２０２１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
２０２１年５月１２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

ー禁無断転載・複製 ©JPEC ２０２１ー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)
累積損傷則の適用による寿命延長+

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

ｎ2N1 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(案)制定

3

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ
８．2020年度の成果
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。
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）認可をとるためのコストおよび運営コストを低減したい。

5現状と今後の展開
種類

構造

タイプ１

タイプ２

タイプ３

タイプ４

低合金鋼

低合金鋼/CFRP(フープラップ)

アルミライナー/CFRP(フルラップ)

プラスチックライナー/CFRP(フルラップ)

低合金鋼

CFRP

低合金鋼

CFRP

アルミ

CFRP

ライナー

ライナー

・低合金鋼技術文書
JPEC-TD 0003が完成

・国内に技術基準が無い
ASMEには技術基準がある・前NEDO事業にて、タイプ２技術文書の構成案

現状を作成した・Design by Analysisが確立している（実容器試験が・ASME規格では設計確認試験（実容器試験）が必要

・技術基準整備が進められプラスチック・技術基準整備が進められているている

JPECガイドライン

JPECガイドライン→KHKTD 5202

→KHKTD 5202

→KHKS 0225

→KHKS 0225

・設計確認試験（実容器試験）

・設計確認試験（実容器試験）が必要が必要不要）
・JPEC-TD 0003のKHKS 0220附属書を目指す
今後の展開

・圧縮機への適用拡大へ

本NEDO事業

本NEDO事業

・Design by Analysisの確立

・Design by Rule及びDesign

・タイプ２技術文書を策定
KHKS 0220附属書を目指す

・Design by Analysisの確立へ向けた検討

by Analysisの確立
・累積損傷則適用による長寿命化・KHKS 0225改正を目指す

技術基準なし → Design by Analysis
により技術基準を整備

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

課題と方向性
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
目的①
評価方法の簡素化

応力振幅②累積損傷則を適用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 =
ｎ1

ｎ1
N1+ｎ2
N2

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
目的②
容器寿命最大限の使用〔ランニングコスト低減〕

Design by Analysisと累積損傷則適用によりイニシャル＆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

複合圧力容器試験・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

「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

σ1σ2

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)
累積損傷則の適用による寿命延長+

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(案)制定

9

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ８．2020年度の成果
10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

𝜎a = 2.0𝜎u 𝑁f −0.10
11

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ
８．2020年度の成果
12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

CFRP
1.80
1.60

最大ひずみ (％)

1.40
1.20

エポキシ樹脂

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

主要破損モード：
ライナー材の疲労強度が支配的

13

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ
８．2020年度の成果
14複合圧力容器の評価手法確立に関する相関図
今回報告【基礎データ＆設計・シミュレーション】【実機データ】(1)ａ）ライナー材(2)ａ）ＣＦＲＰ材の最適疲労曲線の作成（KHK、東大）

応力振幅

疲労試験片

12(1)ｂ） (３) 円筒試験体評価法の検討（JSW、東大）+最適疲労曲線(1)ｃ）複合圧力容器サイクル試験の圧力振幅とサイクル寿命の相関調査（JPEC)

円筒試験体

y = x1.41
R² = 0.954108

ｻｲｸﾙ6増加比
4Ｎi/Ｎmax

容器Ｃ
容器Ｂ
容器Ａ（本NEDO）

基準点
共通

2

累積損傷則の適用によるサイクルカウント手法の確立

0繰り返し数

0246ΔPmax/ΔPi

応力振幅(1)(2)ライナー材・CFRP材樹脂疲労寿命設計線図作成（東大）

σ1σ2(1)ｃ）複合圧力容器サイクル試験の応力振幅とサイクル寿命の相関調査（JPEC、東大)

最終目標
ライナー材・樹脂最適疲労曲線

ｎ1ｎ2
N1 N2

ライナー材・ＣＦＲＰ材
疲労寿命設計線図

繰り返し数

２．技術基準の整備(JPEC)

87
ｻｲｸﾙ 6増加比 54Ｎi/Ｎmax321
基礎データと0実機データの相関調査（JPy = x2.09
R² = 0.999基準点共通0EC、KHK、東大）

KHKS 0225大改正を目指す

Δσ90-70Δσ90-501

東大解析
容器Ａ社解析

23

Δσmax/Δσi15

タイプ３複合圧力容器サブスケール品の概要と試験内容○ 容器仕様：水素ステーション用蓄圧器を軸方向に短くした仕様
材質

ライナー；A6061-T6 ,繊維；PAN系炭素繊維

内容積約76ℓ

設計圧力99MPa

容器寸法

外径：458.7mm 長さ：1,520mm

損傷形態

胴部を起点とするLBB

最小破裂圧力223MＰa（設計圧力の2.25倍)以上○ 試験内容１〕圧力サイクル試験 （試験温度：常温～約５０℃）（１）試験圧力条件：90⇔0MPa, 90⇔30MPa, 90⇔50MPa, 90⇔70MPa（水素ステーション蓄圧器の使用条件を想定）（２）圧力媒体：50％エチレングリコール水溶液（３）試験後の確認ポイント①損傷箇所②疲労寿命に及ぼす圧力振幅の影響
２〕破裂試験 （昇圧速度：毎秒0.35MPa以下） 252.9MPa：胴部破裂≧223MPa

16タイプ３複合圧力容器サブスケール品のサイクル試験結果

単一サイク
ル
試
験

圧力変動

リーク回数

90-0MPa

111,17790-30MPa

346,195

90-50MPa364,624（１回目）

アウトプット

Ｘ軸に圧力振幅比（ΔPmax/ΔPi）、Ｙ軸にｻｲｸﾙ増加比（Ｎi/Ｎmax）をとった
累積損傷関係式の構築
部分充填サイクル試験の圧力振幅比とサイクル増加比の関係
12y = 1.10x1.41
R² = 0.955

10（２回目）

390,7498ｻｲｸﾙ増加比Ｎi/Ｎmax642

90-70MPa

90-0MPa
組合せ試
験＆90-50MPa90-80MPa＆90-50MPa

827,494
391,051
347,180
セット

0012345

ΔPmax/ΔPi

ステーション圧力開放時（90-0MPa：480回）の影響はない

90-80MPa：311～726万回*＊マイナー則より算出

17累積損傷関係式
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 = 1.10x1.41
R² = 0.955

20
サイクル寿命増加比

15Ｎi/Ｎmax

10容器Ｃ
容器Ｂ

5容器Ａ

基準点
共通

00

ΔP90-30

2 ΔP90-50

4 ΔP90-70

68

ΔP90-8010

蓄圧器の圧力の変動比
ΔPmax/ΔPi
ΔPmax/ΔPi（無次元化）と Ｎi/Ｎmax （無次元化） の相関は高い⇒累積損傷則のサイクルカウント手法の確立に適用可能
国内、ＰＣＴ特許を各２件（基本特許、水素ステーション運用特許）を出願済み

18

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ
８．2020年度の成果
19累積損傷関係式採用の３バンクシステム例（バンクローテーション）
高圧、中圧、低圧バンクを、１，０００台（一定台数）充塡毎にローテーションする（充塡方法）

疲労度算出部

表示部

・差圧充塡と直充塡の併用充塡
圧力検知部
高圧バンク
高→中→低バンク

中圧バンク
中→低→高圧バンク

低圧バンク
低→高→中圧バンク

差圧充塡

蓄圧部

直充塡

昇圧部

制御部

〔３バンクシステム〕

20

累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
高圧、中圧、低圧バンクを、1,000台（一定台数）充塡毎にローテーションするケース
１台目充塡

各バンクの圧力変動

圧
力
1ｻｲｸﾙ

1000台目充塡

1ｻｲｸﾙ
1ｻｲｸﾙ

時間

1001台目充塡

2000台目充塡※水素供給量：3kg/台（実データ：HySUT殿提供）〔前提条件〕 ・認可取得サイクル回数100,000回
・1,000台充塡毎のバンク切り替えによる蓄圧器の負荷（累積損傷度）を平準化

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

累積損傷法

0.045

2,240,000台①累積損傷式の適用により、蓄圧器のサイクル仕様を低減可能⇒イニシャルコストの低減②一定台数毎のバンクローテーションにより、２０年間蓄圧器の入れ替えは不要⇒ランニングコストの低減

21

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ
８．2020年度の成果
22

NEDO事業成果による蓄圧器の技術体系イメージ
鋼製容器

KHKS 0220

複合容器

KHKS 0225

附属書Eに一部引用

附属書へ引用希望

大改正

前NEDO事業成果

本NEDO事業タイプ１
JPEC-TD0003

タイプ２
技術文書案

本NEDO事業･Design by Rule
（静的強度⇒プロト形状決定）･Design by Analysis（疲労強度⇒詳細形状決定）
高度な解析による安全の担保

大幅コストダウン23

KHKS 0225大改正に向けて
車載容器

現行KHKS 0225

改正後(容器則、KHKS 0128)

設計

設計
材料
肉厚
構造及び仕様特定則

設計確認試験
層間せん断試験
破裂試験
常温圧力サイクル試験
最小厚さ確認試験
環境試験
水素ガスサイクル試験
容器則
・・・

材料
肉厚(最小厚さ計算）
構造及び仕様

設計確認試験（Test、Analysis)

安全性評価、寿命評価

金属ライナーの破裂前漏洩確認
層間せん断試験
破裂試験
常温圧力サイクル試験
最小厚さ確認試験
環境試験
水素ガスサイクル試験
温度クリープ試験
疲労解析及びき裂進展解析
・・・

破裂試験
常温圧力サイクル試験

破裂試験
常温圧力サイクル試験
・・・

型式試験

材料
肉厚(最小厚さ計算）（Rule)
構造及び仕様製造確認試験

組試験

特定則

設計

NEDO事業の成果
・公式によるプロト形状の算出
・有限要素シミュレーションに基づく詳細応力解析
・複合容器ライナーおよびCFRP
材料に関する疲労寿命設計線図
による容器疲労寿命の評価
・既存項目の取捨・選択

Design by
Rule 及び Analysis

設計の検査、構造の検査

設計の検査、構造の検査

耐圧試験、気密試験

耐圧試験、気密試験

24試験の削減
容器を用いる試験、検査試験片を用いる試験

Confidential
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【改正案】
・実容器3個⇒ 1個・解析（DBA）を併用

5.2.2.7 層間せん断 CFRP試験片5個
試験で試験全体の試験項目が決まるときに改めて検討

5.2.3.1 常温圧力サイクル試験（疲労試験）

解析で、LBB及び容器寿命を確認

5.2.2.2 金属ライナーの破裂前漏洩の確認

5.2.3.2 最小厚さ確認試験

5.2.3.6 疲労解析
・疲労寿命設計線図により寿命設定

5.2.3.3 環境試験
5.2.3.5 温度クリープ試験

5.2.3.6 き裂進展解析
・解析手法は、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、・常温圧力サイクル試験（疲労試験）

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

8.4 構造の検査
8.4.1.3 ・耐圧試験
・気密試験

製造容器すべて実施

8.4.2 構造の検査 【改正案】の方法 『CFRP層及び保護層a)の3）の厚さが構造図に適しているか、計測することにより検査する』ことも可能とする

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

容器試験数を６削減（試験片の試験は削減検討中）

25

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ
８．2020年度の成果
26

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累積損傷関係式の導入＊100台/日×３６５日×１５年＝５４５，５００台のＦＣＶに充塡蓄圧器設計仕様
疲労試験数 安全係数

サイクル試験回数

トータル試験回数

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

サイクル試験回数

トータル試験回数

Min.

Max.

（Max.回数×試験数）

n=2

4.0

100,000

200,000

400,000～～～～～

n=52.665,000

130,000

650,000

KHKS 0225大改正

イニシャルコスト低減

Design by Analysis

n=1以下

2.0?

50,000?

50,000?

大幅なイニシャルコスト低減

27

報告内容
１．研究体制、役割分担および課題
２．ライナー材最適疲労曲線の作成
３．最適疲労曲線の比較
４．複合圧力容器のサイクル試験と累積損傷関係式
５．累積損傷関係式適用時のFCV充塡台数
６．KHKS 0225の大改正
７．本NEDO事業のコスト低減イメージ
８．2020年度の成果
28

事業スケジュール
研究開発項目
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

2018年度

2019年度

2020年度【中間目標】
容器設計の基礎となる疲労曲線作成

１－１．ライナー試験片 AL疲労試験（軸荷重試験片）、最適疲労曲線作成
評価法の検討１－２．ＣＦＲＰ試 験片評価法の検討

１－４． 自緊 効果 を考 疲労寿命設計線図
慮 し た 疲 労 寿 命 設 計 導出方法の検討
線図の作成【最終目標】
疲労寿命設計線図による容器設計
累積損傷則による使用寿命延長

平均応力補正方法の提案

CFRP及びエポキシ樹脂の軸荷重疲労試験

１－３．円筒試験体評
価法の検討

2021年度(参考) 2022年度(参考)ﾐｸﾛｽｹｰﾙ有限要素ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

CFRPとエポキシ樹脂の疲労特性相関の導出

フープ巻円筒試験体の疲労試験
ライナー材料、CFRP材料の疲労特性把握
ヘリカル巻円筒試験体の疲労試験
ライナー材料、CFRP材料の疲労特性把握
タイプ2に関する疲労寿命設計線図の検討

タイプ3に関する疲労寿命設計線図の検討

1１－５．応力解析及び タイプ2実容器のサイクル試験データ採取
疲労解析に基づく複合 疲労寿命設計線図の妥当性を実証
圧力容器設計手 法の実証
２．複合圧力容器蓄圧器の技術基準案 の整備タイプ3実容器のサイクル試験データ採取
疲労寿命設計線図の妥当性を実証
タイプ2自主基準案完成
タイプ3： KHKS0225改正に向けた提案

ISO TC197 WG15への提案

29

2020年度成果（その１）
項目成果

ライナー試験

タイプ3複合圧力容器のライナー材から試験片採取を行い、疲労試験を実施した。引張強さをパラメータに含む次式の最適疲労曲線を構築した。
𝜎a = 2.0𝜎u 𝑁f −0.10
CFRP及び同一のエポキシ樹脂について疲労試験データを取得した。炭素繊維方向0°の試験片に関して最大公称ひずみで整理すれば、樹脂およびCFRP試験片（0°）の疲労強度は、アルミ合金や低合金鋼のそれよりも十分長寿命側にあり、蓄圧器胴部の主要破損モードである周方向応力による軸方向き裂の貫通に関して、CFRP層ではなく金属ライナーの疲労破壊が支配的であることが分かった。

ＣＦＲＰ試験

円筒試験

フルラップ複合圧力容器対応円筒試験体を設計し、圧力サイクル試験が実行可能であることを確認した。これにより、目標とする長寿命圧力サイクル試験実施の目途づけが完了した。
30

2020年度成果（その２）
項目成果

円筒試験

タイプ２技術文書案で規定する公式による設計、解析による設計に対応する円筒試験体を2種類製作した。公式設計の試験体では100万回、解析設計の試験体では85万回にて破裂及び漏水は認められず、安全性に問題無いことが分かった。

疲労寿命設計線図作成

タイプ3複合圧力容器蓄圧器に関して、CFRP層の構成を忠実に再現した軸対称有限要素モデルを用いて、ライナーの応力強さ振幅の評価を行った。
その結果、自緊効果により平均応力が圧縮側となる状況で応力が推移するため、ASMEの設計疲労曲線との乖離が大きいことが分かった。

容器実証

圧力振幅範囲を種々の条件で行ったタイプ3複合圧
力容器蓄圧器の漏洩迄のサイクル試験データから、累積損傷則に基づいた容器寿命延長式（累積損傷関係式）を構築した。

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2020年度成果（その３）
項目

成果

容器実証

X軸、Y軸を圧力振幅比、サイクル増加比（無次元化）とすることで、仕様の異なる容器を指数関数の形で相関良く整理することが可能となった。本
累積損傷関係式を用いることにより、従来FCV10万台に充塡可能なタイプ３蓄圧器がFCV224万台まで充塡台数を伸ばせることを見出した。

タイプ２技術文書の作成

タイプ2蓄圧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、既存の鋼製圧力容器と同様に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）

タイプ３技術基準の整備

タイプ3複合圧力容器に関する公式による設計方法を確立した。容器設計は①公式による設計により、静的強度を考慮して初期の容器厚さを決定し、②解析による設計により、疲労強度を考慮した詳細設計をする手順とした。

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2020年度成果（その４）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(1)b） 円筒試験体評価法の検討（JSW、東大）

+

ライナー材
最適疲労曲線円筒試験体σ1σ2

設計完

ライナー材試験片による最適疲労曲線を構築
𝜎a = 2.0𝜎u 𝑁f −0.10(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）

応力振幅(３) 円筒試験体評価法の検討（JSW、東大）
円筒試験体+樹脂最適
疲労曲線

樹脂及びCFRP（繊維方向）の最適疲労曲線作成
繰り返し数

ライナー材
最適疲労曲線

ｎ1ｎ2○
ライナー材疲労寿命
設計線図繰り返し数

繰り返し数

疲労試験片

き裂発生寿命とき裂進展寿命に区分して設計することとした

N1 N2(1)d） 実容器により疲労寿命設計線図の妥当性を検証（JPEC)
累積損傷則の適用による寿命延長

累積損傷関係式を構築⇒圧力変動から蓄圧器の寿命推定が可能

設計完

設計完
(2) ミクロスケール有限要素シミュレーション

応力振幅

応力振幅

疲労試験片

(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）

樹脂最適疲労曲線△ＣＦＲＰ材疲労寿命設計線図
繰り返し数

２．技術基準の整備(JPEC) KHKS 0225大改正を目指す＋ タイプ２技術文書制定

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今後の予定①項目

成果

ライナー試験

試験片のデータを実容器試験および円筒試験のデータと比較検証し、アルミニウム合金の最適疲労曲線の平均応力補正方法を提案する。

ＣＦＲＰ試験

45°、90°CFRP試験片の疲労試験を実施し、タイプ３複合圧力容器のヘリカル層においても疲労強度が確保されていることを確認する。

円筒試験

フルラップ複合圧力容器対応円筒試験体を用いて100万サイクルレベルの圧力サイクル試験を実施し、導出した疲労寿命設計線図に基づく圧力サイ
クル寿命予測法が実用上問題ないことを検証する。

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今後の予定②
項目成果

疲労寿命設計線図作成

解析によりタイプ3複合圧力容器蓄圧器の圧力サイ
クル寿命を予測可能とする、応力振幅と破断回数の関係を示す線図を完成させる。

容器実証

自緊の強さの変化が、き裂発生までの寿命とき裂進展寿命に与える影響を確認する。

タイプ３技術基準の整備

タイプ３技術基準TFの立ち上げるとともに、技術基準KHKS 0225の大改正に資する改正案を構築する。

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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