２０２３年度 ＪＰＥＣフォーラム

複合圧力容器の評価手法確立・技術基準整備に関する技術開発
２０２３年５月１０日
一般財団法人石油エネルギー技術センター
水素エネルギー部 水素利用推進室―禁無断転載・複製 ©JPEC ２０２３―

超高圧水素インフラ本格普及技術研究開発事業／
水素ステーションのコスト低減等に関連する技術開発／
複合圧力容器の評価手法確立・技術基準整備に関する技術開発

一般財団法人石油エネルギー技術センター（ＪＰＥＣ）
高圧ガス保安協会（ＫＨＫ）
国立大学法人東京大学
株式会社日本製鋼所（ＪＳＷ）

2

「複合圧力容器の評価手法確立・技術基準整備に関する技術開発」の概要
１．応力解析及び疲労解析に基づく複合圧力容器設計手法の確立に向けた技術開発

応力振幅

疲労試験片

(1)b） 円筒試験体評価法の検討（JSW、東大）

+

ライナー材
最適疲労曲線(1)c), (2)ライナー材・CFRP材樹脂疲労寿命設計線図作成（東大）
応力振幅(1)a） ライナー材最適疲労曲線の作成（KHK）

円筒試験体

σ1
σ2

KHKS0220のピーク応力振幅を基本として自緊処理の効果を考慮した等価応力振幅算出方法の開発(３) 円筒試験体評価法の検討（JSW、東大）
円筒試験体

実容器試験結果から疲労寿命設計線図に基づき漏洩の予測が可能であることを実証➡ 累積損傷則：n1/N1+n2/N2+・・・=1 を適用可能に樹脂最適疲労曲線

応力振幅

応力振幅

ライナー材疲労寿命設計線図(1)d） 実容器により疲労寿命設計線図の妥当性を検証（JPEC)
累積損傷関係式の構築による寿命延長+

Interfacial Normal Stress （繊維間垂直応力INS）を基本として自緊処理の効果を考慮した
等価応力振幅算出方法の開発
繰り返し数

○

繰り返し数

(2)a） ＣＦＲＰ材の疲労強度評価のための樹脂最適疲労曲線の作成（KHK、東大）

樹脂最適
疲労曲線

ｎ2
N1 N2

繰り返し数

疲労試験片

ライナー材
最適疲労曲線ｎ1△ＣＦＲＰ材疲労寿命設計線図(2) ミクロスケール有限要素シミュレーション

２．技術基準の整備(JPEC) KHKS 0225大改正を目指す

繰り返し数＋

タイプ２技術文書制定

3報告内容１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
4

水素ステーション用複合圧力容器蓄圧器を取り巻く環境①認可使用サイクル数が、１０万サイクル以上を求められている。（市場ニーズ）
認可取得のための試験費用が、１～２億円程度かかる。
↓②前NEDO事業:水素ステーションの実態の圧力変動に見合った圧力サイクル試験による寿命延⾧効果を確認。
→KHKTD 5202改正を要望し認められた。⇒KHKS 0225へ反映↓③水素ステーション用蓄圧器は特定則適用のため、容器則の流れである設計確認試験は必要最小限にしたい。
↓④本NEDO事業:ライナー材を用いた試験、CFRP試験、複合圧力容器試験を実施し、複合圧力容器試験を最小限にする認可取得の道筋を確立する。
↓⑤本NEDO事業で複合圧力容器の技術基準を整備することで、ⅰ）省令改正（特定則）により大臣特認を不要とし、事前評価での認可を得られる様にしたい。
⇒2020年２月 特定則が改正され大臣特認が不要にⅱ）認可をとるためのイニシャルコストおよび運営のランニングコストを低減したい。

5

受託時の状況と今後の展開

技術基準なし → Design by Rule＆Analysis により技術文書を整備（2021年度完）

Design by Test → Design by Rule＆Analysis及び累積損傷則適用によりコストを低減

6

テーマ発足時の課題と方向性〔方向性〕

応力解析及び疲労解析に基づく複合圧力容器設計手法を確立①Design by Analysisの技術基準作成には、データが不足
・ライナーの疲労特性（圧縮応力域）・自緊処理の影響
・CFRP層の材料強度評価方法
・CFRP層の疲労特性 等

課題①
複合圧力容器を用いた安全性を確認する試験が必要
Design by Test ⇒費用と時間がかかる
目標①
評価方法の簡素化

応力振幅②累積損傷関係式を構築するためのデータが不足

σ1
σ2

累積損傷則(修正マイナー則)
損傷度 D =ｎ1ｎ1
N1+ｎ2N2

N3 ・・

D ≦ 1 まで使用できるｎ2

疲労寿命設計線図
N1+ｎ3 ・・

N2

繰り返し数

〔イニシャルコスト低減〕

課題②
複合圧力容器ライナーおよびCFRPに関する疲労寿命設計線図が存在しない
ため累積損傷則が適用できない⇒容器の使用回数が短い
目標②
容器寿命最大限の使用〔ランニングコスト低減〕〔手段〕 Design by Analysisと累積損傷関係式の構築によりイニシャル＆ランニングコストの低減を図る

7

体制と役割最適疲労曲線の作成
ＫＨＫ・ライナー試験片（圧縮応力域）、CFRP試験片評価法の検討

円筒試験体の評価
ＪＳＷ・東大・金属円筒にCFRPを巻いた試験体評価法の検討

全体統括
ＪＰＥＣ

容器試験による検証・基準化
疲労寿命設計線図の作成
東京大学

・自緊効果および製造誤差までを考慮したライナーおよびCFRPに関する疲労設計手法の確立

ＪＰＥＣ

・応力解析及び疲労解析に基づく複合圧力容器設計手法の実証→累積損傷関係式の提案
・複合圧力容器蓄圧器の技術
基準案の整備88

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
9

KHKS 0225の設計フローについて ～胴部漏洩設計～
スタート

KHKS0220からの変更点
・最適疲労曲線.

応力解析*＊自緊処理効果:
自緊処理により発生する圧縮残留応力が正確に評価できている場合は、その効果を応力解析と疲労寿命解析に取り入れることができる。

KHKS 0220

円筒胴のLBB解析

・平均応力補正の式(SWT)
Seq = Smax0.2 Sa0.8
・設計係数α1＝1.29or1.47

LBB成立の判定

NO
KHKS 0220

YES
疲労寿命解析（N f）

圧力サイクル試験n=1（N p）

認可回数 N r

円筒胴のき裂進展解析（N c）
胴部漏洩and

N p＞N c

胴部漏洩and
N p＞N f

NO

YES

設計不可

N r＝N f終了YESNO

残留応力評価結果の検証方法例①ライナーの破面観察（ストライエーション）②ライナー内面の残留応力計測（ひずみ）③CFRP表面のひずみ計測

設計
不可

N r＝N c/210

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
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複合容器事業５年間の成果の全体イメージ① ～イニシャルコスト低減～
KHK
・ライナー材最適疲労曲線の作成（試験片）
・CFRP最適疲労曲線の作成
・ライナー材、CFRP材のSWT式導出
東京大学
・試験片による疲労試験結果の円筒試験体による検証

応力解析*
KHKS 0220

円筒胴のLBB解析
LBB成立の判定

NO

KHKS 0220

YES
疲労寿命解析（N f）
圧力サイクル試験n=1（N p）

JPEC
・認可試験項目の大幅な削減 9～12→2個・検査内容の効率化（CFRP厚さ、ガス検知器）

東京大学
・自緊処理効果の取り込み・すき間モデルによる残留応力の算出
・き裂進展解析からの応力推定

スタート

認可回数 N r

円筒胴のき裂進展解析（N c）
胴部漏洩and

N p＞N c

胴部漏洩and
N p＞N f

NOYES

設計
不可

N r＝N f

YESNO
設計
不可

N r＝N c/2

終了

成果①：低コスト化を目指したタイプ３複合圧力容器の設計手法の確立

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複合容器事業５年間の成果の全体イメージ② ～ランニングコスト低減～
蓄圧器の圧力の変動比とサイクル寿命増加比の関係
3025

y = 1.10x1.4120
サイクル寿命増加比

15Ｎi/Ｎmax

105JPEC・累積損傷関係式の構築

R² = 0.955

容器Ｃ
容器A（93MPa品）

容器Ｂ

容器Ａ
（自緊85%品）
基準点
共通00

ΔP90-30

容器Ａ（自緊73%品）

2 ΔP90-50

4 ΔP90-70

国内、ＰＣＴ特許を計５件（基本特許、水素ステーション運用特許）を出願済み

容器Ａ（自緊100%品）

68

ΔP90-8010

蓄圧器の圧力の変動比
ΔPmax/ΔPi〔前提条件〕
・認可回数：100,000回
・バンクローテー
ション実施

ｶｳﾝﾄ方法

ｶｳﾝﾄ数/1台可能な充塡台数

従来法

1.0

100,000台

累積損傷関係式

0.045

2,240,000台

成果②：FCV充塡台数増を目指したタイプ３複合圧力容器の疲労評価手法の確立

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報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
14すき間をモデル化した有限要素解析による残留応力の算出
アルミ合金ライナーの弾塑性変形とCFRP層との接触を考慮した有限要素解析z〔解析結果〕

軸力zzz

CFRP層
Al合金
ライナー
降伏応力
Al合金ライナー
Al合金
ライナー
未降伏
未接触

内圧 p

CFRP層

Al合金ライナーr

接触後
CFRP層応力発生

降伏後接触

CFRP層（降伏した部分をグレーで表示）

0rrr

p = 39 MPa（１）アルミ合金ライナーとCFRP層の間にすき間を設定して軸対称有限要素モデルを作成（２）アルミ合金は弾塑性体としCFRP層は直交異方性線形弾性体としてモデル化（３）CFRP各層の繊維配向と厚みの変化を見積もり正確な形状モデルを作成

p = 49 MPa
p = 55 MPa
図. 自緊圧力負荷中のMISES相当応力変化（隙間=5mmの場合)（１）自緊処理圧力まで内圧を負荷し除荷まで解析（２）ライナー外面とCFRP層内面の接触問題を正確に解析（３）除荷後の残留応力を初期応力として圧力サイクルにより発生するライナーの応力振幅と平均応力を評価

15

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
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ライナー材最適疲労曲線の作成
ライナー材から切り出した試験片による疲労評価

図 Al合金疲労試験片のS-N線図（JIS H 4080、R=－1、荷重制御）■S-N線図より、「疲労強度∝引張強さ」の傾向を確認

定式化

17

最適疲労曲線の比較
CFRP及び同一のエポキシ樹脂材の試験片による疲労評価
CFRP:炭素繊維配位方向の試験片
2.00
1.80

CFRP

1.60

最大ひずみ (％)

1.40
1.20

エポキシ
樹脂

Type３断面

1.00
0.80
0.60
0.40

ライナー材
(Al合金)

0.20
0.00
1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

繰返し回数 Nf

図 最大公称ひずみで整理したS-N線図（CFRP・樹脂：R =0.1、荷重制御、Al合金ライナー：R =-1、荷重制御）

樹脂およびCFRPの疲労強度はライナー材のそれよりも十分⾧寿命側

疲労寿命:ライナー材の疲労強度で決まる

18

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
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試験の削減案【改正案】
容器を用いる試験、検査試験片を用いる試験

公式及び解析による設計

5.2 設計確認試験
5.2.2.1 破裂試験

5.2.2.7 層間せん断試験
実容器3個⇒ 1個（済）（削除）

漏洩部位を胴部として設計する場合、解析により容器寿命を設定

5.2.3.1 圧力サイクル試験（胴部漏洩設計）
容器2～5個⇒ 1個（済）5.2.3.2 最小厚さ確認試験

5.2.2.2

金属ライナーの破裂前漏洩の確認

5.2.3.6

疲労解析

（削除）

5.2.3.3 環境試験

（削除）

・本事業の検討結果を反映

5.2.3.5 温度クリープ試験（削除）

5.2.3.6

亀裂進展解析

・本事業の検討結果を反映

7.3 製造確認試験（200個毎または1年間に2個）
7.3.1

・破裂試験
（削除）
・圧力サイクル試験（疲労試験）（削除）

8.4 構造の検査
8.4.1.3 ・耐圧試験

製造容器すべて実施

・気密試験
8.4.2 構造の検査の 現行規定『CFRP層及び保方法
護層の厚さを実容器を切a)の3）断して確認する』のほかに、FW中の測定で確認することも可とする。
（済）

5.1.1.1

タイプ３最小厚さの計算の方法：公式による静的強度の確保

5.3.4

樹脂含浸炭素 CFの強度発現率；
繊維層の炭素 破裂試験の容器１個の破繊維裂圧力を用い、解析により(許容引張求めた破裂圧力時のCFRP応力）層のCFに生じる最大引張応力と、CFの引張強さの比で求める

容器試験を大幅削減
・漏洩部位を胴部として設計する場合：9～12個 ⇒ 2個

※項目番号は、現KHKS0225の番号

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報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
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検査内容の効率化① ～樹脂含浸炭素繊維層厚さ計測手法の検討結果～
 プロファイル測定器により樹脂含浸炭素繊維層厚さを高い精度で測定できる（下表） フープ巻き、ヘリカル巻き各層ごと厚さも測定可能
１（胴部)

断面計測以外の方法の一つとして適用可能⇒KHKS 0225改正案に採用

３４５

計測位置

設計値に対する各層の厚み測定結果 n=3
容器断面による計測

胴部

1

FW時の非接触計測

CFRP厚さの設計値❶に対する割合（％）

GFRP厚さの設計値❷に対する割合（％）

全体厚さの設計値①に対する割合
（％）

103.6

96.3103.4

鏡部

2345

GFRP厚さ（mm）

データ非開示とさせてください

設計

CFRPの割合

CFRP厚さの設計値❶に対する割合（％）

GFRP厚さの設計値❷に対する割合（％）

全体厚さの設計値①に対する割合（％）

CFRPの割合

CFRP GFRP 全体厚
厚さ
厚ささ（ｍｍ） （ｍｍ） （ｍｍ）

0.97

100.6

117.8

101.1

0.96

Base❶ Base❷ Base①

容器断面による計測
CFRP厚さ（mm）

２

設計

FW時の非接触計測
全体厚さの設計値
各②～⑤に対する割合（％）

CFRPの割合

109.7
115.3
133.3
97.5

0.99
0.99
0.990.98

CFRP厚さ（mm）

GFRP厚さ（mm）

データ非開示とさせてください

全体厚さの設計値
各②～⑤に対する割合（％）

CFRPの割合

全体厚さ（ｍｍ）

109.7
115.2
135.0
98.9

0.99
0.98
0.990.98

Base②
Base③
Base④
Base⑤22検査内容の効率化② ～ガス検知器について～※改正TFにおいて、気密試験のガス検知器使用が承認された。

・携帯ガス検知器による漏洩検知濃度に関して、法的な規定は無い。
・限界検知量・検知濃度に関しては定量的な規定をせず、“発泡検査と同等以上”の検知ができることを考える。
・発泡検査及び目視検査は、検知器の精度の比較対象とするため記載を残す。

【文章案】
複合圧力容器（試験体を含む。）の気密試験は，次のa)～c)による。
a)窒素又はヘリウム等の安全な常温の気体を使用して設計圧力以上の圧力で行う。
b)気密試験は，気密試験装置を用いて試験圧力まで昇圧して複合圧力容器等の内部が試験圧力になったことを確認した後，検査条件を考慮して，目視，発泡検査及び発泡検査と同等以上の検知ができるガス検知器等のうち適切な方法により検査を行う。
c)気密試験は，漏れ等の異状が生じない場合に合格とする。

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報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
24累積損傷関係式およびKHKS 0225大改正によるコスト低減イメージ〔現状〕

蓄圧器認可： ２２,０００回（フル充塡）または３０,０００回（90-40MPa充塡）
イニシャルコストUP〔普及期＊〕 蓄圧器認可：１００,０００回（フル充塡）
ステーションでの蓄圧器交換：５回
ランニングコスト大＊100台/日×３６５日×１５年＝５４５，５００台のＦＣＶに充塡

累積損傷関係式の導入

蓄圧器設計仕様
疲労試験数 安全係数

サイクル回数総サイクル回数

Min.

Max.

（Max.回数×試験数）

n=2

4.0

400,000

800,000

1,600,000

～

～～～～

n=5

2.6

260,000

520,000

2,600,000
イニシャルコスト大蓄圧器認可：２５,０００回（フル充塡） イニシャルコスト同等
ステーションでの蓄圧器交換：０回（100%減）

ランニングコスト低減

蓄圧器設計仕様
疲労試験数 安全係数

サイクル回数Min.

Max.

（Max.回数×試験数）

n=2

4.0

100,000

200,000

400,000

～～～～

～

n=5

2.6

65,000130,000

650,000

KHKS 0225大改正
Design by Analysis⇒試験項目の削減（胴部漏洩設計）

総サイクル回数

イニシャルコスト低減

n=1

2.0～?

30,000?

30,000?

大幅なイニシャルコスト低減

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報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．設計フロー図
３．５年間の成果の全体イメージ
４．有限要素解析
５．最適疲労曲線６．試験の削減案
７．検査内容の効率化
８．本NEDO事業のコスト低減イメージ
９．まとめと今後
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まとめと今後
１．イニシャルコスト低減を図るため、タイプ３複合圧力容器の設計手法を確立し、KHKS 0225の改正案を完成した
２．ランニングコスト低減を図るため、累積損傷関係式を構築
し、 FCV充塡台数増を実現するタイプ３複合圧力容器の疲労評価手法を確立した
３．タイプ2複合圧力容器は炭素繊維層が金属層の周方向応力を分担している鋼製圧力容器であり、実容器試験を課さない設計が可能であるとの結論を得、タイプ２技術文書を作成した（JPECのHPにて公開）（今後）KHKS 0225の改正を２０２３年度中に実現すべく必要な情報を提供する
27

ご清聴ありがとうございました

謝辞
以上の発表に関する技術開発成果は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO＊）からの委託事業「超高圧水素インフラ本格普及技術研究開発事業」（プロジェクトコード:P18011）の結果得られたものです。
＊New Energy and Industrial Technology Development Organization