水素の安全性
Safetyhydrogenof(技)研究開発部第1研究室

多

井

勉

Tsutomu

豊

Oi

島

学

Toyoshi瞥岩anab#uYutaka
UC事業室

見

lshii

贋

瀬

Jun

flirose潤

世界で消費されるエネルギーの約90%は石炭,石油,天然ガス等の化石燃料でまかなわれている｡化石燃料を使い続けると空気中の二酸化炭素濃度が上昇し,地球温暖化,気候変動を起こす｡
また来世紀には化石燃料は枯渇すると予想されている｡水素エネルギーは地球環境問題,資源枯渇

I化問題を解決するクリーンエネルギーとして期待されている｡水素エネルギーを幅広く用いるためには,従来の化石燃料システム同等以上の安全性を確立する必要がある｡本報告では水素の安全性についてのべる｡

About

90 %
gas

naturaldioxide

of

the

the

at

The

expectedasproblemofsystemmustof hydrogen

The

time.

and

threatening

drain

of

fossil

fuels

clean

energytofossil fuels･Thesafetyademandenergypresent

accumulation

changes.

world

consumptlOn

安

全

fuels

such

as

coal,

of

fuels

will

cause

the

carbonandclimate

such

as

in

forecastedofhydrogento

水素エネルギーJ

fossilfossilconsequencessolve

establishedorder
is shown
in this report.

by

is

the

in

be

is metglobalHydrogenorHydrogengashydrogen

ガ

ス

液

体

水

素

Liqufied

燃

料

電

池

Fuel

Hydrogencentury.
problemthansystem

and

is
drain

of fossil fuelThe safety
widely.
thatenergySafety素higherenergy性水warmlng

globalnext

environmental

equalhydrogenuse

theoil andcell

固体高分子電解質型水電解装置Water

electrolyzer

exchangemembrane

燃料電池自動車

Fuelvehicle

水素供給ステーション

Hydrogencell

fueling

using

the

protonstation

重大な影響を与える｡排出される気体は水蒸気,二ま えがき
現状では石油,石炭等の化石燃料が経済的に最も酸化炭素,窒素酸化物,硫黄酸化物である｡二酸化

競争力のあるエネルギーである｡これが全世界で使

炭素は地球温暖化の原因となる｡一方窒素酸化物と用されるエネルギー源の90

硫黄酸化物は酸性雨の原因となる｡エネルギー消費%以上が化石燃料である理由である｡しかし化石燃料の燃焼に伴って排出量が巨大化すると,特定地域に限定されずに,地球される気体が地表表面に蓄積し,地球規模で環境に規模での環境問題が発生する｡日本の場合に運輸部

Vol. 43No.

2(2000/3)

神鋼パンテツク技報

49

門からの二酸化炭素排出量が全体の20%を占めてで水素を製造し,パイプラインにより輸送される｡

いる｡また発電分野が全体の30%を占めている｡

また安価な天然ガスが得られる所では大規模プラン

化石燃料は有限の資源であり,発展途上国でのエネ

トで天然ガスを水蒸気改質し,水素を製造する｡こルギー消費量の増加を考慮すると来世紀の前半にはの水素は液化され,極低温容器につめて,トラック枯渇すると予想されている｡水素エネルギーはこれで輸送される｡/ト規模使用の場合には,オンサイト型天然ガス改質装置,またはオンサイト型水電解装らの地球環境問題,資源枯渇化問題を解決するクリー置が使用される｡将来水素はバイオマス,太陽光な

ンエネルギーとして期待されている｡1･2)発電時に二酸化炭素の排出がなく,従来の発電装置に比較してどの再生エネルギーから製造される｡

高い発電効率を有する燃料電池の出現によりエネル

このように水素エネルギーを用いて地球環境問題,

ギー分野において水素が使用されようとしている｡

資源枯渇問題を解決するためには,水素エネルギー

自動車分野においては自動車メーカーが2003年頃にのインフラストラクチャーが整備されるとともに,市場投入を目指して,燃料電池搭載自動車の開発を

従来の化石燃料システムと同等以上の安全性がある

進めている｡またコジェネレーションシステムとしことを一般ユーザに認知されることが重要である｡て使用できる+､型の家庭用燃料電池の開発が進めら

このためには従来の水素を用いる工業プロセスの設れている｡

計方法をベースにして水素エネルギーの新たな使用

現在,世界での水素消費量は年間5000億m3と推形態を考慮し,安全性を確保できる使用法,設計法

定されている｡その90%以上が天然ガスの改質ガ等を確立することが必要である｡本報告では水素のス,工業副製ガスから得られている｡残りは水電解

安全性について述べる｡

により生産されている｡この水素の99%以上がア

1.安全の観点からの水素の性質

ンモニアの合成,メタノールの合成,石油の脱硫,

1.1水素の性質

鉱石の還元等の工業プロセス用原料として使用され安全な水素関連装置を設計するためには水素の特ている｡エネルギー利用としては人工衛星打ち上げ性とそれらに伴った危険性を理解しておかなければ用ロケットの燃料に液体水素が使用されている｡

ならない｡水素ガスには多数の点で一般に使用され将来の水素エネルギー･システムの姿を想定するている気体燃料と類似性がある｡しかしいくつかのと大量に水素が使用される地域では大規模プラント

点で異なった特性を示す｡水素ガスの物性を第1表,

第1表
Table

水素ガスの物性借1

Physicalthermodynamic

andproperties

ofgaseoushydrogen

Property

DensltyatfactorCompressibility
Adiabatic

Cpof

8.99×10￣2

273.15 K

1

300 K

at

volumeexpansion

at

MPa￣

BOOK

7.03

K￣1

3.33×10￣3

273.15K

J/(kg･K∫/(

1.42×104at

273.15K∫/(kg･K∫/(

1.01×104∫/kg

3.84× 106273.15K

atInternal

energyEntropyat273.15K

Velocityt

273.15K

at

of

sound

Viscoslty

at273.15K

Thermalconductivlty

Dielectric

constant

Isothermal

diffusivlty

2.72×106
6.92×104

m/s

1 246

]Pa･s

8.39×10￣6

273.15K

at

at
at

coefficient
ln

J/kg･
∫/(kg･K∫/(

t273.15K

Water

W/

m●

300 K

at

K)

1.74×10￣1
1

K

273.15compressibility

Self‑diffusion

50

kg/m

at

Enthalpy

Gasatcompressibility

Coefficient

Cv

Value

273.15K

Unit

at

273.15at

298.15K

M
Ⅰく

神鋼パンテツク技報

Pa‑1

‑9.86

m2/s

1.29×10￣4m2/s

4.8×10￣g

Vol.

43

No.

2

(2000/3)

第2表

液体水素の物性値

Table2

Physicalthermodynamic

andproperties

ofliquidhydrogen

Property
Tripletemperature

polnt

Normalboiling

Criticaltemperature

Criticalpressure

Criticalvolumetemperature

Unit

Value

K

13.8

K

20.27

K

32.98

MPa

1.29

mソkg

3.18×10￣2

kg/m3
kg/m3

70.78

Densltyatnormalat

trlpleboiling
polnt

Compressibility
attripleatnormalatJ1.61×10￣3

polnt

boiling

1.71×10￣2

temperature

3.03×10￣1

polntcompressibility

attrlpleatnormalpolnt

Coefficientboiling

temperaturevolumeexpansion

of

MPa￣1

8.13×10￣3

MPa￣1

1.19×10￣2

K￣1

1.02×10￣2

temperature

K￣1

1.64×10￣2

∫/kg
∫/kg

4.49×105

temperature∫/(kg･K
J/(kg･K

6.51×103

temperature♂/(kg･K∫/(kg･K

4.71×103

temperature

∫/kg
∫/kg

‑3.09×105

temperature

polnt
boiling∫/kg∫/kg‑3.09×105

temperature

triple polnt
boiling
normal∫/(kg･K)∫/(kg･K)

4.96×103

temperature

m/s
m/s

1.27×103at

trlpleatnormal

Heat

77.02

factorcritical

Adiabatic

temperature

of

point

boiling

vaporization

attrlpleatnormalpolntboilingat

trlplepolnt

atnormalat

trlple4.46×105

Cp

boiling

9.69×103Cv
polnt

boilingatnormalEntbalpy
trlpleatpolntboiling
at normal
Internal
energytrlpleat

at normal
Entropyat)

at

VelocltyOf

trlpleattrlpleatboilingboilingatconductivlty
triple polnt

atnormalDielectric

temperature‑2.58×105

7.98×103

boiling

1.09×103

Pa･s

2.6×10￣5Pa･s

1.33×10￣5

W/(m.K)

7.3×10￣2

W/(m･K)

9.9×10¶2

point

normalThermal‑2.56×105

sound
point

at normal
Viscoslty
at

5.74×103

temperaturetemperature

constant

at

trlpleatnormal

1.252

polnt

boiling

1.23

temperature

Surf■ace tension
trlple polnt
boiling
normalat
at

lsothermal

Vol.

at

tripleatnormal43

No.

temperature

2.99

mN/m
mN/m

1.93

MPa￣1

‑0.0011MPa‑1‑0.0199

compressibility
point
boiling2

temperature(2000/3)

神鋼パンテツク技報

51

液体水素の物性を第2表に示す｡また安全上,考慮

25%の割合で混合しているもの,第2表の液化水

しなければならない水素の物性値を第3表に示す｡

素はパラ水素を表す｡

水素にはオルソ水素とパラ水素があり,水素分子

気体燃料である水素,メタン,プロパンと液体燃中の二つの原子核の回転方向が同じものをオルソ水料であるガソリンの物性の比較を第4表に示す｡一秦,逆のものをパラ水素と呼ぶ｡大気温度での水素

般的に危険性の点では水素はメタン,プロパン,ガはオルソ水素が75%,パラ水素が25%の割合で混

ソリンと同程度である｡短時間,水素が漏洩しても合している｡液化水素になると平衡値は1気圧でパ浮力が大きいためメタン,プロパン,ガソリンより

ラ水素99.8%となる｡水素を液化した場合,オルも速く上昇し,即座に発散する｡そして閉空間でな

ソ水素からパラ水素‑の転換速度は極めて遅く,平ければ,他の燃料よりも短時間で安全な許容値まで衡備に達するのに数百時間を要する｡液化水素をそ

水素濃度は下がる｡プロパン,ガソリン蒸気の密度のまま貯蔵するとオルソ/パラ変換により発熱し,大量の水素が蒸発する｡この蒸発を防止するためには空気よりも大きいため,漏洩すると地表面近くに滞留する｡

水素ガスを液化する過程で水酸化鉄などの触媒と接浮力効果と大きな拡散速度によって水素が短時間触させることによって強制的にオルソ水素からパラ水素に転換している｡このようなことから第1,漏洩しても空気とは他の燃料よりも速く混合する｡
室内においては部屋の大きさ,形状に依存して水素

3

表の水素ガスはオルソ水素が75%,パラ水素が

第3表の拡散が火災を小さくすることもあるし,逆に大き安全上考慮しなければならない水素の物性値

Table

3

Propertieshydrogenofofinterested

in safety

consideration

Property

Diffusion
Limits1ncoefficient

alr

Value

m2/s

6.1×10￣5inair
Flammability
Detonation

volumevolumeLimitsin oxygen
Flammability
Detonation
lgnltionvolumevolumeln

4.0‑75.0
18.3‑59.0%%

4.5‑94.0
15.0‑90.0

K
K

alr

Flame

temperature

Heat

%
%

temperaturein oxygenofcombustion

ThermalenergyBurnlng

Veloclty

Detonation

第4表

from

radiated
ln

flame

air
ln

veloclty

air

833,15858.15K

2318.15∫/kg

1.12×108‑1.42×108

%

17‑25

m/s

2.65‑3.25m/s

1.48×103‑2.15×103

水素,メタン,プロパン,ガソリンの物性値

Table

4

Propertiesofhydrogengaseous

Property
Molecular
Denslty
at

Unit

Of

gas

and

other

Unit

weight293.15K

andfuels
Hydrogen

MethanePropanekg/mol2.02×10ー3

1.60×10￣2

4.41×10ー2‑1.07×10￣1kg/m3

8.38×10ー2

6.51×10￣1

1.87

4.4

Pa･s

8.9×10￣6

1.12×10￣5

8×10￣65.2×10￣6m2/s

6.1×10￣5

1.6×10￣5

1.2×10￣5

5×10ー6

0.07

0.55

1.52

3.4‑4.0

Gasoline

0.1MPaViscoslty
Of gas
293.15K
and 0.1MPaatDiffusionin stillcoefficient
0.1MPaat 293.15Ⅰく andBuoyancy

52(Density

relative

air

to

air)

神鋼パンテツク技報

Vol.

43

No.

2

(2000/3)

くすることもある｡水素は開放空間では他の燃料よ流れが乱流になると次式のように漏れ量は気体のりも速く拡散する｡この特性は事故の状況によって密度の平方根に比例する｡

有利にもなるし,逆に不利にもなる｡

Q

α7:D2(2(P.‑P2)p)1/2/4
ただし
れ
Q:漏

安全性に関連した水素の特性は次のとおりである｡
(1)密

度

α

水素は全ての元素の中で最も軽い｡(2)浮力

大気温度における水素ガスの密度は空気に比較して小さいため,空気中では浮力が大きい｡(3)拡散:漏れの流量係数(‑):漏れの内直径(m)Pl:漏れの上流側圧力(Pa)P2:漏れの下流側圧力(Pa):気 体 の 密 度(kg/m3)

圧縮性を考慮した漏れの場合,漏れの下流側圧力浮力による水素ガスの移動よりも拡散による水を一定に保持し上流側圧力を徐々に上昇させると,素ガスの移動が小さいにもかかわらず,水素は空

漏れ量は上流側圧力の上昇に伴って増加する｡そし気中を他の気体燃料よりも速く拡散する｡て下流側圧力と上流側圧力の比rが臨界圧力比rcよりも小さくなるとrの備に関係なく,漏れ量は一定

メタン,プロパンと同様に無色,無臭,無味,になる｡このことは臨界圧力比以下の条件ではもれ

無毒の気体である｡(5)火る気体が断熱膨脹により漏れ出口で音速に達し,上炎

流側圧力が上昇しても流速が変化しないことを意味

空気中において広範囲の濃度で水素は燃焼する｡

する｡

そして不純物がなければ,その火災は非常に見え

臨界圧力比は以下の式で与えられる｡

にくい｡

rc

(6)発火エネルギー(2/(IC＋1))x/(x￣l)‑:比熱比(‑)
下流側圧力と上流側圧力の比が臨界圧力比よりも素は非常に小さなエネルギーで発火する｡

大きい時には次式で漏れ量は与えられる｡(7)爆発限界Q

閉じこめられると水素は広範囲の濃度において‑(2KPp.(llr(x‑1)/x)/(I;‑1))1/2/4 (4)れ
量(kg/s):漏

7:D2rl/

ただしQ

容易に爆発する｡しかし開放された空間では水素刀は爆発しにくい｡r(8)火炎の伝搬速度〟

比

水素濃度が非常に薄いか,もしくは濃い状態でPI

上流側圧力(Pa)かナれば他の燃料よりも火炎の伝搬速度は速い｡

P2

下涜側圧力(Pa)(9)発火温度β1

通常の燃料よりも水素の発火温度は高い｡
水素の漏洩

1.2

(3)

ただしIC

濃度が非常に薄いか,もしくは濃くなければ水)量(kg/s)ββ(4)無色,無臭,無味,無毒

J

(2)

‑

:漏れの内直径(m)
力 比 P2/Pl(‑)
:圧
熱

比(‑)

:上洗側圧力,上流側温度における気体の密度(kg/m3)

下流側圧力と上流側圧力の比が臨界圧力比以下に溶接部の欠陥,腐食による欠陥,バルブ,フラン

なると次式で漏れ量は与えられる｡

ジ等の各種継ぎ手,ガスケット等の各種シール等かQ

ら水素は漏れる｡これらの箇所からの漏れは3種類±‑

7tD2(2/(K＋1))I/(K￣1)×(2KPp./(lC＋1))1/2/4(2/(K十1))1/2pllそ/4
7ED2(2/(fC＋1))I/(K￣1)×に分類される｡(5)

層流の漏れ量は次式のように漏れる気体の動粘度

ただしに反比例する｡
Q

7=D4(pl‑P2)/128L)L
ただし
れ
￠:漏
β
L

43

No.

量(kg/s)

漏

漏れの内直径(m)

/C

比

β1

れ

熱

量(kg/s)比(‑):上流側圧力,上流側温度における気体の密度(kg/m3):漏れの内直径(m):漏 れ の 長 さ(m)Ⅵ

:漏洩気体中の音速(m/s)

Pl:漏れの上流側圧力(Pa)P2:漏れの下流側圧力(Pa)

逆比例する｡乱洗の漏洩量は漏洩気体の密度の平方:気体の動粘度(m2/s)

根に逆比例する｡音速流の漏洩量は漏洩気体中の音

z)

Vol.

(1)

‑

Q
D

2

(2000/3)

以上のように層涜の漏洩量は漏洩気体の動粘度に

神鋼パンテツク技報53

速に比例する｡/トさな漏れ箇所は層流の漏れになる｡
高圧下の漏れは音速流の漏れになる｡容積,エネル(4)連続蒸発
液体水素を連続蒸発させるときには安全な方①

ギーについて大気温度の水素,メタン,プロパンの法で,安全な場所に放出しかナればならない｡

漏れの比較を第5表に示す｡乱流と音速流の水素の②

空気の流入を防止するために,液体水素用貯容積的漏洩量はメタン,プロパンよりも大きい｡水槽の内圧は大気圧よりも高くしておかなくては素のエネルギー的漏洩量は層流,乱流,音速流ともならない｡にメタン,プロパンよりも小さい｡③

液体水素には凝縮空気等が混入しやすい｡

1.3④

貯槽に液体水素を繰り返し充填していると,液体水素の培性

液体水素は容易に蒸発するため,水素ガスと同様貯槽内にある程度まとまった量の酸素が蓄積さの危険性がある｡極低温であるがために,危険性を検討する場合には以下の特性を考慮しなければなられる｡この状態の水素と酸素の混合物は容易にない｡3)発火する｡そして爆発する｡(5)圧力上昇

(1)低

沸

点

①

液体水素用貯槽‑の入熱が冷却されなくて,①

1気圧における沸点は20.3Kである｡

液体水素は完全に閉じこめられた状態におかれ②

急激に蒸発し,発火源があると爆発を起こす｡

ると超臨界状態となり,液体と同じ密度の気体③

極低温流体であるため,液体水素,もしくはになる｡そして貯槽内圧力は超高圧になる｡

極低温の水素ガスが皮膚,目等にかかると凍傷

(6)高

を起こす｡
④

①

極低温の水素ガスを吸い込むと呼吸不全,塞度

蒸発直後の水素ガスの密度は若干高い｡このため液体水素が漏れた直後は水平方向か,下方

息を起こす｡

向の水素蒸気の雲が発生する可能性がある｡(2)氷の生成①

密

水素用便用材料の選択

1.4

貯槽から液体水素を抜いているときに,抜き

水素用装置は構造メンバー,タンク,配管,バル方が悪いと配管内に空気中の水分,または空気

ブ,ガスケット,接着剤,電気絶縁材,断熱材等かが凍結することがある｡そして貯槽の内圧が上ら構成される｡これらの部品用として最適な材料を昇して,貯槽が破壊することがある｡

選択するためには以下の点を考慮しなければならな(3)空気の凝縮①い｡

断熱していない配管に液体水素,もしくは極(1)設計･運転条件に適合した特性を持つこと

低温の水素ガスを流すと,配管表面は90Ⅰ(以特にジョイントとコネクタ一部の振動を考慮する

下の極低温になる｡そして配管の外側に空気が

こと

凝縮する｡
②

(2)運転環境に適合していること

凝縮して配管からしたたる液体空気に人体,(3)選択した材料の試験データがあること̀し

可燃物をさらしてはならない｡③(4)耐食性があること

炭素鋼のような低温脆性を示す材料は使用で(5)製作,組立,検査が容易であること(6)材料欠陥がないこときない｡(7)毒性がないこと(8)水素火災による高温にさらされても耐熱性があ
第5表
Table

ること

気体燃料の漏れ量の相対的比較
5
Fuel

Hydrogen

MethanePropaneComparison
gas

on

the

Laminar

leak

rates

Turbulent,

of

fuel

gases

1.00

1.00

1.00

Energy

1.00

1.00

1.00

Volume

0.80

0.35

0.34

Energy

2.66

1.18

1.14

Volume

1.ll

0.21

0.19

9.38

1.80

水素脆性がおこると機械的特性,特に延性,引Sonic

VolumeEnergy(9)水素脆性がないこと
張強度が大きく低下する｡水素脆性の状態は温度,
圧力,純度,濃度,水素に暴露される時間等によって変化する｡また材料の応力状態,物性,材料組織,表面状態によっても変化する｡
(10)極

低

温

液体水素用材料を選択するときには次の点を考

1.63

慮しなければならない｡
54

神鋼パンテツク技報

Vol.

43

No.

2

(2000/3)

①

低温脆性

(彰 熱

収

結論付けている｡
縮

米国のDirected(彰 極低温での物性の変化

Technologies社が禾国エネル

ギー省とフォード社のために過去の水素に関する事

2.1ヒンデンブルグ号の事故故を調査し,次の内容の報告書を提出した｡5)(1) 1800年代の初期から都市ガスとして水素52%,

良いほど,水素を充填した飛行船ヒンデンブルグ号

メタン310/o,一酸化炭素7%のコークス炉ガスの火災事故が述べられる｡ヒンデンブルグ号が1937

が一般家庭の燃料に安全に使用されてきた｡

年5月6日に63回目の飛行を終了して,米国ニュージャージー州のLakehurstに繋留しようとした時に火災により墜落した｡そして多数の死傷者が出た｡(2)水素と他のガスの混合ガスが多くの工業分野において定常的に使用されている｡(3)水素が石油プラント,化学プラントにおいて安全に使用されている｡

この飛行船の重量は240トン,長さは245m,最大(4)液体水素が米国内の高速道路を使って1年間に外径は41m,最大水素充填量は20万Nm3,乗客数は72人であった｡当時のアメリカとドイツの事故調

7000万ガロン(26.5万m3),安全に輸送されてい査委貞会は,ある量の漏洩した水素が静電気によりる｡(5)通常の安全の観点から考えた場合,水素を自動発火し,そして爆発したと結論付けた｡
墜落時の撮影フイルムをBain達は詳細に分析し車用燃料として使用できない明白な証拠はない｡

た｡4)水素の燃焼炎は無色である｡しかしヒンデン(6)正規の設計をされた水素自動車と水素供給ステー

ブルグ号の撮影フイルムでは有色の燃焼炎が観察さションであれば,通常のガソリン以上の危険性があるといった徴候はない｡

れる｡また水素は上方に向かって燃焼する｡しかし
ヒンデンブルグ号の撮影フイルムでは下方方向の燃

2.3

我が国における事故

焼が観察される｡また瞬間的な爆発を起こしていな

高圧ガス保安協会が水素ガスの消費貯蔵所を対象い｡飛行船の後部から火災を起こしながら,飛行船
本来の飛行姿勢を保持している｡とした保安教育用テキストを作成している｡6)その中で1953年から1995年までの水素が原因の事故に関Bain達は事故からの生還者,事故の目撃者のイ

して,件数,死者の数,負傷者の数がまとめられてンタビューを行った｡過去の資料,文献を精密に再分析した｡また機体に使用されていた繊維を入手し,電子顕微鏡による観察,遠赤外線分析を行った｡
飛行船の外被材は綿繊維で製作されていた｡この)Teehnologies社の調査

2.水素の事故の歴史
水素の安全性が議論されるときには必ずと言ってI

米国Directed

2. 2

いる｡それらを第1‑3図に示す｡
1953年には風船に詰める水素ガスを通気の悪い物
置に置いていて,多数の負傷者を出す事故を起こしている｡

1960年代までは数年に1回の頗度で事故が外被材には太陽光と大気に対する保護塗料として,発生していた｡そして事故が起こると死者が出てい第1層に鉄酸化物が,その後の4層にはアルミニウ

た｡

ム粉末を含有するセルロース･プチ‑ル･アセテー

ると減少した｡しかし1980年代以降では事故件数はトが塗られていた｡外被材に塗られた材料はロケッ

増加している｡

トの推進燃料であることから,現在の技術的判断では1972年をのぞき,発生していない｡しかし1992年

はこの塗装材料の選択はまったく非論理的なものでには石油精製工場において熱交換器からの水素漏洩ある｡

により,死者10名の重大事故を起こしている｡

外被材はヒンデンブルグ号の置体にラミー麻により固定されていた｡そして隙間は木製のスペ‑サに1970年代前半では事故件数は増加し,後半にな
1970年代前半以降,死者が出る事故

3.水素の安全に対する基本的原則
水素の物理的性質,化学的性質,熱的性質を理解

より埋められていた｡このような構造にしたため,し,適切なコード,標準等に従うならば,水素は安外被材の電気伝導性が非常に悪くなった｡その結果

全に使用できる｡過去50年間に工業分野において大外被材に静電気が蓄積し,電流が流れた｡そして外量の水素が安全に,定常的に製造,貯蔵,輸送,使被材とそれの塗料が発火し,大火災に至った｡

用されてきた｡これらの実績が工業プロセス以外のBain達は以上の調査を行うとともに,ヘリウム分野にも適用できる｡その安全に対する基本的原則が充填された飛行船においてもヒンデンブルグ号とは次の通りである｡

同じような火災事故をおこしていることを指摘し,

3.1火災の防止

水素がヒンデンブルグ号の火災事故の原因でないと
Vol.

43

No.

2

(2000/3)

次の3条件が重なると火災が起こる｡

神鋼パンテツク技報

55

12

忘

5

4

召
=

10

〔/)
I+

q,)
CL

U

3

ゝ+

葛

8

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(勺
q)
｢コ

く⊃

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2

6

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q)

1=

.⊂】

室

1

J=q'

4

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汁

A)

声
1960

1970

1980

1990

2

2000

Year
1960

第1図
Fig･

1970

水素が原因の事故件数
1

The

numberof accident

1980

2000

1990

Year

causedbyhydrogen第2図
Fig.

水素が原因の事故による死者の数
2Thenumberbycausedof deadhydrogenpersonin theaccident･燃焼可能な気体,蒸気の存在･空気,酸素のような酸化剤と燃料が発火可能な上限と下限の範囲内で混合した場合･発火源の存在
これらの内,火災防止のためには2条件が取り除かれねばならない｡まずは発火源となるものを取り除く｡そして装置周辺の換気を充分に行って,水素と空気が燃焼可能な範囲内で混合しないようにしな

∽
ゝ一

(U
a
｢コ
q)
｢コ
一=
=】
く⊃

a
○
ト

Q)
+⊃

E:
コ
;コ

ければならない｡
3.2

=
く⊃

Q)
,j∃

ト→

本質的安全設計(1)水素量の制限

1960

水素量が増加するとコード類の要求事項が大きく変化する｡事故を防止するためには,貯蔵水素や,取扱水素の量を必要最小限にとどめる必要が

1970

1980

1990

2000

Year

第3図
Fig.

ある｡

水素が原因の事故による負傷者の数
3

The
numberof woundedby hydrogenaccident caused

inpersonthe(2)危険性の排除
水素の量を必要最小限にとどめても,適切な換気,漏洩防止の設計と運転,潜在的発火源の除去を行わなければならない｡

歳時,使用時等に装置の状態が変化しても対応で(3)安全システム

きるための安全弁と流量制御機構を設けなければ危険な状態を感知する安全システムを付けなければならない｡またこの安全システムは正常状態ならない｡(4)安全システムと異常状態の両ケースを想定したメンテナンスがなされていなければらない｡￣
3.3

制

危険を回避するために警報システムが作動した
時には自動的に安全システムが動作しなければな御らない｡手動操作時にもオーバ･レンジにならな(1)警報システム

いように自動的にリミット装置が動作しなければ装置の異常状態,誤動作を検知し,視覚的に,聴覚的に警報を出せるシステムを付けなければな

ならない｡
3.4

らない｡

フェイル･セイフ設計
安全性を向上させるためにはフェイル･セイフ設(2)定期的校正

計を積極的に導入しなければならない｡特に水素プ

確実な計測器により制御機器を定期的に校正す時に対応が遅れる可能性があるため,フェイル･セ

る必要がある｡(3)流量制御

イフ設計は必須である｡

作業従事者と装置を保護するために,水素の貯
56

ラントが大きくなれば運転も複雑になる｡異常発生

潜在的に危険な状況を引き起こしかねない失敗を

神鋼パンテツク技報

Vol.

43 No.

2 (2000/3)

らしても従業員に対しては最も安全であり,装置を壊の方法がある｡

さないようにシステムの状態がなるように設計して4.1定性的評価法

おかなければならない｡機器の故障により危険な状(1)チェックリスト方式

況になるのであれば,冗長系をつけておかなければ
ならない｡
3.5

チェックリストは評価の目的に合わせて準備された点検･確認項目をまとめた表である｡評価す

孟IFI練･教育る目的に合わせて所定の点検項目を抜け落ちなく

従業員に対する訓練･教育が重要である｡過去の評価する手段として,多くの産業分野で古くから統計によると従業員の知観不足と不適切な操作によっ使用されている｡チェックリストの完成度が評価て多数の事故が起こっている｡一般的には以下のこの質を決定するので,チェックリストの作成が特とを教育する｡に重要である｡(1)次のことを行うことによって,安全に水素を扱(2)予備的危険度解析

うことができることを教育する｡

1960年代後半からの米国の航空宇宙産業界を中(丑 漏洩の防止心に使用されてきた｡②

偶然による漏洩の検知と適切な処置の実施

Hazard③

水素の滞留の防止(Preliminary

PHA

Analysis)とも呼ばれている｡設備,

システムの計画段階,あるいは設計の初期段階に適用され,本格的な設計作業を開始する前に潜在∫危険の同定作業を行う｡解析結果は設計,製作,(2)④次芸芸芸?芸芸を行う｡①

水素を使った実地訓練で習熟しておく｡②

人間が処置できる内容とその限界を理解しておく｡③に使用される｡(3)

水素の取り扱い方法を教育する｡④

水素が漏洩したときの緊急処置手順を教育す

⑤

FMEA
FMEA

る｡

(Failure

Mode

Effects

andAnalysis)は1950年代から米国の航空宇宙産業界で使用され始めた方法である｡現在では電子産標準,ガイドライン,基準を教育する｡

業,機械産業,化学産業など,多くの分野で使用(￠ 繰り返し,訓練･教育する｡

されている｡この方法では設備ヤシステムを構成(3)次のことを盛り込んだ安全作業標準に従って作J建設の各段階での安全基準,安全対策立案のため要素に分解し,その故障を想定する｡そしてその業を行わせる｡

故障が設備やシステムに与える影響を考察するこ(丑 貯蔵,使用方法とによって,潜在している危険を抽出する｡想定(釘 パージ方法

した故障,それにより発生した影響,その対応策③

をワークシートに記入して,まとめる｡その検討

ガス･サンプリング方法

結果を設備,システムの計画,設計にフィードバッ

芸芸芸三言妄左

クし,安全性を確保する｡(釘 火災の防止⑦(4)

従業員の安全保護具

HAZOP
HAZOP

(HazardandOperability

Study)(参 緊急時の処置手順

は英国のICI社が自社の化学プラントの安全性評

4.リスクアセスメント7)

価を行うために開発した方法である｡この方法は装置を建設する前に危険(リスク)を評価し,そプラントの計画,設計,建設,運転などの各段階れに合致した対策,管理体制をとることが要求されに応じて,実施可能である｡多くのプラントの設る時代になってきている｡これがリスクアセスメン

計段階で安全性を評価するために使われている｡

トである｡水素エネルギー･システムの設計,建設

HAZOPは,プラントの異常発生の原因とそのにおいても同様にリスクアセスメントが要求される｡

結果について,逐一検討する｡このため長時間のリスクとは人間の生命,生産活動に対して不都合検討を要するが,プラントの潜在的な危険を見落な事象が発生する不確実さの程度と,それによって発生した結果の重大さの程度の両方である｡リスクとす可能性が極めて少ない手法である｡(5)は発生の頻度と被害の大きさの両方で,評価されるべきである｡リスクアセスメントには次のような種々
Vol.

48

No.

2

(2000/3)

What

lf解析

この方法を米国のDu

Pont社が最初に提唱した｡設計者は｢仮にこの機器が故障すれば,装置

神鋼パンテツク技報

57

はどのような動きをするだろうか+と考えながら装置の設計を進めている｡またオペレ一夕は同様ツリーとして表現する｡発端事象の発生確率,辛故の進展に伴う設備の作動状況の確率を与えて,なことを考えながら装置の運転を行っている｡前

最終事象の発生確率を定量的に求める｡

述のような設計者,オペレ一夕の日常的な発想をFTAと合わせて実施されることが多い｡

ルール化したのがWhat
4.2

(4)

lf解析法である｡

C&C

解析(CauseConsequenceandAnalysis)は事故の引き金となる事象の発生原(1)相対的危険度評価法

因とそれによる事故の進展状況を定量的に解析す指標値を用いて,プラントを相対的に比較する方法を総称してAICbE(American

lnstituteof

る方法である｡事故の引き金となる事象の発生原因についてはFTA相当の方法を用いる｡また事Engineers)では相対的危険度評価法と呼んでいる｡この代表的な方法はDow方式と故の進展状況についてはETA相当の方法を用い呼ばれ,米国のダウケミカル社で考案された火災る｡(5)人間信頼性解析

爆発指数を用いて危険度を相対的に評価する｡日本の労働省通達｢化学プラントのセーフティアセ

この方法ではマン･マシン･インターフェイス

スメントに係わる指針+の第3段階で使用する評において発生するヒューマン･エラーを対象に,価もこの評価法に入る｡

ヒューマン･エラーから生じる異常の伝達過程を定量的に解析する｡通常,他の網羅的な解析方法

PTA

(2)

(FaultFTA

TreeAnalysis)は米国国防省

による結果において人的操作が重要であるといった結果が得られたときに実施する｡の委託を受けてベル･テレフォン研究所が1960年に開発した信頼性/安全性解析法である｡確率値

5.水素に関する法律,標準を用いて定量評価が行われるが,定性的評価も可5.1米

能である｡最初は宇宙航空産業界を中心に普及した｡

国(DOT)が水素of Transportation

Department

始め,その後電気･電子産業,化学産業に広まっの運搬に関して規制している｡またOccupational
HealthAdministration(OSHA)がand

Safety1970年代には商業用原子力発電炉の安全性評

工場内での水素の安全的取り扱いに関して規制して価に適用された｡

いる｡

FTAにおいては設備,システムにおいて想定される"好ましくない事象"好ましくない事象''をトップ事象として,論理的VesselASMEのPressureを解析対象におき,この事象を起こす要因を論理的に分析する｡

Code,

NFPA50Bのような標準はそれだけで規制力のあるものではなに分析された結果をフォルト･ツリーとして表現

いが,種々の標準に従って,連邦政府,州政府では規制を行っている｡文献8に米国とカナダの水素にする｡その要因ごとにその要因がおこる確率を割

関連するコード,標準,ガイドラインが紹介されてり当てる｡そしてプール代数によりトップ事象でいる｡

ある"好ましくない事象''が発生する確率を求International

FTAは細かい解析が可能である｡しかし解析

Organization

Standard

Technology

Hydrogenめる｡に設立された｡この機関の技術委員会が水素の製造,に専門知識が必要であること,および他の方法と比較して解析に時間がかかると言った欠点がある｡

標準を作成している｡

このため他の方法で網羅的な解析を行ない,その

5.2

日

本

水素を使用するプラントの安全設計指針について
は高圧ガス保安法が主体であり,必要に応じて消防用するのが良い｡(3)

for(ISO/ TC197)が1990年

貯蔵,輸送,計測,使用等のシステム,デバイスの結果特に細密な解析が必要と判断される事象に適汰,労働安全衛生法が参考にされる｡現状では安全

ETA(EventAnalysis)は,事故の発設計指針としてまとまったものはない｡燃料電池自端事象を出発点とする事故の進展過程を解析する

動車に水素を供給する水素ステーションについては方法である｡事故の発端事象は他の方法で抽出さ設置地域によって建築基準法により水素貯蔵量の規れる｡この発端事象を起点に事故の進展状況とこ制値がある｡

ETA

Treeの事故の進展に関係する設備の関係をイベント･
58

C&C解析

定量的評価法Chemical

ETAは

高圧ガス保安法に基づく一般高圧ガス保安規則,

神鋼パンテツク技報

vol.

43 No.

2(2000/3)

コンビナート等保安規則において,水素を含む可燃性ガスの安全面での規定が定められている｡一般高

ずれか高い方であって,周囲に着火源がない所に圧ガス保安規制においては次のとおりである｡(一般高圧ガス保安規則第6条1項20号イ)(1)火気取扱設備に対する保安距離設けねばならない｡(9)可燃性ガス低温貯槽の外圧による破壊の防止対

可燃性ガスの製造設備はその外面から火気取扱策

設備まで8m以上,離さなくてはならない｡ま

内圧が外圧よりも低くなっても,可燃性ガス低た漏洩した可燃性ガスの火気取扱設備‑の流動を温貯槽が破壊しないように措置を講じなければな防止する設備を設けなければならない｡

らない｡(一般高圧ガス保安規則第6条1項21号)(一般高圧ガス保安規則第6条1項3号)(2)他の可燃性ガス設備,酸素設備に対する保安距(10)可燃性ガス低温貯槽の液面計

離液面計を設けなければならない｡(一般高圧ガス保安規則第6条1項22号)

可燃性ガス製造設備の高圧ガス設備はその外面から他の可燃性ガス製造設備の高圧ガス設備に対(ll)緊急遮断装置

して5m以上,酸素製造設備の高圧ガス設備に

可燃性ガスの貯槽には当該貯槽の外面から5m

対して10m以上離さなくてはならない｡)

以上離れた位置から操作のできる緊急遮断装置を設けなければならない｡(3)(忘慧雷芸芸言質霊芝芸竿孟芸去芸造言左する保(一般高圧ガス保安規則第6条1項25号)

安距離(12)防爆構造

可燃性ガスの貯槽はその外面から他の可燃性ガ
ス貯槽,または酸素の貯槽に対して,可燃性ガス設備の高圧ガス設備に係わる電気設
備は防爆構造でなければならない｡

1m以上,

またはこれらの貯槽の最大直径の1/4のいずれ(一般高圧ガス保安規則第6条1項26号)

か大きい距離を離さなければならない｡(13)可燃性ガス漏洩検知器,警報装置の設置(一般高圧ガス保安規則第6条1項5号)

可燃性ガスが滞留するおそれのある場所にガス(4)可燃性ガスの表示
可燃性ガスの貯槽には貯槽の直径の1漏洩検知器と警報装置を設置しなければならない｡/10以上の幅で赤色塗料を塗り,貯蔵ガス名を表示しなけ(一般高圧ガス保全規則第6条1項31号)㈹

貯槽の支柱の温度防止装置ればならない｡

可燃性ガスの貯槽の支柱には温度上昇の防止処(一般高圧ガス保安規則第6条1項6号)

置をしなければならない｡(5)可燃性液化ガス貯槽の防液堤(一般高圧ガス保安規則第6条1項32号)

貯蔵能力が1000トン以上の貯槽の周囲には漏)(15)静電気除去装置
可燃性ガス製造設備に生ずる静電気を除去する

慧p::?誓≡き竺芸芸孟琵琶芳墨霊芸孟Z吉富霊屋装置を講じなければならない｡

以外を設置してはならない｡(一般高圧ガス保安規則第6条1項7号,(一般高圧ガス保安規則第6条1項38号)
8号)(16)防消火設備(6)可燃性ガスが滞留しない構造

可燃性ガス製造設備には防消火設備を設けねば

可燃性ガス製造設備を設置する部屋は,可燃性ならない｡(一般高圧ガス保安規則第6条1項39号)

ガスが滞留しない構造でなければならない｡(一般高圧ガス保安規則第6条1項9号)(17)可燃性ガスの廃棄(7)気密な構造

火気取扱場所,引火性･発火性物質の堆積場所

可燃性ガスのガス設備は気密な構造でなければならない｡

棄しなければならない｡(一般高圧ガス保安規則第6条1項10号)(一般高圧ガス保安規則第62条1項2号)(8)安全弁,破裂板の放出管の開口部の位置

なお一般高圧ガス保安規則の第7条に｢圧縮天然

可燃性ガスの貯槽に取り付けた安全弁,または破裂板の放出管の開口部は,地面から5mの高
さか,もしくは貯槽の頂部から2mの高さのい
Vol.

43

No.

等以外の通風の良い場所で,少量ずつ大気中に廃2(2000/3)

ガススタンドに係わる技術上の基準+が定められている｡燃料電池自動車用水素ステーションにも同様な基準が定められるものと思われる｡

神鋼パンテツク技報

59

6.水素の流れ解析
近年流れの数値解析技術が大きく進歩し,水素漏
洩時の流れ解析が行われるようになった｡例えば
D.Schmidt達9)はビルディングの間に設置された貯蔵タンク,パイプから水素が漏洩した時の水素と空気の混合状態を数値解析し,第4図に示すような爆発下限界4%の濃度分布を求めている｡このように
水素漏洩時の安全性を予測するために,淀れの数値解析技術が有力な手段として使用できる｡
7.

HHOGの安全性
当社では固体高分子電解質膜を使って水電解によ良)1,)ndary

y＼しx

Wind
velocity

り水素を発生させるオンサイト型水素発生装置(High‑purity

HHOG

Hydrogen

第4図

OxygenandFig.

Generator)を半導体工業,化学工業,発電所向け

4 VoL%

conditior)s:

speed

10

m冶ir)

of

E2

gas

1294

Ⅹ‑directioll,‑lowerb一lit

offlammabilLty

Outflow

rrl点.withturbulence

4%等濃度線図
44volume0/o iso‑surfaceに納入してきた｡10･11･12)
このHHOGについてトップ事象として"水素と酸素の混合および爆発

Faultとした場合のHHOGの

Tree図を第5図に示す｡水素と酸素を防止するために第5図のFault

Treeに従って,

HHOG

では以下の安全対策がなされており,辛導体工場,発電所等において安全に連続
Mixingof hydrogenand explosion

and

運転されている｡

oxygen

水素ガス分離タンクで水素と分離された純水は純水循環ラインに戻される｡戻Invasionof deionized

mixed with hydrogenelectrolysis tankwater

Breakage

hto theexchange

される純水中には水素の非常に小さな気of protonmembrane

泡が含まれている｡このため純水循環ラインに戻す手前にスクラバーを設けて純水中に溶け込んだ水素の気泡を除去する｡

Fault of hydrogenvalve instal一edonlVater tallk

電解モジュール中の固体高分子電解質

exhaLISt
deionized

膜は水素と酸素の隔壁の役割を果たして
おり,固体高分子電解質膜が破損すると,Fau一t of sequence
ontro1 1erc

水素と酸素は混合する｡このため,水素Excessive
app一ied onmembl･ane

Rise ir) electrolysISpressure difference
the proton exchange

ten peratureと酸素の差圧は固体高分子電解質膜が破損しない範囲内で常に一定に保たれている｡この差庄は電解タンクと水素ガス分
離タンクに取り付けられた圧力調整弁のFau一t of pressure reguJatirlg
valve installed on hydrogengas separation tank

Fault of pressure
valve installed on
tank

Fault of pressure
sensorinsta】1edon hydrogeTl gas
separation

Fault of pressure
sensワrinstalled on electrolys)s tankregtllatir)gelectrolysIS

開度を調整することによってコントロー

tankFault of e一ectricalpower
rectifireルされる｡これらのことから,酸素中水素濃度が爆発下限界に達していないこと
が常に水素濃度計により監視されている｡
純水が供給されていない電解モジュー

Fault of seqtlerlCecontroll er

Fault of sequencecontro一1er

ルに通電すると冷却が不十分であるため,固体高分子電解質膜が焼損する｡このたFou)lng Of heatexchanger

FaLllt of circulation
pump

め常に電解モジュールが水没するように
Fault of water )evel
s?nsorinstalled orl electrolysIS tank

電解タンク内の水位はある一定の範囲内に保たれている｡また電解モジュールの

第5図
Fig.

β〃

陽極側に供給される循環純水ラインの純

HHOGのフォルト.ツリー
5

Fault

tree

of

水涜量は一定以上流れていることが常に

HHOG

神鋼パンテツク技報

Vol.

43

No.

2

(2000/3)

監視されている｡

使用される｡このように来る水素エネルギー社会に

循環純水の冷却が熱交換器において不十分である

おいて,半導体工場等で1年間以上,安全に連続運転されたの強度が低下し,破損する｡このため常に電解温度実績をベースにして,より安全性の高い水素エネル

は一定温度になるようにコントロールされている｡

ギーシステム用HHOGとするように努めていく所

なお水素と酸素の混合等の異常事態が発生した時存である｡には即座に電解モジュール‑の電流供給は停止され[参考文献]る｡そしてすべてのバルブは安全側に動作し,

1)多井勉ほか,神鋼パンテツク技報,(1998), p.2

Vol.42,

No.2

2)多井勉ほか,神鋼パンテツク技報,(1999), p.31

Vol.43,

No.1

HHOGは運転を停止する｡また水素ガス分離タン
クと配管から大気空間に漏洩した水素は即座に検知され,電解とHHOGの運転は停止される｡

すむ

EneT･gy,5を解決するクリーンエネルギーとして期待されてい) Directed

Vorst,

Technologies,

Inc.,

DOE/CE/50389‑502,

19976 )兵庫県商工部計量保安課監修

池が我々の生活の中で使用されると予想されており,Int.J.Hydrogen(1999), p.399

Vol.24Mayる｡来世紀初頭には燃料電池自動車,家庭用燃料電

社団法人兵庫県高圧ガス保安協会編集
水素ガスの安全な取り扱い(第2次改訂版,平成8年)

現在開発が精力的に進められている｡エネルギーの安全性は重要な課題である｡我々,人類は自動車用

7)上原陽一,小川輝繁監修

燃料の歴史の中でガソリンの安全的な取り扱い方法

ドブック株式会社テクノシステム発行(1994年,東京)
8 ) Sourcebook
forApplications
Hydrogenを学んできた｡水素エネルギーもこのような形で社

Contributed

会的に受け入れられるためには,従来の化石燃料と

byF.J.Edeskuty,

同様な安全的な取り扱い方法を確立していく必要がHydrogenうイメージがある｡しかし以上で述べたように安全

Energy9

きると考えられる｡
当社は固体高分子電解質膜を使ったオンサイト型
水素発生装置(ⅢHOG)を半導体工業,化学工業,
発電所向けに納入してきた｡このHHOGは燃料電
池自動車用水素ステーションの水素発生装置として

I.A.Barclay,

M.J.Fairlie,

lnstitute

Laboratory,

1998) D.Schmidt,

U.Kruase

Energy,D.R月ay,J.G.Hansel,

Padro

National

andRenewable

Int.J.

U.Schmidtchen,andVol.24

T.K.Bose,

C.E.Gregorieandresearch

Hydrogen

立することによって安全に水素エネルギーを使用で防火･防災対策技術ハン

A.Bain,∫.M.Ohi

M.R.Swain,ある｡一般的には｢水素は危険なガスである+とい性を確保できる水素関連装置の設計法,使用法を確)(1980), p.128

Vol.153)花田卓爾,低温工学,4 ) Addison
Bain,
Wm.D.Vanぴ

水素エネルギーは地球環境問題,資源枯渇化問題)

HHOGが重要な役割を担うと期待される｡と電解温度が上昇する｡そして固体高分子電解質膜(1999), p.479

10)贋瀬潤ほか,神鋼パンテツク技報,(1996), p.48

Vol.40,No.2ll)三宅明子ほか,神鋼パンテツク技報,(1997), p.55

Vol.41,No,112)平井清司ほか,神鋼パンテツク技報,(1998), p.61

Vol.42,

No.1

連絡先
多

勉

技術開発本部(技術士･機械吉肝『)

井

研究開発部
第1研究室

豊

島

学

技術開発本部

石豊

井技術開発本部

研究開発部

研究開発部

第1研究室

第1研究室

室長
TE

L

FAX
E‑mail鹿078‑992‑6525

TE

078‑992‑6504

FAX

t.oi@pantec.

潤

瀬

co.jp

E‑mailL

078‑992‑6525

TE

078‑992‑6504

FAX

m,toyoshima@pantec.

co.jp

E‑mailL

078‑992‑6525
078‑992‑6504

u.isbii@pantec.

co.jp

UC事業室
担当課長

TE
FAX
E‑mail

Vol.

43

No.

L

078‑232‑8100
078‑232‑8110

j.hirose@pantec.

2(2000/3)

co.jp

神鋼パンテツク技報

βJ