■2005.9

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.227

TODAY

科学技術研究開発におけるMaximumの研究とMinimumの研究つの技術基盤となり、広く国際的に利用されることになった。
さらに、Sandia National Laboratoryでは、宇宙開発のような具体的な目的がなかったにもかかわらず、30,000psiまで水素脆化研究を実施した。このような研究の蓄積が現在の高圧水素貯蔵への展開の基盤になっていると言える。米国での水素脆化研究は先端技術と位置づけられ、材料研究として世界最大の水素圧を目指したMaximumの研究を行ったのである。
なお、水素脆化研究におけるこの水素圧の記録はいまだ破られていない。
同じ頃、わが国では水素による遅れ破壊が問題となり、産学官で遅れ破壊研究を広く行い、ボルトの技術指針を決めた。これによって、瀬戸大橋のような大型構造物の安全上の課題の一つが解決できたことになるが、材料の信頼性向上としてMinimumの研究を行ったとも言える。一方、わが国での宇宙開発であるH−Ⅱロケットの液体水素を燃料とするエンジン開発においては、NASAと比べられるような水素脆化研究には遂に至らなかった。宇宙開発において、水素脆化研究はMaximumの研究とは位置づけられなかったのである。
日米共に同じ頃に水素脆化研究の高揚期がありながら、おのおの位置づけが異なり、現在に至って、その差が明確になってしまった。30年前に現在の燃料電池自動車の高圧水素貯蔵を見通せた人はいなかったが、科学技術の気まぐれな女神はMaximumの研究に微笑んだように見える。

（独）産業技術総合研究所計測フロンティア研究部門

水素脆化評価研究グループ
グループ長

横 川 清 志科学技術の研究開発において、青色ダイオードのような研究課題は機能性のMaximumの特性（チャンピオンデータ）を求める「Maximumの研究」であるのに対して、信頼性の向上を求めるような研究課題は全体としてのMinimumのレベルの底上げを図る「Minimumの研究」であると言えよう。類似の研究をしていても、位置づけのあり方によっては将来展開がかなり異なることになる。
ところで、燃料電池自動車の開発は、Ballardにより燃料電池が自動車に応用できることが示されて以来、世界的に強力に推進されている。燃料電池自動車の燃料として、水素ガスが最も期待されているが、水素ガスは貯蔵容器やバルブ、配管等に直接接触して材料内に侵入・拡散し、材料に亀裂を生成・成長させ、本体の破壊に至る水素脆化が危惧されるため、水素脆化研究が行われるようになった。当該財団法人においても独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構より委託を受けて水素社会構築共通基盤整備事業に関する研究開発を推進している。
水素ガスによる脆化は、古くは破壊事例が知られていたものの、重大なものとは考えられていなかったが、NASAで液体水素を燃料とするスペースシャトルの主エンジン開発において問題が顕在化したた
め、本格的に実施されることになった。そこでは最高水素圧10,000psiまでの水素圧下で研究が行われた。
［1］
その集大成である金属材料の高圧水素脆化表 は、
燃
料電池自動車の高圧水素貯蔵技術の開発において一主要な参考文献［1］W.T.Chandler and R. J. Walter, Hydrogen embrittlement testing ,ASTM STP543, ASTM,（1974）, p.170.

1

JRCM REPORT「水素安全利用等基盤技術開発−水素に関する共通基盤技術開発−水素用材料基礎物性の研究」成果報告
成果報告「水素安全利用等基盤技術開発−水素に関する共通基盤技術開発−水素用材料基礎物性の研究」
環境・プロセス研究部

1

はじめに

田村元紀

また、平成14年5月には内閣官房に開発」は、平成5年に開始され平成10内閣府及び関係省庁の局長級で構成さ年に6年間の第Ⅰ期研究期間を終了し燃料電池を含む新エネルギー技術れる「燃料電池の実用化に関する関係て、平成11年度より5年間の予定で第は、科学技術基本計画（平成13年3月

省庁連絡会議」が設置され、燃料電池Ⅱ期研究期間に移行した。しかし、平閣議決定）、エネルギー基本計画（平の安全性の確保を前提とした燃料電池

成14年度でこのプロジェクトは終了成15年10月閣議決定）等における重点にかかわる6法律28項目の関連規制のし、水素雰囲気で使用される構造材料分野としても位置づけられている。さ

包括的な再点検が実施される（図−1）の研究は平成15年度から、NEDO技術らに、燃料電池については、燃料電池等、燃料電池の新技術開発とともに、開発機構による「水素安全利用等基盤実用化戦略研究会（経済産業省資源エ規制・技術基準の整備及び標準化の推技術開発−水素に関する共通基盤技術

ネルギー庁長官の私的研究会、平成11進の重要性が認識され、官民挙げてそ開発−水素用材料基礎物性の研究」に年12月設置）において「固体高分子形の整備が進められてきた。

引き継がれ、低温、液体水素雰囲気中燃料電池／水素エネルギー利用技術開経済産業省の補助を受け進められて心の研究から、水素ガス雰囲気での安発戦略」が策定され、産学官が一体といた新エネルギー・産業技術総合開発全なインフラ構築のための研究中心へなって燃料電池実用化のための技術開機構（NEDO技術開発機構）のプロジと移行した。
本報告は、平成15・16年度に発等に積極的に取り組むべきことが提ェクト「水素利用国際クリーンエネルおける研究成果をまとめたものである。

言されている。

ギーシステム技術（WE-NET）研究

本研究開発においては、水素用材料

図−1

JRCM NEWS No.227

2に着目し、水素を安全に利用するために、安全性の確保を前提とした規制の再点検に資する各種材料の技術開発や特性データ取得を行い、民間事業者等が主体となって行う技術基準案や例示基準案の技術的根拠とすることを目標とした。
具体的には、①高圧水素タンク用ライナー材の研究、②高圧水素配管の耐久性向上技術の開発、③高圧水素蓄圧器用材料の研究開発、④高圧水素バルブ及び継手用材料の研究開発、⑤液体水素用構造材料の研究開発、⑥水素用非金属材料の基礎物性に関する研究開発、⑦水素用材料の物性調査及びデータベース化、⑧水素特性試験装置の開発及びそれを用いた水素用材料の基礎

図−2 研究体制

物性評価、⑨極低温ガス環境下での材料特性に関する研究、⑩水素スタンド課題解決に取り組み提案できるように、高圧水素雰囲気下における引張特性を構成金属材料の評価、⑪水素用材料の対象材料をステンレス鋼、アルミニウ評価した。オーステナイト系ステンレ

疲労・トライボロジー特性をテーマとしム合金、クロムモリブデン鋼等の金属ス鋼の水素環境脆化は、水素圧の増加た研究に取り組んだ。
その結果、35MPa系と、カーボン繊維、プラスチック材とともに増加し（図−3）、Ni当量の大級高圧水素ガス中での引張特性、疲労料等の非金属系に分け研究開発を分担

きい材料への水素の影響は小さいことに関するデータをはじめとする多くのした。

を確認した。

データを採取し、貴重な知見を得るこ

3とができた。

2

研究開発の実施

研究開発にあたっては、
愛知製鋼（株）、研究開発成果

極低温ガス環境下での材料特性の研究では、77K以下の連続した温度のガス

材料物性共通基盤技術に関する研中におけるオーステナイト系ステンレ究、及び材料の基礎物性に関する研究

ス鋼の強度特性を調査したが、変態等について、概要を述べる。

による不連続点は認められなかった。

新日本製鐵（株）、住友金属工業（株）の各（1）材料物性共通基盤技術に関する研究

疲労・トライボロジー特性研究では社、高圧ガス保安協会、及び（独）産業

高圧水素や液体水素環境下での材料次の成果を得た。疲労強度に及ぼす水（独）物質・材料研究技術総合研究所、試験や試験データの調査、解析等、材素の影響を調べるため、水素吸収材の機構、九州大学と研究体をつくり、実料物性の共通基盤技術に関する検討を引張圧縮疲労試験を行った。SUS304、施した。研究体制を図−2に示す。

行った。

SUS316、SUS316L（オーステナイト

東京大学の柴田教授を委員長とする高圧水素ガス環境下、極低温環境下系）及びSUS405（フェライト系）で「水素用材料開発委員会」、上記委託先で使われる水素用材料基礎物性に関すは、疲労寿命に顕著な差は見られなか研究者による「水素用材料基礎物性のる国内外の調査を行った。低温材料のったが、13Cr-0.7C鋼（マルテンサイ

研究ワーキンググループ」等を構成し、機械的性質を中心にしたデータベース

ト系）及びSCM435の水素吸収材では材料特性試験をはじめとした材料基礎検索システムをつくり、低温材料国際疲労強度が著しく低下した。その場観

物性に関し、相互情報交換を密にして会議及び水素エネルギー国際会議で紹察による疲労試験では、試験雰囲気の技術レベルの維持・研鑚を行った。車介した。

影響は疲労き裂の発生と伝播過程で異両関連機器、水素インフラ、定置シス

金属材料の水素環境脆化の基盤研究なること、水素ガスが疲労強度に及ぼテムにおけるさまざまな材料共通基盤

では、オーステナイト系ステンレス鋼、す因子は、材料や雰囲気中に存在する課題を当研究体が受け止め、効率的に低合金鋼及びアルミニウム合金の室温水素に影響し、これらは区別して評価

3

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機械的物性を評価した。
最高98MPa、−40〜150℃（233〜423K）の高圧水素ガス中での低歪み速度引張試験（Slow Strain Rate Testing、SSRT試験）機を導入し、稼働させた。
45MPa水素中、3×10−7〜8×10−5 /secの歪み速度で試験を実施した結果、
A6061T6やSUS316Lは脆化を起こさず、SUS304Lは常温で顕著な破断伸びや絞りの低下を示すこと、試験条件内では歪み速度の影響は小さいことを確認した（図−6）。
さらに、最高90MPa、室温〜100℃
図−3 Effect of hydrogen pressure on relative reduction of area of austenitic
stainless steels at room temperature.

（373K）の高圧水素ガスを用いて鋼管状試験片の疲労特性を評価する内圧・外圧疲労試験機を導入し、稼働させた。

すべきこと等がわかった。

例示基準に反映された。

50〜87MPaの水素ガスを用いて人工欠

高圧水素ガス中材料評価試験では、陥材の外圧疲労試験を実施した結果、安全性の確保を前提とした規制再点

最高45MPa、−50〜100℃（223〜373K）

A6061T6やSUS316Lの水素中の疲労寿検に資する特定材料の、主として高圧の温度制御可能な機械試験機を導入

命はアルゴン中の寿命と大差はないこ

水素環境下での基礎物性データを取得し、稼働させた。本装置により、
45MPaとを確認した。

した。候補材料として、オーステナイ

高圧水素ガス中にて、A6061T6材、ステンレス鋼、アルミニウム合金、ト系ステンレス鋼SUS316L及びアルミSUS316L材の引張特性、疲労特性及び銅合金を高圧水素ガス中に暴露し、そニウム合金A6061T6を選定し、特に疲労き裂伝播特性（図−4、5）を評の水素吸収特性を調査した。
その結果、35MPa級高圧水素に対応した材料の機価した。さらに、高圧水素容器ライナ

オーステナイト系ステンレス鋼では、械的物性データを取得した。これらのー材、粒経制御アルミニウム素材を入

45MPa×85℃（358K）×1000時間の暴

新規取得データは、燃料電池自動車車手し、組織調査や硬度測定を行うとと露において、いずれも10ppmを超える載35MPa級高圧水素ガス燃料タンクのもに、これらより切り出した試験片の水素ガス吸収が認められた。また、そ（2）材料の基礎物性に関する研究

図−4 Fatigue crack growth properties of A6061-T6

JRCM NEWS No.227図−5 Fatigue crack growth properties of SUS316L

4

た。これによって、これまで国内外でほとんど知られていなかった水素雰囲気下での材料基礎物性データを得ることができた。高圧水素環境下では、シール部性能、試験片の軸制御、歪みゲージの性能維持等、従来の試験機では経験ないような技術的ハードルが高い部分があり、しかも、時間的余裕のない状況であったが、関係者の多大の努力で世界的にも希少なデータの提供が可能になった。
特に、35MPa級圧縮水素自動車燃料装置用容器等の例示基準の技術根拠と図−6 Relative elongation

なる材料基礎物性データを平成16年度の吸収量は、45MPa×200℃（473K）
×伝播試験では、短冊形試験片による試中に提供できた意義は大きい。具体的240時間の暴露において、50ppm超に験を実施した。モデル容器によるFRPには、アルミニウム合金A6061T6、オなることも確認された。これらの試験

損傷の影響についても検討した。非金ーステナイト系ステンレス鋼SUS316L

片を室温、大気中で引張試験したとこ

属材料の水素暴露後の引張試験についについて、引張特性、低歪み速度引張

ろ、水素吸収の影響を受け、延性が低ては、45MPa水素暴露（85℃（358K））、特性、疲労特性、疲労き裂伝播特性、下した。この程度は、SUS316L＜

大気圧水素暴露（23℃（296K））を実施

水素吸収特性等を得た。これらは、今SUS316＜SUS304Lの順で大きくなっ後、引張試験を実施した。高圧容器に回の35MPa級圧縮水素容器に対応したた。また、この延性低下は、低歪み速使用するプラスチックライナー用材料例示基準、技術基準のみならず、将来度ほど顕著になること、室温試験に比やパッキン・シール材料についての各種水素用機器の安全設計に極めてべ、−40℃（233K）試験ほど顕著にな45MPa水素暴露試験を実施した結果、重要である。

ることも明らかとなった。実用バルブ

水素による明確な劣化は確認されなか水素の製造、搬送、貯蔵、利用等に材料について、45MPa水素ガス環境及った。静的荷重を与えて、破断までのかかわる水素用機器には、本研究開発

び大気環境での引張特性を評価した。

時間を計測するストレスラプチャー試で扱ったオーステナイト系ステンレス

その結果、銅合金（C3771）及びステン験によって、CFRPの破断強度の時間鋼SUS316Lやアルミニウム合金レス鋼（SUS316L）は、45MPa水素ガ依存性を試験した。この結果、過去にA6061T6のみでは到底賄いきれず、候ス環境において延性低下はほとんど認取得されたデータと比較して、CFRP補材料は無数にある。また、新規に開められず、顕著な水素ガス環境脆化をの破断強度の時間依存性は非常に小さ発された材料や水素脆化防止技術等の示さないことが確認された。

く、数千時間破断強度は、引張試験に評価も重要となる。
しかも実用的には、液体水素用構造材料の研究開発でおける破断強度の90%以上に達するこ

各種熱処理や加工、接合がなされていは、SUS304L及びSUS316Lの5mm厚とが明らかになった。本結果は、圧縮るので、多くの材料種の評価のみならステンレス鋼の摩擦撹拌接合（FSW）

水素自動車燃料装置用容器の技術基準ず、それぞれの材料の利用加工処理等

溶接継手の室温〜極低温での特性評価の応力比、荷重を分担する繊維を炭素の影響を把握することが実用上必要でを行ったところ、母材と同等以上の引繊維に限定、容器の必要肉厚設計基準あり、適用可能範囲の提示を含めて今張及びシャルピー衝撃吸収特性を示し等を決める技術的根拠となった。

後の課題である。

た。さらに、液体水素中曲げ疲労試験を実施し、その疲労強度も評価した。
水素用非金属材料の基礎物性に関す

4

おわりに燃料電池の新技術開発とともに、規制・技術基準の整備及び標準化の推進

世界的にも希少な高圧水素雰囲気中の重要性が認識され、官民挙げてそのでの材料特性を把握できる試験装置及整備が進められてきた。さらに平成17

FRP疲労試験において、容器設計にび試験方法を、平成15年度後半から16

年度からは、燃料電池の普及を円滑に必要な疲労特性を取得した。損傷き裂

年度前半の短期間に開発、先行導入し実現するための安全性の確保、標準化る研究で得られた成果を次に示す。

5JRCM NEWS No.227

及び水素供給インフラ整備等の進展に築共通基盤整備事業」が始動している。

整備事業」でも大いに活用されること応じて、燃料電池の実用化及び国際競本研究開発で得られた知見、手法、情を確信している。

争力の確保を目的とした「水素社会構

報網は、次期「水素社会構築共通基盤●国際会議案内第4回ポーラス金属および第3回強ひずみ加工による発泡金属国際会議

ナノ材料国際会議

主催：（社）日本金属学会JIMIC-4、文部科学省21世紀COEプログラム共催

主催：International NanoSPD Steering
Committee

日時：9月21日
（水）
〜23日
（金）

日時：9月22日
（木）
〜26日
（月）

場所：国立京都国際会館

場所：福岡ソフトリサーチパーク

問い合わせ先：大阪大学産業科学研究所
第4回ポーラス金属および発泡（福岡市）
問い合わせ先：九州大学大学院工学研究院金属国際会議組織委員会

堀田善治

中嶋英雄

TEL：092−642−4026

TEL：06−6879−8435

FAX：092−632−0434

FAX：06−6879−8439

E-mail: horita@zaiko.

E-mail: hideo.nakajima@kyushu-u.ac.jp

sanken.osaka-u.ac.jp

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第227号

発 行 2005年 9 月 1 日
発行人 小島 彰
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

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