス容器２３３のみを用いて、タンク９ａに対する水素ガスの充填が行われる。

また、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３に関し、例えば、低圧域で使用された高圧ガス容器２３１を中圧域での使用に切り替え、中圧域で使用された高圧ガス容器２３３を高圧域での使用に切り替え、高圧域で使用された高圧ガス容器２３２を低圧域での使用に切り替えるといった運用がなされる場合がある。

ここで、各高圧ガス容器は、高圧ガス（高圧の水素ガス）の充填と放出とが繰り返されるものであるため、この高圧ガスの充填と放出に伴う応力振幅が繰り返し作用することになる。このように繰り返しの応力振幅が作用する高圧ガス容器は、いわゆるサイクル疲労破壊の観点からそのサイクル寿命が管理されている。具体的には、高圧ガス容器に作用する圧力変動（高圧ガス（水素ガス）の充填と放出を１サイクルとした圧力変動）の回数が所定回数に達した場合に疲労寿命に達したと判定される。

上記所定回数は、ガス供給システムを運用する際に高圧ガス容器に作用すると想定される高圧ガスの充填と放出に伴う最大応力振幅σａに対応して設定される要求繰り返し数Ｎが一般的に採用される。また、高圧ガス容器は、実際の使用に先立ち、圧力サイクル寿命試験が実施される。この試験は、ガス供給システムを運用する際に高圧ガス容器に作用すると想定される高圧ガスの充填と放出に伴う最大応力振幅σａに対応する要求繰り返し数Ｎを設定すると共に、実際に、最大応力振幅σａの応力振幅を繰り返し高圧ガス容器に付与する試験を行い、この試験において最大応力振幅σａの繰り返し数（サイクル数）が、上記要求繰り返し数Ｎに達した場合であっても高圧ガス容器に破壊等の損傷が発生していないことを検証し、高圧ガス容器に損傷が生じていない場合に、試験に供した高圧ガス容器と同種の高圧ガス容器は、上記要求繰り返し数Ｎまでは使用できるものと判定し、ガス供給システムに使用される。なお、上記ガス供給システムの作動例においては、高圧ガス容器に作用すると想定される高圧ガスの充填と放出に伴う最大応力振幅σａは、８５ＭＰａとして設定される。

特開２０１６−１５３６５６号公報

しかしながら、上述のサイクル寿命管理手法では、サイクル疲労破壊に大きく影響する高圧ガス容器に作用する実際の応力振幅の大きさに関わらず、高圧ガスの充填と放出を１サイクルとしてサイクル数がカウントされるため、各高圧ガス容器の運用状況によっては、圧力変動（応力振幅）が小さい状態が続いても、要求繰り返し数Ｎに達したとして新規の高圧ガス容器に交換する運用がなされる。具体的には、上記高圧ガス容器２３１，２３２，２３３を例にとると、高圧ガス容器２３３は、高圧ガス容器２３１に比べて応力振幅がかなり小さい状態で運用されているにもかかわらず（高圧ガス容器２３１の応力振幅は５５ＭＰａ、高圧ガス容器２３３の応力振幅は１５ＭＰａ）、高圧ガス（水素ガス）の充填と放出を１サイクルとしてカウントされるため、高圧ガス容器２３３については、未だ使用に耐えうる状況であっても、サイクル数が要求繰り返し数Ｎに達したという理由で新規の高圧ガス容器に交換されることになる。

このような運用方法の場合、高圧ガス容器の実際のサイクル疲労寿命よりも早く高圧ガス容器を交換してしまうことになり、水素ステーション（ガス供給システム）の管理コストの低減が困難である。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ガス供給システムに使用される高圧ガス容器の寿命を適切に管理して長寿命化を図ることが可能となる高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法を提供することを目的とする。また、高圧ガス容器の寿命を適切に管理して長寿命化を図ることが可能となるガス供給システムの使用方法、及び、ガス供給システムを提供することを目的とする。

本発明の前記目的は、高圧気体の充填及び放出に伴う種々の値の応力振幅が繰り返し作用する高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法であって、最大応力振幅σａ、及び、前記最大応力振幅σａよりも小さい応力振幅σｂが、前記高圧ガス容器に作用すると想定される場合に、前記最大応力振幅σａを前記高圧ガス容器に作用させた後、連続的に応力振幅σｂを前記高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化とする応力振幅付与工程と、前記応力振幅付与工程を繰り返し行いつつ、サイクル数をカウントする繰り返し工程と、前記サイクル数が、前記最大応力振幅σａに対応して設定される要求繰り返し数Ｎよりも大となった際に、前記高圧ガス容器にサイクル疲労破壊による損傷の有無を確認する損傷確認工程と、前記損傷確認工程において前記高圧ガス容器に損傷が無いと判断された場合に、サイクル疲労破壊に対する前記応力振幅σｂによる影響はないと判断する判断工程とを備える高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法により達成される。

また、本発明の前記目的は、タンクを備えるタンク搭載装置へガスを供給するガス供給システムの使用方法であって、前記ガス供給システムは、前記タンク搭載装置の前記タンクにガスを供給する供給設備と、ガスを貯留する高圧ガス容器ユニットと、ガスを前記高圧ガス容器ユニットに送出するガス送出部と、前記高圧ガス容器ユニットと前記ガス送出部との間を連通する導入流路と、前記高圧ガス容器ユニットと前記供給設備との間を連通する導出流路とを備えており、前記高圧ガス容器ユニットは、第１高圧ガス容器及び第２高圧ガス容器を備えており、前記第１高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が所定の低圧の範囲である低圧域内である場合に使用され、前記第２高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が、前記低圧域よりも幅が狭い所定の高圧の範囲である高圧域内である場合に使用され、前記ガス送出部を介した高圧ガスの充填及び前記導出流路を介した高圧ガスの放出に伴って前記第２高圧ガス容器に作用する１サイクルの応力振幅σと、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記最大応力振幅σａとの比σ/σａが、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記応力振幅σｂと、前記最大応力振幅σａとの比σｂ/σａ以下の場合に、前記応力振幅σに関するサイクル回数をカウントせずに前記第２高圧ガス容器に関するサイクル疲労度合いを判定するガス供給システムの使用方法により達成される。

また、本発明の前記目的は、タンクを備えるタンク搭載装置へガスを供給するガス供給システムであって、前記タンク搭載装置の前記タンクにガスを供給する供給設備と、ガスを貯留する高圧ガス容器ユニットと、ガスを前記高圧ガス容器ユニットに送出するガス送出部と、前記高圧ガス容器ユニットと前記ガス送出部との間を連通する導入流路と、前記高圧ガス容器ユニットと前記供給設備との間を連通する導出流路とを備えており、前記高圧ガス容器ユニットは、第１高圧ガス容器及び第２高圧ガス容器を備えており、前記第１高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が所定の低圧の範囲である低圧域内である場合に使用され、前記第２高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が、前記低圧域よりも幅が狭い所定の高圧の範囲である高圧域内である場合に使用され、前記ガス送出部を介した高圧ガスの充填及び前記導出流路を介した高圧ガスの放出に伴って前記第２高圧ガス容器に作用する１サイクルの応力振幅σと、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記最大応力振幅σａとの比σ/σａが、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記応力振幅σｂと、前記最大応力振幅σａとの比σｂ/σａ以下の場合に、前記応力振幅σに関するサイクル回数をカウントしないカウンターを備えるガス供給システムにより達成される。

また、本発明の前記目的は、高圧気体が充填及び放出される高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法であって、 高圧気体の充填及び放出に伴う応力振幅σ１が前記高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数がＮ１である場合に、前記応力振幅σ１よりも小さい応力振幅σ２が、前記高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を予測するサイクル寿命予測工程を備えており、前記サイクル寿命予測工程は、前記応力振幅σ１を前記高圧ガス容器に作用させた後、連続的に応力振幅σ２を前記高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化とする応力振幅付与工程と、前記応力振幅付与工程を繰り返し行いつつ、前記高圧ガス容器にサイクル疲労破壊が発生するまでのサイクル疲労破壊回数Ｎｚをカウントするサイクル数検出工程と、前記サイクル疲労破壊回数Ｎ１及び前記サイクル疲労破壊回数Ｎｚから応力振幅σ２が前記高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出する破壊サイクル数算出工程とを備えており、前記破壊サイクル数算出工程は、下記演算式に基づいて前記サイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出することを特徴とする圧力サイクル寿命予測方法により達成される。
［演算式］ Ｎｚ／Ｎ１＋Ｎｚ／Ｎ２＝１

本発明によれば、ガス供給システムに使用される高圧ガス容器の寿命を適切に管理して長寿命化を図ることが可能となる高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法を提供することができる。また、高圧ガス容器の寿命を適切に管理して長寿命化を図ることが可能となるガス供給システムの使用方法、及び、ガス供給システムを提供することができる。

本発明に係る高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法を説明するためのブロック図である。 本発明に係る高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法が備える応力振幅付与工程を説明するための説明図である。 ガス供給システムを説明するための説明図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法について説明する。この圧力サイクル寿命試験方法は、図１のブロック図に示すように、応力振幅付与工程Ｓ１と、繰り返し工程Ｓ２と、損傷確認工程Ｓ３と、判断工程Ｓ４とを備えている。ここで、圧力サイクル寿命試験方法に供される高圧ガス容器は、例えば金属製ライナの外周側に強化層を備え、高圧気体の充填及び放出に伴う種々の値の応力振幅が繰り返し作用する高圧ガス容器であり、水素ステーション等のガス供給システムにおいて従来から使用される高圧ガス容器である。

応力振幅付与工程Ｓ１は、高圧ガス容器が使用されて運用されるガス供給システムにおいて、最大応力振幅σａ、及び、該最大応力振幅σａよりも小さい応力振幅σｂが、高圧ガス容器に作用すると想定される場合に、図２の模式説明図に示すように、最大応力振幅σａを高圧ガス容器に作用させた後、連続的に応力振幅σｂを高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化として高圧ガス容器に付与する工程である。

応力振幅を付与する具体的な手法は特に限定されないが、例えば、高圧ガス容器内に圧力媒体としての液体を充填して行うことができる。高圧ガス容器の表面等には、例えば、歪センサ―が設けられており、当該歪センサ―の計測値に基づいて、圧力媒体の加圧及び減圧を行い、高圧ガス容器への上記最大応力振幅σａの付与、及び、引き続く応力振幅σｂの付与を行う。

繰り返し工程Ｓ２は、上記応力振幅付与工程Ｓ１を繰り返し行いつつ、そのサイクル数をカウントする工程である。

損傷確認工程Ｓ３は、繰り返し工程Ｓ２においてカウントされるサイクル数が、上記最大応力振幅σａに対応して設定される要求繰り返し数Ｎよりも大となった際に、高圧ガス容器にサイクル疲労破壊による損傷が発生しているか否かを確認する工程である。ここで、要求繰り返し数Ｎは、高圧ガス容器が使用されるガス供給システムの設計段階で設定される設計要求に基づいて設定することができる。例えば、設計要求での繰り返し数が３０万回である場合に、この３０万回を要求繰り返し数Ｎとすることができる。また、高圧ガス容器を構成する金属材料の材料特性からサイクル疲労に係る破壊繰り返し回数を算出し、この破壊繰り返し回数に基づいて要求繰り返し数Ｎを設定してもよい。また、上記最大応力振幅σａを高圧ガス容器に作用させたサイクル試験を行い、高圧ガス容器が損傷するまでの破壊繰り返し回数を試験により計測し、この計測した破壊繰り返し回数に基づいて要求繰り返し数Ｎを設定してもよい。

判断工程Ｓ４は、損傷確認工程Ｓ３において高圧ガス容器に損傷が無いと判断された場合に、試験に供された高圧ガス容器に関して、サイクル疲労破壊に対する応力振幅σｂによる影響はない（影響は無視できる程度のものである）と判断する工程である。

このような高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法によってサイクル疲労の度合いが試験された高圧ガス容器は、ガス供給システムに適用する場合に、応力振幅σｂによる蓄積サイクル疲労を無視して使用することが可能となり、高圧ガス容器の実際のサイクル疲労寿命よりも早く新規の高圧ガス容器に交換してしまうことを回避して、実際のサイクル疲労寿命に近い寿命まで高圧ガス容器の使用を継続することが可能となる。

なお、従来においては、上述のように高圧ガス容器のサイクル疲労破壊に対する応力振幅σｂによる影響がない（影響は無視できる程度のものである）ことを確認するためには、別途、高圧ガス容器に応力振幅σｂを作用させる圧力サイクル寿命試験を行い、例えば、２００万回のサイクル回数を付与した場合であっても高圧ガス容器に損傷が無いことを確認しなければならず、このような圧力サイクル寿命試験は、長期間（例えば、６か月間）に及ぶものであり、極めて高コストかつ非現実的なものであったが、本発明に係る圧力サイクル寿命試験の場合には、より試験期間を短縮して、低コストでサイクル疲労破壊に対する応力振幅σｂによる影響がないことを確認することが可能となる。

次に、本発明に係る圧力サイクル寿命試験方法によってサイクル寿命試験が行われた高圧ガス容器と同種の高圧ガス容器を備えるガス供給システムについて説明する。まず、図３に示すように、ガス供給システム２は、複数の高圧ガス容器２３１，２３２，２３３を有する高圧ガス容器ユニット２３と、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３に圧縮水素ガスを供給するガス送出部２１と、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３内の水素ガスを車両９のタンク９ａに供給する供給設備１１と、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３からタンク９ａへの水素ガスの充填順序を制御する制御部２９とを備えている。

ガス送出部２１は、駆動部２１１と、圧縮部２１２とを備える。圧縮部２１２はピストンとシリンダとを有し、駆動部２１１の動力によりピストンが駆動されてシリンダ内にて水素が圧縮される。なお、圧縮部２１２のシリンダには、図示省略のガス供給源から水素が供給される。 ガス冷却部２２は、ガス流路２０のうちガス送出部２１の下流側の部位に設けられており、ガス送出部２１の圧縮部２１２から吐出された水素を冷却する。

高圧ガス容器ユニット２３は、上述のように複数の高圧ガス容器２３１，２３２，２３３を備えており、各高圧ガス容器２３１〜２３３には、ガス送出部２１から送出された水素が貯留される。各高圧ガス容器２３１〜２３３は、ガス送出部２１に対して並列に接続されており、供給設備１１に水素を送出する。なお、各高圧ガス容器２３１〜２３３は、それぞれ同じ容積及び設計圧を有するように構成されている。

ガス流路２０のうち、高圧ガス容器ユニット２３（各高圧ガス容器２３１〜２３３）とガス送出部２１との間の部位は、高圧ガス容器ユニット２３（各高圧ガス容器２３１〜２３３）とガス送出部２１との間を連通する導入流路であり、途中に、第１開閉弁Ｖ１１、第１開閉弁Ｖ２１及び第１開閉弁Ｖ３１が設けられている。ガス流路２０のうち高圧ガス容器ユニット２３（各高圧ガス容器２３１〜２３３）と、供給設備１１との間の部位は、高圧ガス容器ユニット２３と供給設備１１との間を連通する導出流路であり、途中に第２開閉弁Ｖ１２、第２開閉弁Ｖ２２及び第２開閉弁Ｖ３２が設けられている。また、ガス流路のうち各第２開閉弁Ｖ１２，Ｖ２２，Ｖ３２と供給設備１１との間の部位には、供給設備１１に流入する水素の流量を調整可能な流量調整弁２８が設けられている。

プレクールシステム２４は、冷凍機３とブライン回路５とを備えている。ブライン回路５は、ブライン流路２４０と、ブラインポンプ２４１と、マイクロチャネル式熱交換器であるプレクール熱交換器２４２とを備える。なお、ブライン回路５にはブラインを貯留するブラインタンク（図示せず）が設けられてもよい。ブライン流路２４０にはブラインが充填されるとともに、ブラインポンプ２４１、プレクール熱交換器２４２および冷凍機３の一部（熱交換器）が配置される。

ブライン回路５では、プレクール熱交換器２４２において水素とブラインとが熱交換することにより供給設備１１から車両９のタンク９ａへ充填される直前の水素が冷却される。プレクール熱交換器２４２において水素から熱を吸収したブラインは、冷凍機３に流入して冷却される。冷却されたブラインはブラインポンプ２４１により再びプレクール熱交換器２４２へと送られる。

供給設備１１は、タンク搭載装置である車両９のタンク９ａに対して着脱可能な離脱カプラ１２と、水素の流量を検知可能な流量計１３とを有している。供給設備１１は、離脱カプラ１２を介して各高圧ガス容器２３１〜２３３から送出された水素を車両９のタンク９ａに供給する。供給設備１１は、流量計１３の検出値が基準値以下になったときにそのことを示す信号を制御部２９に送る。

制御部２９はガス送出部２１の駆動部２１１の運転、並びに、第１開閉弁Ｖ１１，Ｖ２１，Ｖ３１及び第２開閉弁Ｖ１２，Ｖ２２，Ｖ３２の開閉を制御する。駆動部２１１が制御されることにより、ガス送出部２１から各高圧ガス容器２３１〜２３３に向かって所定の流量の水素が送出される。第１開閉弁Ｖ１１，Ｖ２１，Ｖ３１が制御されることにより、各高圧ガス容器２３１〜２３３とガス送出部２１との接続が切り替えられる。第２開閉弁Ｖ１２，Ｖ２２，Ｖ３２が制御されることにより、各高圧ガス容器２３１〜２３３と供給設備１１との接続が切り替えられる。制御部２９によるガス送出部２１の運転、並びに、第１開閉弁Ｖ１１，Ｖ２１，Ｖ３１及び第２開閉弁Ｖ１２，Ｖ２２，Ｖ３２の開閉（すなわち、高圧ガス容器ユニット２３における水素の吸入及び送出）が制御されることにより、高圧ガス容器ユニット２３に水素を貯留する貯留操作、及び、水素を供給設備１１に送出する送出操作が実現される。

各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３は、上述の圧力サイクル寿命試験方法によってサイクル寿命試験が行われた高圧ガス容器と同等の設計条件を満たした高圧ガス容器である。なお、上述の圧力サイクル寿命試験方法においては、最大応力振幅σａを８５ＭＰａに設定している。また、高圧ガス容器２３１（以下、第１高圧ガス容器２３１）は、タンク９ａの圧力（タンク９ａ内に充填されている水素ガスの圧力）が所定の低圧の範囲である低圧域内である場合に使用が開始され、高圧ガス容器２３３（以下、第２高圧ガス容器２３３）は、タンク９ａの圧力が、上記低圧域よりも幅が狭い所定の高圧の範囲である高圧域内である場合に使用が開始される。また、高圧ガス容器２３２（以下、第３高圧ガス容器２３２）は、タンク９ａの圧力が上記低圧域と上記高圧域との間の圧力の範囲である中圧域である場合に使用が開始される。

上記本発明に係るガス供給システムの作動について、車両９のタンク９ａの水素ガスが１０ＭＰａであり、このタンク９ａの水素ガス圧力が７０ＭＰａとなるまで水素ガスを充填する場合を例にとり以下説明する。ここで、第１高圧ガス容器２３１は、タンク９ａの圧力が圧力範囲０〜３０ＭＰａの場合に使用が開始され、第３高圧ガス容器２３２は、タンク９ａの圧力が圧力範囲３０〜５０ＭＰａの場合に使用が開始され、第２高圧ガス容器２３３は、タンク９ａの圧力が圧力範囲５０〜７０ＭＰａの場合に使用が開始されるとする。なお、高圧ガス（高圧の水素ガス）充填時（高圧ガス放出前の段階）における各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３の内部圧力は、いずれも例えば８５ＭＰａに設定されるとする。

車両９のタンク９ａの水素ガスの圧力を１０ＭＰａから７０ＭＰａとなるまで水素ガスを充填する場合、通常、第１高圧ガス容器２３１⇒第３高圧ガス容器２３２⇒第２高圧ガス容器２３３の順に高圧ガス容器を切り替える運用を行ってタンク９ａに高圧ガス（水素ガス）を充填する。この時、第１高圧ガス容器２３１の圧力は、例えば８５ＭＰａから３０ＭＰａに低下し、第３高圧ガス容器２３２の圧力は、例えば８５ＭＰａから５０ＭＰａに低下し、第２高圧ガス容器２３３の圧力は例えば８５ＭＰａから７０ＭＰａに低下する。車両９のタンク９ａへの水素ガスの充填作業が完了した後、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３は、ガス送出部２１を介した高圧ガスの充填が行われ、各高圧ガス容器２３１，２３２，２３３の圧力が８５ＭＰａとなるまで水素ガスが充填される。つまり、第１高圧ガス容器２３１には、５５ＭＰａの応力振幅が繰り返し作用し、第３高圧ガス容器２３２には、３５ＭＰａの応力振幅が繰り返し作用することになる。また、第２高圧ガス容器２３３には１５ＭＰａの応力振幅が繰り返し作用することとなる。

ここで、ガス送出部２１を介した高圧ガスの充填及び導出流路を介した高圧ガスの放出に伴って第２高圧ガス容器２３３に作用する１サイクルの応力振幅σと、上記高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法における最大応力振幅σａとの比σ/σａが、上記高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法における応力振幅σｂと、最大応力振幅σａとの比σｂ/σａ以下の場合に、第２高圧ガス容器２３３に作用する応力振幅σに関するサイクル回数をカウントせずにガス供給システムは運用され、第２高圧ガス容器２３３に関するサイクル疲労度合いが判定される。換言すると、ガス送出部２１を介した高圧ガスの充填及び導出流路を介した高圧ガスの放出に伴って第２高圧ガス容器２３３に作用する１サイクルの応力振幅σ（上記例では１５ＭＰａ）が、上記高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法における応力振幅σｂ以下の場合（例えば、σｂが２０ＭＰａとする）に、第２高圧ガス容器２３３に作用する応力振幅σ（１５ＭＰａ）に関するサイクル回数をカウントせずにガス供給システムは運用される。なお、第２高圧ガス容器２３３に作用する応力振幅σに関するサイクル回数は、例えば、実際に第２高圧ガス容器２３３に作用する応力振幅を計測し、その計測された応力振幅に基づいてサイクル回数をカウントしてもよく、或いは、ガス送出部２１を介した高圧ガスの充填及び導出流路を介した高圧ガスの放出をモニターし、この高圧ガスの充填及び放出を１サイクルとするサイクル回数をカウントすることで代用することもできる。

なお、上述のガス供給システムは、ガス送出部２１を介した高圧ガスの充填及び導出流路を介した高圧ガスの放出に伴って各高圧ガス容器に作用する１サイクルの応力振幅σと、上記高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法における最大応力振幅σａとの比σ/σａが、上記高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法における応力振幅σｂと、最大応力振幅σａとの比σｂ/σａ以下の場合に、応力振幅σに関するサイクル回数をカウントしないカウンターを備えるように構成することが好ましい。また、上述のガス供給システムは、カウンターによってカウントされたサイクル回数が、上記最大応力振幅σａに対応して設定される要求繰り返し数Ｎに達した際に、高圧ガス容器はサイクル疲労寿命を迎えたと判断する判定部を更に備えるように構成してもよい。

高圧ガス容器に作用する最大応力振幅σａ（上記例では、８５ＭＰａの応力振幅）に対応して設定される要求繰り返し数Ｎが、例えば、３０万回である場合に、応力振幅５５ＭＰａの圧力変動が作用する第１高圧ガス容器２３１は、繰り返し数（サイクル数）が３０万回を超えると、応力振幅５５ＭＰａが作用する状況下では使用することができないが、上記高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法における応力振幅σｂ以下の応力振幅σ（１５ＭＰａ）が作用して使用されていた第２高圧ガス容器２３３を、応力振幅５５ＭＰａが作用する状況下で更に３０万回使用することが可能となる。同様に、応力振幅５５ＭＰａが作用していた第１高圧ガス容器２３１を、応力振幅σ（１５ＭＰａ）が作用する状況下で更に３０万回使用することが可能となる。つまり、第１高圧ガス容器２３１と第２高圧ガス容器２３３とを切り替えて更に３０万回使用することが可能となる。このように、高圧ガス容器の実際のサイクル疲労寿命に近い寿命となるまで高圧ガス容器を使用することが可能となり、水素ステーション（ガス供給システム）の管理コストの低減を効果的に行うことが可能となる。

なお、上記実施形態においては、高圧ガス容器ユニット２３が、車両９のタンク９ａの圧力が低圧域と高圧域との間の圧力の範囲である中圧域である場合に使用される第３高圧ガス容器２３２を備えるが、この第３高圧ガス容器２３２を省略して高圧ガス容器ユニット２３を構成してもよい。

また、上述の高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法において、繰り返し工程Ｓ２においてカウントされるサイクル数が、上記最大応力振幅σａに対応して設定される要求繰り返し数Ｎ以下の場合に、高圧ガス容器にサイクル疲労破壊による損傷が発生することも想定される。このような場合には、以下の第２の圧力サイクル寿命試験方法によって、小さい応力振幅σが高圧ガス容器に作用する場合のサイクル疲労に係る破壊繰り返し回数を予測し、この予測された破壊繰り返し回数に基づいて、従来からあるガス供給システムに用いられる高圧ガス容器のサイクル疲労寿命を管理するようにしてもよい。

すなわち、図４のブロック図に示すように、第２の高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法は、高圧気体の充填及び放出に伴う応力振幅σ１が高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数がＮ１である場合に、応力振幅σ１よりも小さい応力振幅σ２が、高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を予測するサイクル寿命予測工程Ｓ１０を備えるように構成してもよい。このサイクル寿命予測工程Ｓ１０は、応力振幅付与工程Ｓ１１と、サイクル数検出工程Ｓ１２と、破壊サイクル数算出工程Ｓ１３とを備えている。

応力振幅付与工程Ｓ１１は、図５の模式説明図に示すように、応力振幅σ１を高圧ガス容器に作用させた後、この応力振幅σ１よりも小さい応力振幅σ２を連続的に高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化として高圧ガス容器に付与する工程である。

応力振幅を付与する具体的な手法は特に限定されないが、例えば、高圧ガス容器内に圧力媒体としての液体を充填して行うことができる。高圧ガス容器の表面等には、例えば、歪センサ―が設けられており、当該歪センサ―の計測値に基づいて、圧力媒体の加圧及び減圧を行い、高圧ガス容器への応力振幅σ１の付与、及び、引き続く応力振幅σ２の付与を行う。

サイクル数検出工程Ｓ１２は、上記応力振幅付与工程Ｓ１１を繰り返し行い、高圧ガス容器にサイクル疲労破壊が発生するまでのサイクル疲労破壊回数Ｎｚをカウントする工程である。

破壊サイクル数算出工程Ｓ１３は、サイクル疲労破壊回数Ｎ１及びサイクル疲労破壊回数Ｎｚから応力振幅σ２が高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出する工程である。この工程は、マイナー則に基づいてサイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出する工程であり、具体的には、下記演算式に基づいてサイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出する。
［演算式］ Ｎｚ／Ｎ１＋Ｎｚ／Ｎ２＝１

以下、水素ガスが１００％充填時の圧力が８５ＭＰａとなる高圧ガス容器を用いて、第２の圧力サイクル寿命試験方法によって、応力振幅σ２が高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出する方法を説明する。

まず、水素ガスが１００％充填時の圧力が８５ＭＰａとなる高圧ガス容器に関して、内部の圧力が７６．５ＭＰａ（水素ガス９０％充填時に相当）から４２．５ＭＰａ（水素ガス５０％充填時に相当）に低下させた後、再び内部の圧力が７６．５ＭＰａとなるまで上昇させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化（応力振幅σ１：３４ＭＰａ）として高圧ガス容器に付与する予備試験を高圧ガス容器が疲労破壊するまで行い、疲労破壊が生じた際のサイクル疲労破壊回数Ｎ１を計測する。このサイクル疲労破壊回数Ｎ１が、例えば、３８万回であったとする。つまり、試験に供される高圧ガス容器は、応力振幅σ１が繰り返し作用する状況下でのサイクル疲労破壊回数Ｎ１が３８万回であったとする。

次に、上記予備試験に供された高圧ガス容器と同種の高圧ガス容器に対して、応力振幅付与工程Ｓ１１を実施する。つまり、図５に示すように、応力振幅σ１（３４ＭＰａ）を高圧ガス容器に作用させた後、連続的に応力振幅σ２を高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化として高圧ガス容器に付与する。ここで、応力振幅σ２としては、高圧ガス容器の内部の圧力が７６．５ＭＰａ（水素ガス９０％充填時に相当）から６８ＭＰａ（水素ガス８０％充填時に相当）に低下させた後、再び内部の圧力が７６．５ＭＰａとなるまで上昇させた際の応力変化に係る応力振幅（８．５ＭＰａ）とする。

サイクル数検出工程Ｓ１２は、高圧ガス容器にサイクル疲労破壊が発生するまでのサイクル疲労破壊回数Ｎｚをカウントするが、このサイクル疲労破壊回数Ｎｚが、３４万回であったとする。

破壊サイクル数算出工程Ｓ１３は、上述のサイクル疲労破壊回数Ｎ１（３８万回）、サイクル疲労破壊回数Ｎｚ（３４万回）に基づいて、マイナー則（演算式：Ｎｚ／Ｎ１＋Ｎｚ／Ｎ２＝１）から、応力振幅σ２が高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出することになるが、このサイクル疲労破壊回数Ｎ２は、３２３万回として算出される。

従来においては、応力振幅σ２が繰り返し高圧ガス容器に作用する場合のサイクル寿命を確認する場合には、高圧ガス容器に応力振幅σ２を作用させる圧力サイクル寿命試験を行って確認していたが、この場合、応力振幅σ２が８．５ＭＰａというように小さい値を有する場合、疲労破壊が発生するまでに、３２０万回程度の長期間にわたるサイクル試験を行う必要があるが、上述の第２の高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法によれば、その１／９程度のサイクル回数のサイクル試験で予測することが可能となり、低コストかつ短期間で、所望の応力振幅が高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル寿命の評価を行うことが可能となる。

２ 水素ステーション（ ガス供給システム）
３ 冷凍機
５ ブライン回路
９ 車両（タンク搭載装置）
９ａ タンク
１１ 供給設備
１２ 離脱カプラ
１３ 流量計
２１ ガス送出部
２３ 高圧ガス容器ユニット
２４ プレクールシステム
２８ 流量調整弁
２９ 制御部
２１１ 駆動部
２１２ 圧縮部
２３１ 第１蓄圧器
２３２ 第２蓄圧器
２３３ 第３蓄圧器

本発明に係る高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法を説明するためのブロック図である。 本発明に係る高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法が備える応力振幅付与工程を説明するための説明図である。 ガス供給システムを説明するための説明図である。 本発明に係る第２の高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法を説明するためのブロック図である。 応力振幅付与工程を説明するための模式説明図である。

Claims (4)

1. 高圧気体の充填及び放出に伴う種々の値の応力振幅が繰り返し作用する高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法であって、
   最大応力振幅σａ、及び、前記最大応力振幅σａよりも小さい応力振幅σｂが、前記高圧ガス容器に作用すると想定される場合に、前記最大応力振幅σａを前記高圧ガス容器に作用させた後、連続的に応力振幅σｂを前記高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化とする応力振幅付与工程と、
   前記応力振幅付与工程を繰り返し行いつつ、サイクル数をカウントする繰り返し工程と、
   前記サイクル数が、前記最大応力振幅σａに対応して設定される要求繰り返し数Ｎよりも大となった際に、前記高圧ガス容器にサイクル疲労破壊による損傷の有無を確認する損傷確認工程と、
   前記損傷確認工程において前記高圧ガス容器に損傷が無いと判断された場合に、サイクル疲労破壊に対する前記応力振幅σｂによる影響はないと判断する判断工程とを備える高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法。
2. タンクを備えるタンク搭載装置へガスを供給するガス供給システムの使用方法であって、
   前記ガス供給システムは、
   前記タンク搭載装置の前記タンクにガスを供給する供給設備と、
   ガスを貯留する高圧ガス容器ユニットと、
   ガスを前記高圧ガス容器ユニットに送出するガス送出部と、
   前記高圧ガス容器ユニットと前記ガス送出部との間を連通する導入流路と、
   前記高圧ガス容器ユニットと前記供給設備との間を連通する導出流路とを備えており、
   前記高圧ガス容器ユニットは、第１高圧ガス容器及び第２高圧ガス容器を備えており、
   前記第１高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が所定の低圧の範囲である低圧域内である場合に使用され、前記第２高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が、前記低圧域よりも幅が狭い所定の高圧の範囲である高圧域内である場合に使用され、
   前記ガス送出部を介した高圧ガスの充填及び前記導出流路を介した高圧ガスの放出に伴って前記第２高圧ガス容器に作用する１サイクルの応力振幅σと、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記最大応力振幅σａとの比σ/σａが、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記応力振幅σｂと、前記最大応力振幅σａとの比σｂ/σａ以下の場合に、前記応力振幅σに関するサイクル回数をカウントせずに前記第２高圧ガス容器に関するサイクル疲労度合いを判定するガス供給システムの使用方法。
3. タンクを備えるタンク搭載装置へガスを供給するガス供給システムであって、
   前記タンク搭載装置の前記タンクにガスを供給する供給設備と、
   ガスを貯留する高圧ガス容器ユニットと、
   ガスを前記高圧ガス容器ユニットに送出するガス送出部と、
   前記高圧ガス容器ユニットと前記ガス送出部との間を連通する導入流路と、
   前記高圧ガス容器ユニットと前記供給設備との間を連通する導出流路とを備えており、
   前記高圧ガス容器ユニットは、第１高圧ガス容器及び第２高圧ガス容器を備えており、
   前記第１高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が所定の低圧の範囲である低圧域内である場合に使用され、前記第２高圧ガス容器は、前記タンクの圧力が、前記低圧域よりも幅が狭い所定の高圧の範囲である高圧域内である場合に使用され、
   前記ガス送出部を介した高圧ガスの充填及び前記導出流路を介した高圧ガスの放出に伴って前記第２高圧ガス容器に作用する１サイクルの応力振幅σと、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記最大応力振幅σａとの比σ/σａが、請求項１に記載の圧力サイクル寿命試験方法における前記応力振幅σｂと、前記最大応力振幅σａとの比σｂ/σａ以下の場合に、前記応力振幅σに関するサイクル回数をカウントしないカウンターを備えるガス供給システム。
4. 高圧気体が充填及び放出される高圧ガス容器の圧力サイクル寿命試験方法であって、
   高圧気体の充填及び放出に伴う応力振幅σ１が前記高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数がＮ１である場合に、前記応力振幅σ１よりも小さい応力振幅σ２が、前記高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を予測するサイクル寿命予測工程を備えており、
   前記サイクル寿命予測工程は、前記応力振幅σ１を前記高圧ガス容器に作用させた後、連続的に応力振幅σ２を前記高圧ガス容器に作用させた際の応力変化を１サイクルの繰り返し応力変化とする応力振幅付与工程と、
   前記応力振幅付与工程を繰り返し行いつつ、前記高圧ガス容器にサイクル疲労破壊が発生するまでのサイクル疲労破壊回数Ｎｚをカウントするサイクル数検出工程と、
   前記サイクル疲労破壊回数Ｎ１及び前記サイクル疲労破壊回数Ｎｚから応力振幅σ２が前記高圧ガス容器に繰り返し作用する場合のサイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出する破壊サイクル数算出工程とを備えており、
   前記破壊サイクル数算出工程は、下記演算式に基づいて前記サイクル疲労破壊回数Ｎ２を算出することを特徴とする圧力サイクル寿命予測方法。
   ［演算式］ Ｎｚ／Ｎ１＋Ｎｚ／Ｎ２＝１
   

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