(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴部と、この胴部の両端に接合された鏡板部とを有する水素蓄圧器において、
前記胴部は、内管と外管とが加熱水圧拡管法により機械的に接合した二重管構造からなり、
前記鏡板部は、内層材と外層材とが熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）により冶金的に接合した二層構造からなり、
前記鏡板部の内層材は、前記胴部の内管よりも高い耐水素性を有し、
前記胴部と前記鏡板部とが溶接接合されており、溶接接合部の内層部が前記鏡板部の内層材と同等又はそれ以上の耐水素性を有することを特徴とする水素蓄圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を高圧で貯蔵する水素蓄圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギー源として世界的に水素が注目されており、水素を燃料とする燃料電池自動車の開発、促進が広く行われている。燃料電池自動車はガソリンの代わりに水素をタンクに積んで走行するため、水素を保管する車載の水素タンク及びガソリンスタンドに相当する水素ステーションにおける水素を高圧で貯蔵する水素蓄圧器が必要となる。
【０００３】
水素蓄圧器は現在４タイプに区分されており、タイプ１はアルミあるいは鋼製のもの、タイプ２は金属の薄いライナーを内側にし、その外側をＦＲＰで補強するもの、タイプ３は金属のライナーを内側にし、その外側を樹脂で含浸したシートで補強するもの、タイプ４は繊維又はシートで補強した樹脂製のものである。
【０００４】
水素を高圧で貯蔵するためには水素の圧力に耐える必要があるところ、当初、水素ステーションの水素蓄圧器で貯蔵する水素の圧力は２０ＭＰａ程度であったが、貯蔵量を多くしてコストを下げる必要から、近年は４０ＭＰａが主流となっており、さらに８０ＭＰａ以上が必要とされつつある。
【０００５】
水素ステーションの水素蓄圧器においては、車載のものと比較して水素の貯蔵量が大きいため、より高い安全性が求められる。しかしながら、前述のタイプ２〜タイプ４では圧力に対する補強材が繊維やシートで補強された樹脂によって作られているため、安全性には限度がある。例えば、特許文献１では、金属のライナー（例：高強度鋼ＳＡ−７２３、３５ｍｍ厚み）とライナー外周に配した繊維強化プラスチック（例：３５ｍｍ厚み）とによって蓄圧した水素による内圧荷重を分担し、水素蓄圧器の高強度化、軽量化を図るとしているが、十分とは言えない。
【０００６】
一方、タイプ１では金属の耐水素性が問題となる。すなわち、低合金鋼等の鋼材に水素が侵入すると水素脆化することが知られている。水素圧力が１５ＭＰａ程度までであれば十分な肉厚を有する低合金鋼を使用すれば良いが、それ以上の圧力では水素脆化による破壊の可能性が高まるため、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼が使用される。
【０００７】
この水素脆化の問題に対し非特許文献１では、タイプ１の場合、高圧力に耐えうる強度に加えて脆性破壊を防止するために粘り強さ（靭性）を兼ね備える必要が指摘されており、この強度と靭性を満足するために熱処理と特殊な合金鋼が提案されている。しかしながら、提案されたＳＮＣＭ４３９（ニッケルクロムモリブデン鋼）であっても、９０ＭＰａに対応するには７１ｍｍ厚みが必要であり、重量が大となると同時に経済性に劣ることとなる。
【０００８】
また、特許文献２では、タイプ１において、内側にアルミニウム又はアルミニウム合金のライナー層を１００ｎｍ〜１０ｍｍ設け、その外側にステンレス鋼の層を設けた二層構造が提案されている。この特許文献２によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金のライナー層が、その外側のステンレス鋼への水素侵入を防止するとされている。しかしながら、特許文献２においてライナー層とステンレス鋼との接合は、メッキやクラッド等の冶金的接合で行われており、このような冶金的接合では、内側のライナー層から外側のステンレス鋼への水素侵入を十分に防止することはできない。このため、特許文献２では、外層材に水素侵入による延性、靭性などの機械的性質の劣化が小さいオーステナイト系ステンレス鋼を使用することとしており、重量と経済性を十分に両立できたとは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５−１５８２４３号公報
【特許文献２】特開２００４−３２４８００号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】和田洋流  水素スタンド用鋼製蓄圧器の材料選定と安全性評価について  水素エネルギーシステムＶｏｌ．３５，Ｎｏ．４（２０１０）ｐ．３８〜ｐ．４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、耐水素性に優れ、かつ高強度化により厚み（重量）を小さくでき経済性に優れる水素蓄圧器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するため本発明では、胴部と、この胴部の両端に接合された鏡板部とを有する水素蓄圧器において、前記胴部を、内管と外管とが機械的に接合した二重管構造としたことを特徴とするものである。以下、本発明の特徴を詳しく説明する。
【００１３】
水素は鋼材表面にある水及び鉄成分を介して鋼と反応しＨ＋として鋼中に侵入し、約２ｐｐｍを超えると鋼にクラックを発生させる。したがって、水素に接する鋼材はできるだけ水素脆性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウムが良いとされているが、水素蓄圧器が一層構造の場合は、この層にさらに耐圧性能（強度及び靭性）が必要となる。その結果、現在はオーステナイト系ステンレス鋼や高合金鋼（ニッケルクロムモリブデン鋼）の厚い鋼材が使用されているが、これを二層構造にして、内層は耐水素性に優れた材料、外層は強度や靭性に優れた材料とする考えは前記特許文献２に見られるように従前よりあった。しかしながら、通常、二層構造の製作はメッキやクラッド等の冶金的接合で行われ、その場合、水素との接触表面で発生したＨ＋は内層から外層までそのまま透過してしまい、鋼中のいずれかの場所で２ｐｐｍを超え、鋼材にクラックを発生させる。
【００１４】
そこで、本発明では水素蓄圧器の胴部を二層構造、具体的には二重管構造とするにあたり、内管と外管との接合を冶金的接合ではなく、機械的接合によるものとしている。この結果、内管をＨ＋として透過して来た水素は内管を出たところで一旦極低圧のＨ２となるが、このＨ２は分子のために、このままでは外管中に再侵入することはできない。すなわち、外管中に再侵入するには、内管中に侵入するときと同様の高圧高濃度の水素と水とによりＨ＋となる必要があるが、一般的には内管と外管との間でこのような条件を満足することはできない。
【００１５】
このように内管と外管とが機械的に接合した二重管構造では、内管を透過したＨ＋はそのまま外管は透過せず一旦Ｈ２となるため、外管には特別の耐水素性に優れた鋼材を使用する必要がない。なお、内管の耐水素鋼に欠陥発生が危惧される場合は、内管と外管との間で水素が高圧化するのを防止するためにＨ２検出端子を内管と外管との間に設置すればより安全である。
【００１６】
ここで、内管と外管とを機械的に接合する方法としては、加熱水圧拡管法が好適である。この加熱水圧拡管法とは、例えば特公昭５６−４６４５１号公報に記載のとおり、加熱膨張させた外管内に内管を挿入したのち当該内管を水圧によって拡管し、その後、当該外管を熱収縮させることによって両管を緊着締結させる方法である。ただし、内管と外管とを機械的に接合できる方法であれば加熱水圧拡管法には限定されず、例えば、加熱を伴わない水圧拡管法や、水圧拡管を伴わない焼嵌め法を採用することもできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、水素蓄圧器の本体である胴部を、内管と外管とが機械的に接合した二重管構造としたので、内管には水素の発生・透過が小さい耐水素性に優れた鋼材を、外管には耐圧性能（高強度）及び靭性に優れた鋼材を自由に選ぶことができる。これにより、耐水素性に優れ、かつ高強度化により厚み（重量）を小さくでき経済性に優れる水素蓄圧器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の水素蓄圧器の一実施形態を示す全体概略図である。
【図２】本発明の水素蓄圧器において胴部と鏡板部を溶接接合する工程例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、水素蓄圧器の一実施形態を示す全体概略図である。同図に示す水素蓄圧器は、円筒状の胴部と、この胴部の両端に接合された半球状の鏡板部とを有し、胴部と鏡板部とは溶接接合により一体化されている。
【００２０】
胴部は、内管と外管とが機械的に接合した二重管構造からなる。一方、本実施形態において鏡板部は、内層材と外層材とが冶金的に接合した二層構造からなる。鏡板部の二層構造を冶金的接合によるものとしたのは、鏡板部には、その形状から応力が集中しやすいことから、冶金的接合により強固な二層構造とすることが好ましいためである。冶金的接合法としては、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）が好適であるが、メッキやクラッドを採用しても良い。
【００２１】
このように本発明の水素蓄圧器において胴部の二重管構造は内管と外管との機械的接合によるものであるから、外管には耐水素性を必要としないため自由に鋼材を選択することができる。
【００２２】
一方、外管の肉厚と強度は次の式（１）の関係に基づき選定することができる。
ｔ＝（ＰＤ／２σ  ）・ｆ  ・・・（１）
ここで、ｔ：外管の肉厚
Ｐ：使用最大圧力
Ｄ：外管の外径
σ：外管の公称降伏強さ
ｆ：安全率
【００２３】
すなわち、高強度鋼材（公降伏強さが大）を使用すれば外管の肉厚（ｔ）を小さくすることができる。一般的には、高強度鋼材ほど価格が高い傾向にあるが、高強度鋼材の場合には肉厚を小さくできるため、全体の重量が小さくなり、設置部分の基礎や構造を簡略にすることができる。よって、その時々の状況に合わせて経済性も加味した最適の外管を選定することができる。なお、内管は耐水素性により選定することから、前記式（１）には内管の寄与は含めていない。実際の二重管構造では内管も強度向上に寄与するから、さらに安全性が向上する。
【００２４】
内管には耐水素性が必要とされるため、例えば表１に示すグループＡのオーステナイト系ステンレス鋼を選定することができる。さらに高い耐水素性を必要とする場合は、グループＢのＮｉを３０％以上含有するスーパーオーステナイト系ステンレス鋼又はＮｉ系合金鋼を選定することができる。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
このように内管には耐水素性の良好な材料を使用すれば良く、強度を必要としないため、経済的には薄いほど良いことになるが、機械的接合法（加熱水圧拡管法）による製造上から、内管厚み／内管外径≧１％が実用的、経済的である。なお、内管厚みが６ｍｍを超えると製造上の経済性が失われる。したがって、製造上、内管の厚みは２ｍｍ〜６ｍｍが適当である。
【００２７】
前述のとおり、内管と外管を冶金的接合ではなく機械的接合を行う種々の工業的方法の中で本発明に最も適する方法は加熱水圧拡管法である。この加熱水圧拡管法では、外管としては特別に機械研削や研磨等の２次加工を行っていない鋼管を一般のガス炉等の加熱手段によって熱膨張させて当該鋼管の内径を増径し、その中に当初の外管の内径より小さい外径の内管を低圧水で冷却しながら挿入した後、内管を高圧水で瞬時に加圧し、内管を塑性拡管及び合わせて外管も弾性内応力で随伴拡管する。その後、外管を内管に水を挿入することによって間接冷却させると当該外管は熱収縮によって内管にさらに当接し、締め付け力が発生することによって機械的接合でありながら強固な接合を得ることができる。この加熱水圧拡管法は、外管の熱収縮による締め付け力を利用しているために、内管及び外管の降伏強度等の制約がなく、自由な材質の選定が可能であることから、水素蓄圧器の胴部の製造に最も適している。
【００２８】
次に、鏡板部は胴部のいわゆる蓋に相当し、胴部の両端に位置するものであるが、その二層構造化については、工業的には胴部と同様の加熱水圧拡管法を採ることはできない。また、前述のとおり、鏡板部には応力が集中しやすいことから、冶金的接合により強固な二層構造とすることが好ましい。そこで、本実施形態において鏡板部は、内層材と外層材との熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）による冶金的接合により二層構造としている。
【００２９】
熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）では、外層材としての鏡板材の内側に内層材として薄肉ライナー材を配置し、これらを高温、高圧によって接合させ二層構造の鏡板部を製作する。この熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）は、加熱水圧拡管法に比較して複雑な形状にも対応でき、水素の出入口を設ける必要がある鏡板部の製作に適した冶金的接合方法と言える。なお、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）では、内層材（薄肉ライナー材）を外層材（鏡板材）に密着させるために内層材と外層材との間を１０−４Ｐａ以下の真空にすることが重要である。また、接合時の温度は、鏡板材の融点の８０％程度が好ましい。
【００３０】
このように鏡板部を内層材と外層材とが冶金的に接合した二層構造とする場合、その内層材には、胴部の内管より１ランク上位の耐水素性を有する材料を使用することで一層の安全性を確保することができる。具体的には、胴部の内管が表１のグループＡの場合は鏡板部の内層材は上位ランクのグループＢ又はＣを、胴部の内管がグループＢの場合は鏡板部の内層材はグループＣの材料を選定するのが良い。これらの組み合わせを表２に示す。
【００３１】
【表２】
0006753681.tif 000003
【００３２】
以上により製作した二重管構造の胴部と二層構造の鏡板部とは、溶接によって接合することができる。この溶接接合によって耐水素性を確保しつつ耐圧性を確保する必要があるため、この工程は重要である。その好ましい工程例を、図２を参照しつつ説明する。
【００３３】
まず胴部及び鏡板部の端面を加工した後（工程（１）−１及び工程（１）−２）、シール部を表３の溶接材料で肉盛り溶接する（工程（２））。その後、シール部をさらに端面加工し（工程（３））、最後に円周状にシール部に使用した溶接材料で内層部を溶接し、外層部はそれ以上の強度を有する高張力鋼の溶接棒によって溶接接合する（工程（４））。溶接接合は通常はアーク溶接法で行うが、電子ビーム溶接法によっても良い。
【００３４】
なお、シール部と溶接接合部の内層部に使用する溶接材料は、少なくとも鏡板部の内層材と同程度の耐水素性を有する材料であることが好ましく、表３に示すように鏡板部の内層材より高い耐水素性を有する材料であることがより好ましい。
【００３５】
【表３】
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【実施例】
【００３６】
〔実施例１〕
使用最大圧力７０ＭＰａを想定した実施例を実施例１として表４に示す。この実施例１では、胴部の内管材と鏡板部の内層材は組み合わせ１を採用した。具体的には、胴部の内管材はオーステナイト系ステンレス鋼であるＴＰ３１６Ｌとし、鏡板部の内層材はグレードを１ランク上げてＮｉ系合金鋼であるＬＣ２２４２とした。これにより、冶金的接合である鏡板部の耐水素性を機械的接合である胴部と同等とした。
【００３７】
また、胴部の外管材は使用最大圧力に対応し強度に優れた、米国石油協会ラインパイプ規格（ＡＰＩ  ５Ｌ）のＸ１００Ｍを採用し、肉厚を５７ｍｍとした。これだけの厚みがあれば、式（１）によって求められる必要肉厚を満足し、耐圧性能は十分にある。また、加熱水圧拡管法による製造上から、胴部内管の肉厚を５ｍｍとし、内管厚み／内管外径＝２．１％とした。鏡板部の外層材、内層材については、耐水素性以外は胴部に準じた設定とした。
【００３８】
なお、内層に関係する部分のシール部溶接材料及び溶接接合部の内層部は耐水素性に重きを置いた溶接材料を選定し、溶接接合部の外層部のみ強度を重視した溶接材料を選定した。
【００３９】
〔実施例２〕
使用最大圧力９０ＭＰａを想定した実施例を実施例２として表４に示す。この実施例２では、圧力が実施例１より若干高いため冶金的接合である鏡板部の内層材の耐水素性をさらにグレードアップしたＮｉ系合金鋼であるＬＣ２２６２とし、組み合わせ２を採用した。なお、耐圧性を増す必要があるため、胴部の外管材をグレードアップしてＸ１２０Ｍとした。これにより、外管の肉厚をほとんど実施例１と変えることなく、使用最大圧力９０ＭＰａに対応可能である。
【００４０】
〔実施例３〕
使用最大圧力１００ＭＰａを想定した実施例を実施例３として表４に示す。この実施例３では、圧力がさらに高い分、内層材の耐水素性もグレードアップさせる必要があるため、胴部の内管材と鏡板部の内層材は組み合わせ３を採用した。具体的には、胴部の内管材はＮｉ系合金鋼であるＬＣ２２４２を使用し、鏡板部の内層材はグレードを１ランク上げてＮｉ系合金鋼であるＬＣ２２６２とした。また、胴部の内管材のグレードアップに対応して、胴部のシール部溶接材料もグレードをアップした。さらに、使用最大圧力１００ＭＰａに対応するために、外層としては、胴部の外管材、鏡板部の外層材ともにＳＣＭ４４５を採用した。これにより、外管材及び外層材の肉厚をほとんど実施例１、実施例２と変えることなく、使用最大圧力１００ＭＰａに対応可能である。
【００４１】
〔実施例４〕
使用最大圧力１１０ＭＰａを想定した実施例を実施例３として表４に示す。この実施例４では、耐水素性は大きく変える必要がないので実施例３と同様とし、耐圧性を増す必要があるため、外管材及び外層材をグレードアップしてＳＮＣＭ６３０とした。これにより、外管材及び外層材の肉厚をほとんど実施例１、実施例２、実施例３と変えることなく、使用最大圧力１１０ＭＰａに対応可能である。
【００４２】
【表４】
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【図１】
0006753681.tif 000006
【図２】
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