WO2023058614A1 - 高圧水素ガス用蓄圧器 - Google Patents

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WO2023058614A1
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steel pipe
hydrogen gas
pressure
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周作 ▲高▼木
拓史 岡野
信行 石川
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a high-pressure hydrogen gas pressure accumulator, and more particularly to a high-pressure hydrogen gas pressure accumulator capable of storing a large amount of hydrogen.
  • Another method for storing large amounts of hydrogen is to compress and store gaseous hydrogen.
  • hydrogen gas has been stored in cylinders at a pressure of about 15 MPa.
  • efforts are being made to store hydrogen gas at a high pressure of 40 MPa or more at hydrogen stations and the like.
  • Type 1 container made entirely of metal
  • Type 2 container in which the outer circumference of the metal liner (only the cylindrical portion) is hoop-wrapped with FRP (fiber-reinforced plastic)
  • FRP fiber-reinforced plastic
  • Type 3 container in which the entirety including the dome part
  • Type 4 container in which the outer circumference of the non-metallic liner (entirely including the mirror part) is fully wrapped with FRP
  • Patent Document 1 discloses a container using a straight-shaped steel container.
  • Patent Document 2 discloses a container in which the outer periphery of a Cr--Mo steel liner is coated with FRP.
  • Non-Patent Document 1 discloses a container in which the outer periphery of an aluminum liner is coated with FRP.
  • Patent Document 3 discloses a container in which the outer periphery of a resin liner is coated with FRP.
  • each type of pressure accumulator has a length of several meters and a diameter of several tens of centimeters, and the volume per pressure accumulator is limited to about 300L. had been Therefore, in order to increase the amount of hydrogen gas stored in a hydrogen station or the like, it has been necessary to increase the number of installed pressure accumulators.
  • each pressure accumulator requires a valve, a support stand, and the like. Therefore, an increase in the number of installed pressure accumulators leads to an increase in facility costs, which can be said to be inefficient.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a pressure accumulator for high-pressure hydrogen gas that is capable of storing a large amount of hydrogen in a single unit despite being easy to manufacture, transport, and install. With the goal.
  • the present invention was made to solve the above problems, and the gist and configuration are as follows.
  • a high-pressure hydrogen accumulator comprising a steel vessel, A pressure accumulator for high-pressure hydrogen gas, wherein the steel container is composed of two or more steel pipes connected by screws.
  • the steel pipe in mass%, C: 0.005 to 0.60%, Si: 0.001 to 2.0%, Mn: 0.01 to 5.0%, P: 0.0001 to 0.060%, S: 0.00001 to 0.010%, N: 0.00001 to 0.010%, Al: 0.0001 to 1.00%, O: 0.010% or less, and H: 0 to 0.0010%, 5.
  • the pressure accumulator for high-pressure hydrogen gas according to any one of 1 to 4 above, which has a component composition in which the balance is Fe and unavoidable impurities.
  • the component composition in mass%, Mo: 0.0001 to 5.0%, Cr: 0.0001 to 5.0%, Ni: 0.0001 to 5.0%, Cu: 0.0001 to 5.0%, Co: 0.0001 to 5.0%, B: 0.0001 to 0.01%, V: 0.0001 to 1.0%, W: 0.0001 to 5.0%, Nb: 0.0001 to 0.1%, Ti: 0.0001 to 0.1%, Zr: 0.0001 to 0.2%, Hf: 0.0001 to 0.2%, Ta: 0.0001 to 0.2%, Sb: 0.0001 to 0.2%, Sn: 0.0001 to 0.2%, Ca: 0.0001 to 0.01%, 6.
  • the pressure accumulator for high-pressure hydrogen gas according to 5 above, further containing at least one selected from the group consisting of Mg: 0.0001 to 0.01% and REM: 0.0001 to 0.5%.
  • the area fraction of retained austenite in the structure of the steel pipe is 0 to 3%, 7.
  • the high-pressure hydrogen gas accumulator of the present invention a steel container is constructed by connecting a plurality of steel pipes with screws. Therefore, it is possible to manufacture and transport steel pipes that are smaller than the size of the entire pressure accumulator and connect them at the installation site to complete the work. Therefore, the high-pressure hydrogen gas accumulator of the present invention is excellent in productivity and transportability. In addition, since the capacity can be freely changed by changing the number of steel pipes to be connected, it is possible to easily realize the optimum hydrogen storage amount according to the installation location. Therefore, the high-pressure hydrogen gas accumulator of the present invention can be suitably used not only in hydrogen stations but also in various places where hydrogen storage is required, such as offshore wind power generation, mountainous areas, ships, and harbors.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a joint portion of the high-pressure hydrogen gas accumulator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a joint portion of a high-pressure hydrogen gas accumulator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure when an O-ring is used in the second embodiment;
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a connecting portion of a high-pressure hydrogen gas accumulator according to a third embodiment of the present invention;
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure when an O-ring is used in the third embodiment;
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a connecting portion of a high-pressure hydrogen gas accumulator according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of a structure when a leak port is provided in a fourth embodiment of the present invention
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the accumulator for high pressure hydrogen gas in the 1st Embodiment of this invention.
  • the pressure accumulator of the present invention is a pressure accumulator for high-pressure hydrogen gas and includes a steel container.
  • the high-pressure hydrogen gas pressure accumulator can be used, for example, as a hydrogen station pressure accumulator, but is not limited thereto and can be used for any purpose.
  • the high-pressure hydrogen gas accumulator of the present invention may be composed only of a steel container, and has a carbon fiber reinforced resin (CFRP) layer described later on at least a part of the surface of the steel container. good too.
  • CFRP carbon fiber reinforced resin
  • Step container In the present invention, it is important that the steel container is composed of two or more steel pipes connected by screws. Therefore, the steel container does not have a welded portion at the joining portion between the steel pipes. The main effects will be described below.
  • the high-pressure hydrogen gas accumulator of the present invention can be manufactured and transported in a state of being divided into a plurality of steel pipes, and assembled into a predetermined size at the installation site. Therefore, even a large-capacity pressure accumulator can be easily manufactured and transported. Also, a pressure accumulator with a desired capacity can be obtained simply by changing the number of steel pipes to be connected.
  • Welding is generally used as a method for connecting multiple steel pipes.
  • the weld structure is a structure altered by the heat during welding, and is inferior in toughness to the base material.
  • welding is performed at the installation site, it is difficult to precisely control the welding conditions, so it is difficult to ensure the welding quality. Therefore, when the steel pipes are joined by welding, when filled with high-pressure hydrogen gas, there is a risk that the joints between the steel pipes may break.
  • the material of the steel pipe is not particularly limited and any steel can be used, but from the viewpoint of cost reduction, it is preferable to use a steel pipe made of low alloy steel.
  • C 0.005 to 0.60%, Si: 0.001 to 2.0%, Mn: 0.01 to 5.0%, P: 0.0001 to 0.060%, S: 0.00001 to 0.010%, N: 0.00001 to 0.010%, Al: 0.0001 to 1.00%, O: 0.010% or less, and H: 0 to 0.0010%, It is preferable to use a steel pipe having a chemical composition consisting of the balance Fe and unavoidable impurities.
  • H is an element that may be contained in steel depending on manufacturing conditions. However, from the viewpoint of further improving the fracture toughness, it is preferable that the H content is small, and specifically, it is preferably 0.0010% or less. Since the lower the H content, the better, the lower limit of the H content may be 0%.
  • the component composition is in mass %, Mo: 0.0001 to 5.0%, Cr: 0.0001 to 5.0%, Ni: 0.0001 to 5.0%, Cu: 0.0001 to 5.0%, Co: 0.0001 to 5.0%, B: 0.0001 to 0.01%, V: 0.0001 to 1.0%, W: 0.0001 to 5.0%, Nb: 0.0001 to 0.1%, Ti: 0.0001 to 0.1%, Zr: 0.0001 to 0.2%, Hf: 0.0001 to 0.2%, Ta: 0.0001 to 0.2%, Sb: 0.0001 to 0.2%, Sn: 0.0001 to 0.2%, Ca: 0.0001 to 0.01%, At least one selected from the group consisting of Mg: 0.0001 to 0.01% and REM: 0.0001 to 0.5% may be further included.
  • each of the two or more steel pipes may be the same or different. However, from the viewpoint of preventing corrosion due to the potential difference between the steel pipes, it is preferable that all the steel pipes constituting the steel container have the same chemical composition.
  • the structure of the steel pipe is also not particularly limited, and a steel pipe having any structure can be used. From the viewpoint of reducing the growth rate of fatigue cracks and improving hydrogen gas resistance, the area fraction of retained austenite is 0 to 3%, the aspect ratio is 2.0 or more and the major axis is 10 ⁇ m or more. It is preferable to use a steel pipe having a structure with a number density of 10 pieces/100 mm 2 or less. Although the lower limit of the number density is not particularly limited, it may be 0/100 mm 2 .
  • the "structure” in the disclosure of this specification refers to the structure at the center in the longitudinal direction of the steel pipe and at the inner wall thickness 1/4 position. That is, the area fraction of each structure is the area fraction of the structure at the center of the steel pipe in the longitudinal direction and at the inner wall thickness 1/4 position. Similarly, the number density of the inclusions is the number density at the center of the steel pipe in the longitudinal direction and at the inner wall thickness 1/4 position.
  • the area fraction of retained austenite can be measured by X-ray diffraction.
  • a test piece is sampled from the center in the longitudinal direction of the steel pipe at the inner wall thickness 1/4 position, and the cut surface of the test piece is chemically polished before the measurement.
  • a Co-K ⁇ ray source is used as the incident X-ray, and the residual Calculate the area fraction of austenite.
  • the number density of inclusions can be obtained by observation using an optical microscope.
  • a test piece for measuring inclusions is taken from the center in the longitudinal direction of the steel pipe, at the inner wall thickness 1/4 position. The dimensions of the test piece are 20 mm in the length direction, 5 mm in the width direction, and 15 mm in the thickness direction.
  • the test piece is embedded in resin so that the surface (L section) consisting of the longitudinal direction and the thickness direction with respect to the rolling direction of the steel pipe becomes the observation surface, and the surface is mirror-polished.
  • the mirror-polished surface is observed with an optical microscope, and the number of inclusions having an aspect ratio of 2.0 or more and a length of 10 ⁇ m or more in an area of 10 mm ⁇ 10 mm is measured.
  • the number density is calculated by dividing the obtained number of inclusions by the area (100 mm 2 ) of the region.
  • Ten specimens for measurement of inclusions are sampled from each steel pipe to be measured, and the number density of the ten specimens is arithmetically averaged to determine the number density of inclusions in the steel pipe.
  • the aspect ratio and major diameter of inclusions are obtained in accordance with the standard of JIS G0555:2020 (microscopic test method for non-metallic inclusions in steel).
  • the total area fraction of martensite and bainite in the steel pipe structure is preferably 80% or more, and more preferably 80% or more.
  • the upper limit of the total area fraction of martensite and bainite is not particularly limited, it may be 100%.
  • the upper limit of the area fraction of martensite is not particularly limited, it may be 100%.
  • the area fraction of ferrite is preferably 5% or less.
  • the lower limit of the area fraction of ferrite is not particularly limited, it may be 0%.
  • martensite is defined as including tempered martensite.
  • the area fractions of martensite, bainite, and ferrite can be obtained by photographing a structure photograph by microscopic observation and analyzing the image of the structure photograph. Either an optical microscope or a scanning electron microscope can be used for the microscopic observation, and the observation can be performed at an appropriate magnification between 100 and 5000 times.
  • the test piece used for the microscopic observation is taken so that the observation position is at the center in the longitudinal direction of the steel pipe, the inner wall thickness 1/4 position.
  • the section of the sampled test piece is etched with a 3 vol % nital solution to expose the microstructure, and then the microscopic observation is performed. Identification of each tissue in the tissue photograph can be performed, for example, by comparing the tissue in each part of the tissue photograph with the tissue photograph recorded in Non-Patent Document 2.
  • each of the two or more steel pipes may be the same or different, but it is preferable that they have the same structure.
  • the tensile strength (TS) of each of the two or more steel pipes is preferably 1100 MPa or less, more preferably 950 MPa or less.
  • the lower limit of the tensile strength is also not limited, but if the tensile strength is low, it is necessary to increase the wall thickness of the steel pipe in order to ensure the strength required for the pressure accumulator, which leads to an increase in cost. . Therefore, the tensile strength of each of the two or more steel pipes is preferably 800 MPa or more.
  • the steel pipe is not particularly limited, and one manufactured by any method can be used.
  • it may be an electric resistance welded pipe, a spiral steel pipe, a UOE steel pipe, a steel pipe shape obtained by hollowing out the inside of a steel material by machining or the like, or a steel pipe shape manufactured by forging, or a heated billet.
  • It may be a seamless steel pipe obtained by rolling and forming a steel pipe shape.
  • welding quality becomes a problem.
  • welding for manufacturing steel pipes is generally performed under strictly controlled conditions in factories such as steel mills, so that the welding quality is high.
  • post-weld heat treatment or the like is performed to improve the mechanical properties of the welded portion, if necessary. Therefore, compared to the welded portion where the steel pipes are welded together on site, the welded portion of the ordinary steel pipe itself is less likely to cause breakage. Therefore, it is possible to use steel pipes manufactured using welding, such as electric resistance welded pipes, spiral steel pipes, and UOE steel pipes.
  • seamless steel pipe As the steel pipe from the viewpoint of further reducing the risk of breakage and enabling use at higher pressures. Since seamless steel pipes have no welded joints, the properties of the base material are uniform throughout the steel pipes. In addition, compared to steel pipes manufactured by hollowing out or forging, seamless steel pipes are less expensive and have superior properties such as toughness. It is particularly suitable.
  • the length of each steel pipe is not particularly limited, and can be any length. However, if the length of the steel pipe is excessively short, the number of joints per pressure accumulator increases, resulting in an increase in cost. Therefore, the length of each of the two or more steel pipes is preferably 3 m or longer, more preferably 5 m or longer. On the other hand, if the individual steel pipes are long, the number of joints can be reduced and there is a possibility of cost reduction.
  • the length of each of the two or more steel pipes is preferably 100 m or less, more preferably 12 m or less, which is transportable by vehicle, and even more preferably 6 m or less.
  • any volume can be secured by connecting the number of steel pipes according to the space of the installation location without being subject to manufacturing and transportation restrictions. be able to. Therefore, the number of steel pipes forming one steel container is not particularly limited, and may be any number of two or more.
  • a pressure accumulator having a length of several tens to several hundred meters can be configured by connecting several tens to hundreds of steel pipes. Also, a large number of steel pipes exceeding several hundred can be joined together to form an ultra-large-capacity pressure accumulator.
  • the upper limit of the number of steel pipes is not limited, and the number can be arbitrarily supplemented according to the space of the installation place.
  • the number of steel pipes may be 1000 or less, 500 or less, 200 or less, or 100 or less.
  • joining portion the structure of the portion where the steel pipes are joined together by screws
  • shape of the screw is not particularly limited, and any shape can be used as long as it can support the necessary stress.
  • the central axes of the steel pipes constituting the steel container are coaxially arranged.
  • the central axes of the respective steel pipes it is possible to more easily connect with a screw structure.
  • the deviation of the central axis of the steel pipes forming the steel container is preferably 5 mm or less, more preferably 1 mm or less.
  • the deviation of the central axis of the steel pipes constituting the steel container means the maximum deviation between the central axis of each steel pipe included in the steel container and the central axis of the steel pipe adjacent to the steel pipe. defined as a value.
  • a sealing member at the connecting portion.
  • Said sealing member can typically be arranged between two adjacent steel pipes.
  • a sealing member between the steel pipe and the coupling adjacent to the steel pipe.
  • the sealing member is not particularly limited, and any sealing member such as a gasket, packing, or O-ring can be used.
  • the material of the sealing member is not particularly limited, and any material such as metal or resin can be used. From the viewpoint of improving the sealing property, it is preferable to use resin, copper, or the like, which can be deformed to improve the sealing property when the screw is tightened.
  • double-arrange the sealing members means that two seal members are arranged between the steel pipe and the member adjacent to the steel pipe (other steel pipe or coupling).
  • the sealing member closer to the inside of the steel container than the threaded portion.
  • the threaded portion can be prevented from coming into contact with hydrogen gas.
  • hydrogen embrittlement of the threaded portion can be suppressed, so that the risk of fracture of the steel container can be reduced.
  • the steel container can be provided with lids on both ends. Any lid can be used as the lid as long as it can seal the steel container.
  • the material of the lid is not particularly limited, it is generally preferable to use a steel lid.
  • said lid is a screw-on lid.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the connecting portion of the high-pressure hydrogen gas pressure vessel 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the steel container of the high-pressure hydrogen gas accumulator in this embodiment is composed of a plurality of steel pipes 10, and the steel pipes adjacent to each other are joined together by screws having the structure shown in FIG.
  • first steel pipe 10a is formed with a female threaded portion 11a
  • second steel pipe 10b is provided with a male thread that is screwed with the female threaded portion 11a of the first steel pipe 10a.
  • a portion 12b is provided.
  • the first steel pipe 10a and the second steel pipe 10b are connected by screwing together the female threaded portion 11a of the first steel pipe 10a and the male threaded portion 12b of the second steel pipe 10b.
  • the seal portion When arranging the seal portion, it is preferable to install it at a position further to the left of the leftmost screw portion of the female screw portion 11a, that is, at a position where hydrogen gas can be prevented from reaching the screw portion (the second sealing portion to be described later). 2 embodiment, see FIG. 3).
  • the steel container can be provided with lids on both ends. Any lid can be used as the lid as long as it can seal the steel container.
  • a screw-on lid 50 can be provided at the end of the steel container. It should be noted that the lid can be similarly provided in other embodiments described later.
  • the steel container shown in FIG. 8 is composed of two steel pipes connected by screws, the number of steel pipes may be any number of two or more.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the connecting portion of the high-pressure hydrogen gas accumulator 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the steel container of the high-pressure hydrogen gas accumulator in this embodiment is composed of a plurality of steel pipes 10, and the steel pipes adjacent to each other are connected by couplings 20 provided inside the steel pipes as shown in FIG. are connected using
  • one end of the first steel pipe 10a is formed with a female threaded portion 11a
  • one end of the coupling 20 is provided with a male threaded portion 22 that is screwed with the female threaded portion 11a of the first steel pipe 10a.
  • One end of the second steel pipe 10b is formed with a female threaded portion 11b
  • the other end of the coupling 20 is provided with a male threaded portion 22 that screws together with the female threaded portion 11b of the second steel pipe 10b.
  • the female threaded portion 11a of the first steel pipe 10a and the male threaded portion 22 at one end of the coupling 20 the female threaded portion 11b of the second steel pipe 10b and the male threaded portion 22 at the other end of the coupling 20
  • the first steel pipe 10a and the second steel pipe 10b are connected via the coupling 20 by screwing them together.
  • an O-ring 30 as a sealing member between the steel pipe 10 and the coupling 20.
  • leakage of hydrogen gas can be prevented more reliably.
  • FIGS. 2 and 3 show a case in which the inner diameter of the coupling 20 and the inner diameter of the steel pipe 10 are the same, the inner diameter of the coupling 20 and the inner diameter of the steel pipe 10 may be different. Moreover, although the first steel pipe 10a and the second steel pipe 10b are in contact with each other in the examples shown in FIGS.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the connecting portion of the high-pressure hydrogen gas accumulator 1 according to the third embodiment of the present invention.
  • the steel container of the accumulator for high-pressure hydrogen gas in this embodiment is composed of a plurality of steel pipes 10, and the steel pipes adjacent to each other are connected by couplings 20 provided inside the steel pipes as shown in FIG. are connected using
  • a male threaded portion 12a is formed at one end of the first steel pipe 10a, and a female threaded portion 21 screwed with the male threaded portion 12a of the first steel pipe 10a is formed at one end of the coupling 20.
  • a male threaded portion 12b is formed at one end of the second steel pipe 10b, and a female threaded portion 21 screwed to the male threaded portion 12b of the second steel pipe 10b is formed at the other end of the coupling 20. is provided.
  • the male threaded portion 12a of the first steel pipe 10a and the female threaded portion 21 at one end of the coupling 20 the male threaded portion 12b of the second steel pipe 10b and the female threaded portion 21 at the other end of the coupling 20
  • the first steel pipe 10a and the second steel pipe 10b are connected via the coupling 20 by screwing them together.
  • an O-ring 30 as a sealing member between the steel pipe 10 and the coupling 20.
  • the contact portion in addition to between the first steel pipe 10a and the coupling 20, between the second steel pipe 10b and the coupling 20, between the first steel pipe 10a and the second steel pipe 10b ( The contact portion) is also provided with an O-ring.
  • FIGS. 4 and 5 show a case in which the inner diameter of the coupling 20 and the inner diameter of the steel pipe 10 are the same, but the inner diameter of the coupling 20 and the inner diameter of the steel pipe 10 may be different. Also, in the examples shown in FIGS. 4 and 5, the first steel pipe 10a and the second steel pipe 10b are in contact with each other, but they may be separated as described in the following fourth embodiment. .
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the connecting portion of the high-pressure hydrogen gas accumulator 1 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the steel pipes adjacent to each other are joined together using a coupling 20 provided inside the steel pipes, as in the third embodiment.
  • the tip of the first steel pipe 10a and the tip of the second steel pipe 10b are in contact with each other in the third embodiment, in the present embodiment, the tip of the first steel pipe 10a and the second steel pipe The tip of 10b does not touch directly.
  • Other points can be the same as those of the third embodiment.
  • a hydrogen gas leak can be detected by placing a hydrogen detector in front of the leak port.
  • the position of installing the leak port is not particularly limited, but it is installed either or both between the end of the coupling and the thread closest to the end and between the sealing member and the thread closest to the sealing member. is preferred.
  • FIG. 7 shows an example of arrangement when the leak port 40 is provided.
  • a hydrogen detector (not shown) or the like can be connected to the leak port 40 .
  • a leak port can also be provided when steel pipes are directly connected with screws as shown in Fig. 1, or when a coupling provided inside the steel pipes is used as shown in Figs. However, in that case, it is necessary to provide a leak port in the steel pipe. On the other hand, as shown in FIG. 7, when a coupling provided outside the steel pipe is used, it is sufficient to provide a leak port in the coupling, which facilitates manufacturing.
  • a to F of the joining method shown in Table 1 represent the following structures, respectively.
  • the structures of A to E were as shown in FIGS. 1 to 5, respectively.
  • As the O-ring a resin-made one was used.
  • F Welding
  • lids having a thickness of 110 mm and having the same screw shape as the joint.
  • the material of the lid is TS (tensile strength): SNCM439 steel of 900 MPa class, and the SNCM439 steel is forged into a lid shape. Hydrogen gas was introduced by opening a hole in the center of the lid and connecting a pipe.
  • the lid may have a structure including two of a lid without a screw structure and a threaded member for supporting the lid.
  • SCM435 and SNCM439 steels were adjusted to TS800-900 MPa by quenching and tempering. Also, X52 and X65 were manufactured by hot rolling.
  • the area fractions of martensite (M), bainite (B), retained austenite (RA), and ferrite in each steel pipe were measured by the method described above.
  • the number density of inclusions having an aspect ratio of 2.0 or more and a major diameter of 10 ⁇ m or more was also measured by the method described above.
  • For the measurement of the area fraction and number density of inclusions a test piece taken from the center of the steel pipe in the longitudinal direction and from the inner wall thickness 1/4 position was used. The measurement results are also shown in Table 1.
  • Boost test Using the obtained steel container, a high-pressure hydrogen gas accumulator was fabricated, and the inside was actually filled with pure hydrogen, and hydrogen leakage from screw joints or welds was confirmed. Specifically, hydrogen gas was pressurized to a predetermined pressure by a compressor, and filled into the high-pressure hydrogen gas accumulator. This state was maintained for 10 minutes, and it was tested whether or not hydrogen gas leakage occurred. The test was repeated while increasing the pressure in increments of 5 MPa up to a maximum of 50 MPa, and the maximum pressure at which no leakage occurred was determined. The evaluation results are also shown in Table 1.
  • the toughness of the joint in hydrogen gas was evaluated according to ASTM-E1820. Specifically, from the joint (weld metal and HAZ (heat affected zone) for steel containers joined by welding), three A test piece was taken and the fracture toughness was measured. In addition, the test method may be evaluated by a method according to ASME E1681 or ASTM E399. The test environment was pure hydrogen at 21 MPa. When the average fracture toughness value of the three test pieces was higher than 52 MPa ⁇ m 1/2 , it was judged to be good, and when it was 52 MPa ⁇ m 1/2 or less, it was judged to be bad. The evaluation results are also shown in Table 1.
  • the pressure accumulator for high-pressure hydrogen gas that satisfies the conditions of the present invention has a maximum pressure of 15 MPa or more at which leakage does not occur, and the toughness of the joint in hydrogen gas is also good.
  • rice field On the other hand, in the welded pressure accumulator, the maximum pressure at which no leakage occurred was 10 MPa. In addition, the toughness of the joint in hydrogen gas was also poor.
  • the present invention by connecting steel pipes that are easy to produce and transport, it is possible to easily create a large-capacity pressure accumulator that can stably store high-pressure hydrogen gas.
  • two steel pipes were used to form the steel container, but even if three or more pipes are used, the load applied to each connecting portion is basically the same as long as the pressure is the same.

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Abstract

製造や運搬、設置が容易であるにもかかわらず、１つで大容量の水素貯蔵を可能とする高圧水素ガス用蓄圧器を提供する。鋼製容器を備える高圧水素用蓄圧器であって、前記鋼製容器が、ねじによりつなぎ合わされた２本以上の鋼管で構成されている、高圧水素ガス用蓄圧器。

Description

高圧水素ガス用蓄圧器
　本発明は、高圧水素ガス用蓄圧器に関し、特に、大容量の水素貯蔵を可能とする高圧水素ガス用蓄圧器に関するものである。
　ＣＯ2排出低減の動きが加速する中、水素の活用の必要性が高まっている。そして、水素の活用のために、大量の水素を安全に貯蔵する手法の開発が求められている。
　大量の水素を貯蔵する手法の一つとしては、水素を液体にして貯蔵する方法が検討されている。しかし、液体水素は－２５３℃以下の極低温で貯蔵する必要があるため、貯蔵設備のコストや低温維持のためのランニングコストが高い。
　大量の水素を貯蔵するもう一つの手法の一つとしては、気体状態の水素を圧縮して貯蔵する方法が挙げられる。以前より、水素ガスを１５ＭＰａ程度の圧力でボンベに貯蔵することが行われている。しかし、貯蔵量をさらに高めるために水素ガスを４０ＭＰａ以上の高圧力にして貯蔵する取り組みが水素ステーション等で幅広く行われている。
　上述したような高圧力で水素ガスを収容する容器（蓄圧器）としては、様々な材質や構造のものが提案されているが、以下の４種類に大別することができる。
（１）全体が金属で形成されたＴｙｐｅ１容器
（２）金属製ライナの外周（円柱状部分のみ）を、ＦＲＰ（fiber-reinforced plastic）によりフープラップしたＴｙｐｅ２容器
（３）金属製ライナの外周（鏡部（dome part）を含む全体）を、ＦＲＰによりフルラップしたＴｙｐｅ３容器
（４）非金属製ライナの外周（鏡部を含む全体）を、ＦＲＰによりフルラップしたＴｙｐｅ４容器
　前記Ｔｙｐｅ１容器の具体例としては、例えば、特許文献１に、ストレート形状の鋼製容器を用いた容器が開示されている。また、前記Ｔｙｐｅ２容器の具体例としては、例えば、特許文献２に、Ｃｒ－Ｍｏ鋼製ライナの外周をＦＲＰで被覆した容器が開示されている。前記Ｔｙｐｅ３容器の具体例としては、例えば、非特許文献１に、アルミ製ライナの外周をＦＲＰで被覆した容器が開示されている。前記Ｔｙｐｅ４容器の具体例としては、例えば、特許文献３に、樹脂製ライナの外周をＦＲＰで被覆した容器が開示されている。
特開２０１９－０４４９６９号公報 特開２００９－２９３７９９号公報 国際公開第２０１６／１６７０３４号
ENEOS Technical Review, 2013年6月第55巻, 第2号, p. 69-72 日本熱処理技術協会 編著、「入門・金属材料の組織と性質－材料を生かす熱処理と組織制御」、大河出版、２００４年
　上述したように様々なタイプの蓄圧器が提案されているが、いずれのタイプの蓄圧器も、長さ数ｍ程度、直径数十ｃｍであり、蓄圧器１つあたりの容積は３００Ｌ程度と限られていた。そのため、水素ステーション等における水素ガスの貯蔵量を増加させるためには、蓄圧器の設置本数を増加させる必要があった。蓄圧器を設置する際には、蓄圧器１本ごとにバルブや支持台などが必要となるため、設置本数の増加は設備コストの増加を招き、非効率的といえる。
　そこで、蓄圧器の設置本数を増やすことに代えて、外径や長さを増大させることにより蓄圧器１本あたりの容量を増加させることも考えられる。しかし、蓄圧器を現在の一般的なサイズよりも大型化すると、そのサイズや重量のため、製造が困難となることに加え、設置場所への運搬も困難となる。例えば、蓄圧器を製造した場所から設置場所へ運搬するために、特殊な輸送車両を用いて、他の車両の通行を規制して夜間に搬送するといった大がかりな対処が必要となる。加えて、設置場所のスペースに制約がある場合には、設置場所に合った種々のサイズの蓄圧器を製造することが必要となり、非効率である。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、製造や運搬、設置が容易であるにもかかわらず、１つで大容量の水素貯蔵を可能とする高圧水素ガス用蓄圧器を提供することを目的とする。
　本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、そ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用蓄圧器であって、
　前記鋼製容器が、ねじによりつなぎ合わされた２本以上の鋼管で構成されている、高圧水素ガス用蓄圧器。
２．前記ねじによるつなぎ合わせが、前記鋼管の内側に設けられたカップリングにより行われる、上記１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
３．前記ねじによるつなぎ合わせが、前記鋼管の外側に設けられたカップリングにより行われる、上記１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
４．前記２本以上の鋼管のつなぎ合わせ部にシール部材を有する、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．前記鋼管が、質量％で、
　　Ｃ　：０．００５～０．６０％、
　　Ｓｉ：０．００１～２．０％、
　　Ｍｎ：０．０１～５．０％、
　　Ｐ　：０．０００１～０．０６０％、
　　Ｓ　：０．００００１～０．０１０％、
　　Ｎ　：０．００００１～０．０１０％、
　　Ａｌ：０．０００１～１．００％、
　　Ｏ　：０．０１０％以下、および
　　Ｈ　：０～０．００１０％を含み、
　　残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する、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。
６．前記成分組成が、質量％で、
　　Ｍｏ：０．０００１～５．０％、
　　Ｃｒ：０．０００１～５．０％、
　　Ｎｉ：０．０００１～５．０％、
　　Ｃｕ：０．０００１～５．０％、
　　Ｃｏ：０．０００１～５．０％、
　　Ｂ　：０．０００１～０．０１％、
　　Ｖ　：０．０００１～１．０％、
　　Ｗ　：０．０００１～５．０％、
　　Ｎｂ：０．０００１～０．１％、
　　Ｔｉ：０．０００１～０．１％、
　　Ｚｒ：０．０００１～０．２％、
　　Ｈｆ：０．０００１～０．２％、
　　Ｔａ：０．０００１～０．２％、
　　Ｓｂ：０．０００１～０．２％、
　　Ｓｎ：０．０００１～０．２％、
　　Ｃａ：０．０００１～０．０１％、
　　Ｍｇ：０．０００１～０．０１％、および
　　ＲＥＭ：０．０００１～０．５％からなる群より選択される少なくとも１つをさらに含有する、上記５に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
７．前記鋼管の組織における残留オーステナイトの面積分率が０～３％であり、
　アスペクト比２．０以上かつ長径１０μｍ以上の介在物の個数密度が１０個／１００ｍｍ2以下である、上記５または６に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
　本発明の高圧水素ガス用蓄圧器においては、複数の鋼管をねじによりつなぎ合わせることで鋼製容器を構成する。そのため、蓄圧器全体のサイズに比べて小さい鋼管を単位として製造や運搬を行い、設置場所でつなぎ合わせて完成させることが可能である。したがって、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器は生産性および運搬性に優れている。また、つなぎ合わせる鋼管の本数を変えることによって自由に容量を変えることができるため、設置場所に応じて最適な水素貯蔵量を容易に実現することができる。そのため、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器は、水素ステーションのみならず、例えば、洋上風力発電や山間部、船上、港湾等、水素貯蔵が必要な様々な場所において好適に用いることができる。
本発明の第１の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。 本発明の第２の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。 第２の実施形態において、Ｏリングを用いた場合の構造の一例を示す断面模式図である。 本発明の第３の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。 第３の実施形態において、Ｏリングを用いた場合の構造の一例を示す断面模式図である。 本発明の第４の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。 本発明の第４の実施形態において、リークポートを設けた場合の構造の一例を示す断面模式図である。 本発明の第１の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器の構造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。
［鋼製容器］
　本発明においては、上記鋼製容器が、ねじによりつなぎ合わされた２本以上の鋼管で構成されていることが重要である。したがって、前記鋼製容器は鋼管同士の接合部に溶接部を有しない。以下、その主な効果について説明する。
　まず、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器は、複数の鋼管に分割された状態で製造、運搬し、設置場所において所定のサイズに組み上げることが可能である。そのため、大容量の蓄圧器であっても容易に製造、運搬することができる。また、連結する鋼管の数を変えるだけで所望の容量の蓄圧器を得ることができる。
　なお、複数の鋼管を連結する方法としては、溶接が一般的に用いられている。しかし、溶接で鋼管を接合すると、接合部の組織が溶接組織となる。溶接組織は、溶接時の熱の影響を受けて変質した組織であり、母材に比べて靱性が劣っている。また、設置場所で溶接を行う場合、溶接条件を精密に制御することが難しいため、溶接品質を確保することが難しい。そのため、溶接による接合では、高圧水素ガスを充填した際に鋼管同士のつなぎ合わせ部から破断が生じるおそれがある。
　これに対して、本願発明では鋼管同士をねじによりつなぎ合わせるため、現場で溶接を行う必要がなく、容易に蓄圧器を組立てることができる。また、溶接で接合する場合に比べて強度も優れている。なお、鋼管同士をねじにより連結する方法については後述する。
　上記鋼管の材質としては、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鋼管を用いることが好ましい。
　本発明の一実施形態においては、質量％で、
　　Ｃ　：０．００５～０．６０％、
　　Ｓｉ：０．００１～２．０％、
　　Ｍｎ：０．０１～５．０％、
　　Ｐ　：０．０００１～０．０６０％、
　　Ｓ　：０．００００１～０．０１０％、
　　Ｎ　：０．００００１～０．０１０％、
　　Ａｌ：０．０００１～１．００％、
　　Ｏ　：０．０１０％以下、および
　　Ｈ　：０～０．００１０％を含み、
　　残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼管を用いることが好ましい。
　なお、Ｈは、製造条件等によっては鋼中に含まれうる元素である。しかし、破壊靱性をさらに向上させるという観点からは、Ｈ含有量が少ないことが好ましく、具体的には０．００１０％以下であることが好ましい。Ｈ含有量は低ければ低いほどよいため、Ｈ含有量の下限は０％であってよい。
　　前記成分組成は、質量％で、
　　Ｍｏ：０．０００１～５．０％、
　　Ｃｒ：０．０００１～５．０％、
　　Ｎｉ：０．０００１～５．０％、
　　Ｃｕ：０．０００１～５．０％、
　　Ｃｏ：０．０００１～５．０％、
　　Ｂ　：０．０００１～０．０１％、
　　Ｖ　：０．０００１～１．０％、
　　Ｗ　：０．０００１～５．０％、
　　Ｎｂ：０．０００１～０．１％、
　　Ｔｉ：０．０００１～０．１％、
　　Ｚｒ：０．０００１～０．２％、
　　Ｈｆ：０．０００１～０．２％、
　　Ｔａ：０．０００１～０．２％、
　　Ｓｂ：０．０００１～０．２％、
　　Ｓｎ：０．０００１～０．２％、
　　Ｃａ：０．０００１～０．０１％、
　　Ｍｇ：０．０００１～０．０１％、および
　　ＲＥＭ：０．０００１～０．５％からなる群より選択される少なくとも１つをさらに含有することもできる。
　なお、上記２本以上の鋼管それぞれの成分組成は同じであっても異なっていてもよい。しかし、鋼管の間の電位差に起因する腐食を防止するという観点からは、前記鋼製容器を構成するすべての鋼管が同じ成分組成を有することが好ましい。
　上記鋼管の組織についても特に限定されず、任意の組織を有する鋼管を用いることができる。なお、疲労き裂の進展速度を低下させ、耐水素ガス性を向上させるという観点からは、残留オーステナイトの面積分率が０～３％であり、アスペクト比２．０以上かつ長径１０μｍ以上の介在物の個数密度が１０個／１００ｍｍ2以下である組織を有する鋼管を用いることが好ましい。前記個数密度の下限は特に限定されないが、０個／１００ｍｍ2であってよい。
　なお、本明細書の開示における「組織」とは、鋼管の長手方向中央、かつ内側の肉厚１／４位置における組織を指すものとする。すなわち、各組織の面積分率は、鋼管の長手方向中央、かつ内側の肉厚１／４位置における当該組織の面積分率である。同様に、上記介在物の個数密度は、鋼管の長手方向中央、かつ内側の肉厚１／４位置における個数密度である。
　残留オーステナイトの面積分率は、Ｘ線回折で測定することができる。前記測定においては、鋼管の長手方向中央、内側の肉厚１／４位置から試験片を採取し、前記試験片の切断面を化学研磨した後に測定を行う。その際、入射Ｘ線にはＣｏ－Ｋα線源を用い、フェライトの（２００）、（２１１）、（２２０）面とオーステナイトの（２００）、（２２０）、（３１１）面の強度比から残留オーステナイトの面積分率を算出する。
　上記介在物の個数密度は、光学顕微鏡を用いた観察により求めることができる。まず、鋼管の長手方向中央、内側の肉厚１／４位置から介在物測定用の試験片を採取する。前記試験片の寸法は、長さ方向：２０ｍｍ、幅方向：５ｍｍ、肉厚方向：１５ｍｍとする。次いで、鋼管の圧延方向に対して長手方向と肉厚方向からなる面（Ｌ断面）が観察面となるように前記試験片を樹脂に埋込み、表面を鏡面研磨する。鏡面研磨された前記表面を光学顕微鏡で観察し、１０ｍｍ×１０ｍｍの領域における、アスペクト比２．０以上、かつ、長さ１０μｍ以上の介在物の個数を測定する。得られた介在物の個数を前記領域の面積（１００ｍｍ2）で割ることにより、個数密度を算出する。
　なお、介在物測定用の試験片は測定対象の鋼管１つについて１０個ずつ採取し、この１０個の試験片における個数密度を算術平均して、その鋼管の介在物の個数密度とする。なお、介在物のアスペクト比および長径は、ＪＩＳ　Ｇ０５５５：２０２０（鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法）の規格に準拠して求める。
　また、同様の観点から、鋼管の組織に占めるマルテンサイトおよびベイナイトの合計面積分率が８０％以上であることが好ましく、マルテンサイトの面積分率が８０％以上であることがより好ましい。前記マルテンサイトおよびベイナイトの合計面積分率の上限は特に限定されないが、１００％であってよい。前記マルテンサイトの面積分率の上限は特に限定されないが、１００％であってよい。また、フェライトの面積分率は、５％以下であることが好ましい。前記フェライトの面積分率の下限は特に限定されないが、０％であってよい。なお、本明細書において、マルテンサイトには、焼戻しマルテンサイトも包含するものと定義する。
　マルテンサイト、ベイナイト、およびフェライトの面積分率は、顕微鏡観察により組織写真を撮影し、前記組織写真を画像解析することにより求めることができる。前記顕微鏡観察には、光学顕微鏡および走査電子顕微鏡（scanning electron microscope）のいずれを用いてもよく、観察は１００～５０００倍間の適切な倍率で行うことができる。前記顕微鏡観察に用いる試験片は、鋼管の長手方向中央、内側の肉厚１／４位置が観察位置となるように採取する。採取された試験片の断面を、３ｖｏｌ％ナイタール溶液を用いてエッチングしてミクロ組織を現出させた後、前記顕微鏡観察を行う。前記組織写真における各組織の同定は、例えば、該組織写真の各部における組織と、非特許文献２に収録されている組織写真とを比較することにより行うことができる。
　なお、上記２本以上の鋼管それぞれの組織は同じであっても異なっていてもよいが、同じ組織とすることが好ましい。
　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。水素脆化を防止する観点からは、上記２本以上の鋼管それぞれの引張強さ（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。一方、前記引張強さの下限についても限定されないが、引張強さが低い場合には、蓄圧器に求められる強度を確保するために鋼管の肉厚を増加させる必要があり、コストの増加を招く。そのため、上記２本以上の鋼管それぞれの引張強さは８００ＭＰａ以上とすることが好ましい。
　上記鋼管としては、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、電縫管、スパイラル鋼管、ＵＯＥ鋼管、鋼材の内部を機械加工等によりくり抜いて鋼管形状としたものや、鍛造加工によって鋼管状に製造したものであってもよく、さらには加熱した鋼片を圧延して鋼管形状としたシームレス鋼管であってもよい。
　なお、本発明では、鋼管同士を溶接ではなくねじによりつなぎ合わせることを必須としているが、個々の鋼管自体の製造に溶接を用いることは許容される。その理由は次のとおりである。
　すなわち、上述したように現場で鋼管同士を接合する場合、溶接条件を精密に制御することが難しいため、溶接品質が問題となる。しかし、一般的に鋼管を製造する際の溶接は、製鉄所等の工場において厳密に制御された条件下で実施されるため、溶接品質が高い。また、必要に応じて溶接部の機械的特性を向上させるための溶接後熱処理なども行われる。そのため、鋼管同士を現場で溶接した溶接部に比べ、通常の鋼管自体の溶接部が破断の原因となる可能性は低い。そのため、電縫管、スパイラル鋼管、ＵＯＥ鋼管のように、溶接を用いて製造された鋼管を用いることも可能である。
　しかし、より一層破断リスクを低減し、より高い圧力での使用を可能とするという観点からは、前記鋼管としてシームレス鋼管を用いることが好ましい。シームレス鋼管は、溶接部を有しないため母材の特性が鋼管全体で均一であることに加え、くり抜きや鍛造によって製造される鋼管に比べて低コストでありながら靭性などの特性にも優るため、特に好適である。
　また、個々の鋼管の長さは特に限定されず、任意の長さとすることができる。しかし、鋼管の長さが過度に短いと、蓄圧器１つあたりの接合部の数が増加し、コストアップ要因となる。そのため、前記２本以上の鋼管それぞれの長さは３ｍ以上とすることが好ましく、５ｍ以上とすることがより好ましい。一方、個々の鋼管が長い場合は接合部を低減でき、コスト低減の可能性があるが、長すぎると、運搬が困難となる場合がある。前記２本以上の鋼管それぞれの長さは１００ｍ以下とすることが好ましく、車両で運搬可能な１２ｍ以下がより好ましく、６ｍ以下とすることがさらに好ましい。
　上述したように、本発明の高圧水素ガス用蓄圧器では、製造上および輸送上の制約を受けることなく、設置場所のスペースに応じた数の鋼管をつなぎ合わせることによって、任意の容積を確保することができる。そのため、１つの鋼製容器を構成する鋼管の数は特に限定されず、２以上の任意の数とすることができる。例えば、タンカーなどに積載する場合、数十本～百数十本の鋼管をつなぎ合わせて長さ数十～数百メートルの蓄圧器を構成することができる。また、数百本を超えるような多数の鋼管をつなぎ合わせて、超大容量の蓄圧器を構成することもできる。したがって、鋼管の数の上限は限定されず、設置場所のスペースに応じた任意補本数とすることができる。例えば、本願発明の一実施形態においては、鋼管の数は、１０００以下であってよく、５００以下であってもよく、２００以下であってもよく、１００以下であってもよい。
［つなぎ合わせ部の構造］
　本発明において、鋼管同士をねじによってつなぎ合わせる部分（以下、「つなぎ合わせ部」という）の構造は特に限定されず、鋼管をねじによって連結できるものであれば任意の構造とすることができる。また、ねじの形状は特に限定されず、必要な応力を担持できるものであれば任意の形状とすることができる。
　上記鋼製容器を構成する鋼管は、各鋼管の中心軸が同軸状に配置されていることが好ましい。各鋼管の中心軸を同軸状に配置することにより、ねじ構造による接続をより容易に行うことができる。
　なお、本発明ではねじにより鋼管同士をつなぎ合わせるため、隣接する鋼管の中心軸のずれが大きいと、ねじ構造に曲げなどの応力がかかり、破損の原因となる。そのため、鋼製容器を構成する鋼管の中心軸のずれが５ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以内であることがより好ましい。なお、ここで、鋼製容器を構成する鋼管の中心軸のずれとは、該鋼製容器に含まれる各鋼管の中心軸と、当該鋼管に隣接する鋼管の中心軸との間のずれの最大値と定義する。
　また、つなぎ合わせ部には、シール部材を配置することが好ましい。シール部材を設けることにより、さらに水素ガスの漏洩を防止することができる。前記シール部材は、典型的には隣接する２つの鋼管の間に配置することができる。また、後述するカップリングを用いて接続する場合には、鋼管と、該鋼管に隣接するカップリングとの間にシール部材を配置することが好ましい。前記シール部材としては、特に限定されることなく、ガスケット、パッキン、Ｏリングなど、任意のシール部材を用いることができる。
　前記シール部材の材質は特に限定されず、金属、樹脂など、任意の材料を用いることができる。シール性向上の観点からは、ねじを締め込んだ際に変形してシール性を高めることができる、樹脂、銅などを用いることが好ましい。
　また、より確実に漏洩を防止するという観点からは、シール部材を２重配置することがより好ましい。ここで、２重配置とは、鋼管と、該鋼管に隣接する部材（他の鋼管またはカップリング）との間に、２つのシール部材を配置することを意味する。
　さらに、本発明のように鋼管同士をねじによりつなぎ合わせた構造においては、ねじ部に応力が集中する。そのため、前記シール部材は、ねじ部よりも鋼製容器の内部側に配置することが好ましい。ねじ部よりも鋼製容器の内部側にシール部材を配置することにより、ねじ部が水素ガスに触れることを防止できる。そしてその結果、ねじ部の水素脆化を抑制できるので、鋼製容器の破壊リスクを低減することができる。
　前記鋼製容器は、両端に蓋を備えることができる。前記蓋としては、鋼製容器を密閉できるものであれば任意の蓋を用いることができる。前記蓋の材質は特に限定されないが、一般的には鋼製の蓋を用いることが好ましい。前記蓋は、ねじ込み式の蓋であることが好ましい。
　以下、４つの好適なつなぎ合わせ部の構造について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では、鋼管の内径および外径が同じである場合を例として説明しているが、個々の鋼管の内径および外径は、同じであっても異なっていてもよい。
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器１のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。本実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器の鋼製容器は、複数の鋼管１０で構成されており、互いに隣接する鋼管同士は、図１に示した構造のねじによりつなぎ合わされている。
　すなわち、第１の鋼管１０ａの一方の端部には雌ねじ部１１ａが形成されており、第２の鋼管１０ｂの一方の端部には、第１の鋼管１０ａの雌ねじ部１１ａと螺合する雄ねじ部１２ｂが設けられている。そして、第１の鋼管１０ａの雌ねじ部１１ａと第２の鋼管１０ｂの雄ねじ部１２ｂを螺合させることにより、第１の鋼管１０ａと第２の鋼管１０ｂとが連結されている。
　シール部を配置する場合には、雌ねじ部１１ａの一番左のネジ部のさらに左の位置、すなわち、水素ガスがねじ部に到達することを防止できる位置に設置することが好ましい（後述する第２の実施形態の図３を参照）。
　前記鋼製容器は、両端に蓋を備えることができる。前記蓋としては、鋼製容器を密閉できるものであれば任意の蓋を用いることができる。例えば、図８に示すように、鋼製容器の端部にねじ込み式の蓋５０を設けることができる。なお、後述する他の実施形態においても同様に蓋を設けることができる。なお、図８に示した鋼製容器は、ねじによりつなぎ合わされた２本の鋼管で構成されているが、鋼管の数は２以上の任意の数であってよい。
（第２の実施形態）
　図２は、本発明の第２の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器１のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。本実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器の鋼製容器は、複数の鋼管１０で構成されており、互いに隣接する鋼管同士は、図２に示したように鋼管の内側に設けられたカップリング２０を用いてつなぎ合わされている。
　すなわち、第１の鋼管１０ａの一方の端部には雌ねじ部１１ａが形成されており、カップリング２０の一方の端部には、第１の鋼管１０ａの雌ねじ部１１ａと螺合する雄ねじ部２２が設けられている。また、第２の鋼管１０ｂの一方の端部には雌ねじ部１１ｂが形成されており、カップリング２０の他方の端部には、第２の鋼管１０ｂの雌ねじ部１１ｂと螺合する雄ねじ部２２が設けられている。そして、第１の鋼管１０ａの雌ねじ部１１ａとカップリング２０の一方の端部の雄ねじ部２２を、第２の鋼管１０ｂの雌ねじ部１１ｂとカップリング２０の他方の端部の雄ねじ部２２を、それぞれ螺合させることにより、カップリング２０を介して第１の鋼管１０ａと第２の鋼管１０ｂとが連結されている。
　さらに、図３に示すように、鋼管１０とカップリング２０の間にシール部材としてのＯリング３０を設けることが好ましい。特に、図３に示したようにＯリング３０を２重配置することにより、より確実に水素ガスの漏洩を防止することができる。
　なお、図２、３に示した例では、カップリング２０の内径と鋼管１０の内径が同一のケースを示しているが、カップリング２０の内径と鋼管１０の内径は異なっていてもよい。また、図２、３に示した例では、第１の鋼管１０ａと第２の鋼管１０ｂとが接触しているが、両者は離れていてもよい。
（第３の実施形態）
　図４は、本発明の第３の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器１のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。本実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器の鋼製容器は、複数の鋼管１０で構成されており、互いに隣接する鋼管同士は、図４に示したように鋼管の内側に設けられたカップリング２０を用いてつなぎ合わされている。
　すなわち、第１の鋼管１０ａの一方の端部には雄ねじ部１２ａが形成されており、カップリング２０の一方の端部には、第１の鋼管１０ａの雄ねじ部１２ａと螺合する雌ねじ部２１が設けられている。また、第２の鋼管１０ｂの一方の端部には雄ねじ部１２ｂが形成されており、カップリング２０の他方の端部には、第２の鋼管１０ｂの雄ねじ部１２ｂと螺合する雌ねじ部２１が設けられている。そして、第１の鋼管１０ａの雄ねじ部１２ａとカップリング２０の一方の端部の雌ねじ部２１を、第２の鋼管１０ｂの雄ねじ部１２ｂとカップリング２０の他方の端部の雌ねじ部２１を、それぞれ螺合させることにより、カップリング２０を介して第１の鋼管１０ａと第２の鋼管１０ｂとが連結されている。
　さらに、図５に示すように、鋼管１０とカップリング２０の間にシール部材としてのＯリング３０を設けることが好ましい。特に、図５に示した例では、第１の鋼管１０ａとカップリング２０の間、第２の鋼管１０ｂとカップリング２０の間に加え、第１の鋼管１０ａと第２の鋼管１０ｂの間（当接部）にもＯリングが設けられている。
　なお、図４、５に示した例では、カップリング２０の内径と鋼管１０の内径が同一のケースを示しているが、カップリング２０の内径と鋼管１０の内径は異なっていてもよい。また、図４、５に示した例では、第１の鋼管１０ａと第２の鋼管１０ｂとが接触しているが、次の第４の実施形態で説明するように両者は離れていてもよい。
（第４の実施形態）
　図６は、本発明の第４の実施形態における高圧水素ガス用蓄圧器１のつなぎ合わせ部の構造を示す断面模式図である。本実施形態の鋼製容器では、上記第３の実施形態と同様、互いに隣接する鋼管同士が鋼管の内側に設けられたカップリング２０を用いてつなぎ合わされている。しかし、上記第３の実施形態では第１の鋼管１０ａの先端と第２の鋼管１０ｂの先端が当接していたのに対して、本実施形態では第１の鋼管１０ａの先端と第２の鋼管１０ｂの先端が直接接触しない。それ以外の点については上記第３の実施形態と同様とすることができる。例えば、図７に示すように、鋼管１０とカップリング２０の間にシール部材としてのＯリング３０を設けることが好ましい。
　さらに、水素漏洩検知のためのリークポートを少なくとも１つ設置することも好ましい。リークポートの先に水素検知器を配置することで、水素ガスの漏れを検知することができる。リークポートの設置位置は特に限定されないが、カップリングの端部と該端部に最も近いねじ山との間およびシール部材と該シール部材に最も近いねじ山との間の一方または両方に設置することが好ましい。図７に、リークポート４０を設ける場合の配置の一例を示す。リークポート４０には、図示されない水素検知器などを接続することができる。
　なお、図１で示したようにねじにより鋼管同士を直接つなぎ合わせる場合や、図２、３で示したように鋼管の内側に設けられたカップリングを用いる場合でもリークポートを設けることができる。しかし、その場合には鋼管にリークポートを設ける必要がある。一方、上記図７で示したように、鋼管の外側に設けられたカップリングを用いる場合には、カップリングにリークポートを設ければよいため、製造がより容易である。
　なお、つなぎ合わせ部の構造にかかわらず、ねじ締結後、使用圧力の１．５倍以上の圧力を付与し、ねじ底に圧縮残留応力を付与することも好ましい。圧縮残留応力を付与することにより、使用可能回数を増加させることができる。
　また、腐食防止の観点から表面に塗装等の防食処理を施すことが好ましい。また、ねじ接合部近傍に支持台を設置し接合部へ過剰な応力を低減することが好ましい。
　次に、本発明の効果を確認するために、複数の鋼管を用いて鋼製容器を作製し、性能を評価した。
　具体的には、まず、表１に示す材質、種類、寸法の鋼管を、それぞれ２つずつ作製し、表１に示した接合方法で２本の鋼管を接合して鋼製容器とした。表１における鋼管の材質の記号は、それぞれ次の鋼種を意味する。
ａ：Ｘ５２
ｂ：ＳＣＭ４３５
ｃ：ＳＮＣＮ４３９
ｄ：Ｘ６５
　また、表１に示した接合方法の記号Ａ～Ｆは、それぞれ以下の構造を表している。Ａ～Ｅの構造は、それぞれ図１～５に示した通りとした。また、Ｏリングとしては、樹脂製のものを用いた。
Ａ：直接ねじ接合
Ｂ：内側カップリング（Ｏリングなし）
Ｃ：内側カップリング（Ｏリングあり）
Ｄ：外面カップリング（Ｏリングなし）
Ｅ：外面カップリング（Ｏリングあり）
Ｆ：溶接
　前記容器の両端部は、接合部と同様のねじ形状を有する厚さ１１０ｍｍの蓋で封止した。いずれに実施例においても前記蓋の材質はＴＳ（引張強さ）：９００ＭＰａ級のＳＮＣＭ４３９鋼とし、前記ＳＮＣＭ４３９鋼を鍛造によって蓋形状とした。水素ガスは前記蓋の中央部に穴をあけ、配管をつないで導入した。なお、蓋は、ねじ構造のない蓋と、蓋を支えるねじ付き部材の二つを備える構造でもよい。
　なお、使用した素材のうち、ＳＣＭ４３５、ＳＮＣＭ４３９鋼については、焼入れ焼戻しによりＴＳ８００～９００ＭＰａに調整した。また、Ｘ５２およびＸ６５については、熱間圧延により製造した。
　なお、比較のために、Ｎｏ．７では電縫溶接鋼管を使用し、前記電縫溶接鋼管同士を溶接で接合した。また、Ｎｏ．８ではＵＯＥ鋼管を溶接により接合した。溶接は各鋼種の標準的な条件で行った。ねじにより接合したＮｏ．１～６の接合部は、溶接を行っていないため母材組織のままであるのに対して、Ｎｏ．７～９の接合部組織は溶接組織である。
　各鋼管におけるマルテンサイト（Ｍ）、ベイナイト（Ｂ）、残留オーステナイト（ＲＡ）、およびフェライトの面積分率を、先に説明した方法で測定した。また、アスペクト比２．０以上かつ長径１０μｍ以上の介在物の個数密度についても、先に説明した方法で測定した。前記面積分率および介在物の個数密度の測定には、鋼管の長手方向中央、かつ内側の肉厚１／４位置から採取した試験片を使用した。測定結果を表１に併記する。
（昇圧試験）
　得られた鋼製容器を用いて高圧水素ガス用蓄圧器を作製し、実際に内部に純水素を充填し、ねじ接合もしくは溶接部からの水素の漏れを確認した。具体的には、水素ガスを圧縮機で所定の圧力まで昇圧し、前記高圧水素ガス用蓄圧器に充填した。その状態で１０分間保持し、水素ガスの漏れが発生するか否かを試験した。圧力を５ＭＰａ刻みで最大５０ＭＰａまで上昇させながら前記試験を繰返し行い、漏洩が発生しない最高圧力を求めた。評価結果を表１に併記する。
（靱性）
　また、作製した蓄圧器を用い、水素ガス中における接合部の靱性を、ASTM-E1820に従って評価した。具体的には、接合部（溶接によって接合した鋼製容器については、溶接金属およびＨＡＺ（熱影響部））より、試験片の方向がＬ－Ｃ方向となるように蓄圧器一つあたり３つの試験片を採取し、破壊靱性を測定した。なお、試験方法はASME E1681でもASTM E399に従った方法で評価してもよい。試験環境は、純水素、２１ＭＰａとした。３つの試験片における破壊靭性値の平均値が５２ＭＰａ・ｍ1/2より高い場合を良好、５２ＭＰａ・ｍ1/2以下の場合を不良と判定した。評価結果を表１に併記する。
　表１に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たす高圧水素ガス用蓄圧器は、漏洩が発生しない最高圧力が１５ＭＰａ以上であるとともに、水素ガス中における接合部の靱性も良好であった。これに対して、溶接により接合した蓄圧器では、漏洩が発生しない最高圧力が１０ＭＰａであった。また、水素ガス中における接合部の靱性も不良であった。
　このように、本発明によれば、生産や運搬が容易な鋼管を接続することにより、高圧水素ガスを安定して貯蔵することができる大容量の蓄圧器を容易に作成することができる。なお、本実施例では２本の鋼管で鋼製容器を作製したが、３本以上用いる場合でも圧力が同じであれば個々の接続部にかかる負荷は基本的に変わらない。参考までに、各実施例のサイズの鋼管を用いて、一般的な水素ステーションの水素貯蔵量約１００ｋｇの１０倍の１０００ｋｇの水素を貯蔵できる蓄圧器を作製するために必要な鋼管の本数を表１に併記する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　　１　　高圧水素ガス用蓄圧器
　１０　　鋼管
（１０ａ　第１の鋼管）
（１０ｂ　第２の鋼管）
　１１　　雌ねじ部
　１２　　雄ねじ部
　２０　　カップリング
　２１　　雌ねじ部
　２２　　雄ねじ部
　３０　　Ｏリング
　４０　　リークポート
　５０　　蓋

Claims (7)

  1. 　鋼製容器を備える高圧水素用蓄圧器であって、
    　前記鋼製容器が、ねじによりつなぎ合わされた２本以上の鋼管で構成されている、高圧水素ガス用蓄圧器。
  2. 　前記ねじによるつなぎ合わせが、前記鋼管の内側に設けられたカップリングにより行われる、請求項１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
  3. 　前記ねじによるつなぎ合わせが、前記鋼管の外側に設けられたカップリングにより行われる、請求項１に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
  4. 　前記２本以上の鋼管のつなぎ合わせ部にシール部材を有する、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。
  5. 　前記鋼管が、質量％で、
    　　Ｃ　：０．００５～０．６０％、
    　　Ｓｉ：０．００１～２．０％、
    　　Ｍｎ：０．０１～５．０％、
    　　Ｐ　：０．０００１～０．０６０％、
    　　Ｓ　：０．００００１～０．０１０％、
    　　Ｎ　：０．００００１～０．０１０％、
    　　Ａｌ：０．０００１～１．００％、
    　　Ｏ　：０．０１０％以下、および
    　　Ｈ　：０～０．００１０％を含み、
    　　残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する、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。
  6. 　前記成分組成が、質量％で、
    　　Ｍｏ：０．０００１～５．０％、
    　　Ｃｒ：０．０００１～５．０％、
    　　Ｎｉ：０．０００１～５．０％、
    　　Ｃｕ：０．０００１～５．０％、
    　　Ｃｏ：０．０００１～５．０％、
    　　Ｂ　：０．０００１～０．０１％、
    　　Ｖ　：０．０００１～１．０％、
    　　Ｗ　：０．０００１～５．０％、
    　　Ｎｂ：０．０００１～０．１％、
    　　Ｔｉ：０．０００１～０．１％、
    　　Ｚｒ：０．０００１～０．２％、
    　　Ｈｆ：０．０００１～０．２％、
    　　Ｔａ：０．０００１～０．２％、
    　　Ｓｂ：０．０００１～０．２％、
    　　Ｓｎ：０．０００１～０．２％、
    　　Ｃａ：０．０００１～０．０１％、
    　　Ｍｇ：０．０００１～０．０１％、および
    　　ＲＥＭ：０．０００１～０．５％からなる群より選択される少なくとも１つをさらに含有する、請求項５に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
  7. 　前記鋼管の組織における残留オーステナイトの面積分率が０～３％であり、
    　アスペクト比２．０以上かつ長径１０μｍ以上の介在物の個数密度が１０個／１００ｍｍ2以下である、請求項５または６に記載の高圧水素ガス用蓄圧器。
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