２０２０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（タイプ2）
２０２０年５月８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 2020－

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

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＋Ｚ
タイプ２技術文書(案)制定

3

水素ステーション用蓄圧器への要望
高圧水素蓄圧器(82MPa)
蓄圧器1

水素供給

蓄圧器2

ディスペンサー

蓄圧器3

圧縮機

燃料電池自動車(FCV)
70MPa車載容器

プレクール設備

水素基本戦略⇒ステーションコスト半減
将来必要な充填回数
・100 台/日×20 年⇒充填回数：730,000回

蓄圧器への要望

低コスト
かつ長寿命
4

本テーマの目的と目標
目的
タイプ2蓄圧器の普及を促進し、水素ステーションの整備費、運営費の低減に貢献する

目標
2020年度末までに、タイプ2蓄圧器の製造（材料、公式による設計方法、解析による設計方法、工作及び検査等）に関する技術文書（JPEC-Technical Document）を発行する

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タイプ2蓄圧器の特徴
炭素繊維金属層

金属層胴部のみにフープラップ
CFRP層

 軽量で長寿命が期待できる6

水素ステーション用蓄圧器に関する技術基準
炭素繊維強化プラスチック：CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)

タイプ1

タイプ3

タイプ4

タイプ2

タイプ3

タイプ4

低合金鋼金属層

アルミライナー樹脂ライナー
金属ボス部

CFRP

CFRP

タイプ2

型式

機能タイプ1
ガス封入
低合金鋼
耐圧構造
技術基準
設計手法

低合金鋼
金属層

CFRP
(周方向)

KHKS0220等
公式による設計解析による設計

KHKS0225

技術基準が存在しない試験による設計

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圧力設備の強度設計法
参考：(日本規格協会)新版圧力容器の構造と設計

強度設計

適用事例

考え方
 設計に用いる公式が与えられている公式による設計(Design by Rule)解析による設計(Design by Analysis)

特定設備(圧力が低い場合)

特定設備(圧力が高い場合)

 起こりうる全ての破壊モードを考慮せず、大きい安全係数を設定し、他の破壊モードに対する安全性を確保する
 起こり得る全ての破壊モードを考慮し、詳細応力解析を実施して、安全性を確保する
 結果として安全係数を小さく設計できる試験による設計(Design by Test)

車載容器

 実容器を試験体とし、実際の使用環境を模擬した負荷を付与して安全性を検証する

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タイプ2蓄圧器の課題と解決方針• 国内にタイプ2蓄圧器の設計・製造に関する技術基準が存在しないことが、水素ステーションへのタイプ2導入が遅れている一因である• ASME Sec.Ⅷ DivⅢ等に参考となる基準があるが、試験による設計のため製造認可取得までに膨大な費用と時間がかかる
出典：日本製鋼所 H27-29NEDO成果報告書

ASMEで規定されている実容器試験項目
CFRP層厚さ測定
目視検査
水圧試験
体積膨張試験
液圧サイクル試験
破裂試験
繊維含有率測定
液圧サイクル試験の一例

 タイプ2蓄圧器を普及させるためには、設計・製造に関する技術基準が必要である
 実容器試験を行わない、公式および解析による設計方法を確立する

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前NEDO事業の成果（2013-2017年度)
・応力解析をもとに設計したタイプ2蓄圧器を用いて実容器試験を実施
出典：JPEC他 H25-29NEDO成果報告書

46万サイクル試験して漏洩無し

出典：日本製鋼所 H27-29NEDO成果報告書

解析で予測された破裂圧力：235MPa
破裂した圧力：233MPa

解析で予測された位置で破裂
液圧サイクル試験

破裂試験

 前事業で応力解析に基づいてタイプ2蓄圧器が設計できることを実証した
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タイプ2技術文書検討体制
ステアリング委員会【NEDO事業】
報告

検討分科会(3回/年）【HySUT事業】
議論
報告

タイプ2複合容器蓄圧器技術文書
検討分科会
主 査 辻 裕一
委 員 吉川 暢宏
委 員 小川 武史
委 員 小茂鳥 潤
委 員 澁谷 忠弘

東京電機大学 工学部 教授
東京大学 生産技術研究所 教授
青山学院大学 理工学部 客員教授
慶應義塾大学 理工学部 教授
横浜国立大学 リスク共生社会創造センター 教授
委 員 小林 訓史 東京都立大学 教授
事務局 一般財団法人石油エネルギー技術センター

承認

タスクフォース(3回/年）【NEDO事業】

タイプ2複合容器蓄圧器技術文書
検討タスクフォース・一般財団法人石油エネルギー技術センター
・高圧ガス保安協会
・国立大学法人東京大学・株式会社日本製鋼所
・JFEスチール株式会社/JFEコンテイナー株式会社
・高圧ガス工業株式会社/高圧昭和ボンベ株式会社

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タイプ2技術文書作成スケジュール
2018年度
タイプ2タスクフォース
課題の抽出および解決方法の議論

2019年度

第1回
11/15

第2回
2/5

第1回 第2回
5/30 10/8

第1回
12/5

第2回
3/5

第1回 第2回
6/26 11/6

2020年度

第3回
2/19

3回を予定

課題解決のための試験
金属層異方性検証

技術文書化
考え方の議論各項目の文書化
文書内容の修正

タイプ2技術文書
検討分科会
複合容器ステアリング
委員会
水素インフラ規格
基準委員会

第1回
9/18

第2回 第3回
1/18 3/26

第1回
8/6

第2回
12/16

第3回
3/26

3回を予定

第3回
3/13

審議過程の適正性の確認（プロセスレビュー）及び技術基準の技術的評価（テクニカルレビュー）並びに基準制定の承認に関する審議

JPEC-TD案
12月 完成12

NEDO事業成果による蓄圧器技術体系のイメージ
鋼製容器

KHKS0220

複合容器

KHKS0225

附属書へ引用希望

附属書へ引用希望

大改正へ

前NEDO事業成果

本NEDO事業タイプ１
JPEC-TD0003

タイプ２
技術文書

本NEDO事業：タイプ３ Design By Analysis①実容器サイクル試験を課さない②累積損傷適用

Design By Analysis
JPEC-TD 0003：http://www.pecj.or.jp/japanese/committee/pdf/jpec-td_0003.pdf

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タイプ2技術文書のコンセプト
タイプ2蓄圧器の応力分担

内圧
軸方向応力
軸方向応力は全て金属層が負担

CFRP層が金属層の周方向応力を分担した鋼製蓄圧器である↓
DBR、DBAによる設計が可能

CFRP層の機械的性質の設定方法
公式による設計（DBR）の方法

タイプ2技術文書で新たに定義する

詳細応力解析による設計（DBA）の方法
水素中で低合金鋼を安全に使用する方法

タイプ2技術文書完成

低合金鋼技術文書（JPEC-TD 0003）を引用

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金属層に用いる低合金鋼の水素適合性評価• 低合金鋼は水素の影響により材料特性が低下する場合がある。
• 水素適合性（水素に対する安全性）評価のため、SSRT・疲労試験を実施する。
水素中でも最大荷重点を超えること
最大荷重点

応力 ( MPa )応力 ( MPa )水素中の疲労限度が大気中の疲労限度よりも低下しないこと

Air
H2

極大値

(a) 不適合出典：JPEC-TD 0003

極大値(b) 適合水素中SSRT

水素中疲労試験 金属層に用いる低合金鋼は水素適合性を満足する材料を使用しなければ変位 (mm)
変位 (mm)ならない。 変位 (mm)(a) 不適合(b) 適合(c) 適合15

タイプ2設計コンセプト案（Design by Rule）
公式（厚肉組み合わせ円筒の式）により各層の厚さを設定
金属層に発生する周方向応力が金属層材料の許容引張応力以下
CFRP層に発生する周方向ひずみが許容ひずみ以下
水素中の疲労限度が大気中よりも低下しない材料であることが確認されている

YESNO

水素中疲労試験を実施し確認が必要

具体例

設計完了
大気中ニーポイントを超える
水素中疲労試験データ16

金属層およびCFRP層厚さの計算に用いる公式• 厚肉組み合わせ円筒の式(1)の適用を検討した。 出典：機械工学便覧基礎編2007

α3-64b−𝛿𝑝𝑎
𝑎2+2𝑐
𝐸1 𝑐 2 − 𝑎2𝑝𝑚 =1 − 𝜈1 1 + 𝜈2
1𝑎21𝑐2++2+𝐸1𝐸2𝐸1 𝑐 2 − 𝑎2
𝐸2 𝑏2 − 𝑐 2𝜎𝜃 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙

𝑝𝑎 𝑎2= 2𝑐 − 𝑎2𝑐2𝑝𝑚 𝑐 2+1 − 2𝑐 − 𝑎2
𝑟12𝑎2+1𝑟22cE2(1)E1n2(2)

n1pm

paa

金属層
CFRP層

𝑝𝑚 𝑐 2𝜎𝜃 𝐶𝐹𝑅𝑃 = 2𝑏 − 𝑐2𝑏2+1𝑟22(3)𝜀𝜃 𝐶𝐹𝑅𝑃 = 𝜎𝜃 𝐶𝐹𝑅𝑃 𝐸2(4)𝜎𝑧 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 = 𝑎2 𝑃𝑎 (𝑐 2 − 𝑎2 )(5)𝑝𝑚 ： 金属層とCFRP層接触面における圧力(MPa)𝑝𝑎 ：内圧(MPa)a ： 金属層内半径 (mm)b ： CFRP層外半径 (mm)c ： 金属層外半径またはCFRP層内半系径 (mm)
𝛿 ： 金属層とCFRP層の間のすき間 (mm)r1 ： 金属層半径 (mm)r2 ： CFRP層半径 (mm)E1 ： 金属層材料の縦弾性係数 (MPa)E2 ： CFRP層材料の縦弾性係数 (MPa)𝜈1 ： 金属層材料のポアソン比𝜈2 : CFRP層材料のポアソン比𝜎𝜃 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 : 金属層周方向応力 (MPa)𝜎𝑧 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 ： 金属層軸方向応力 (MPa)𝜎𝜃 𝐶𝐹𝑅𝑃 : CFRP層周方向応力 (MPa)𝜀𝜃 𝐶𝐹𝑅𝑃 ： CFRP層周方向ひずみ17公式の妥当性に関する検証
出典：日本製鋼所 H27-29NEDO成果報告書

ひずみゲージ実測値
270°

180°

90°0°

公式による計算値

容器中央部4等配(0,90,180,270°位置)で外面ひずみを測定
0°90°

270°

180°

 周方向ひずみの実測値と公式による計算値はよく一致しており、公式が妥当であることを確認した。
18

金属層の許容引張応力、CFRP層の許容ひずみ• 各層の厚さを設定するためには、許容引張応力（ひずみ）の定義が必要

許容引張応力（許容ひずみ） = 基準となる強度（ひずみ） / 設計係数
• 設計係数は圧力容器規格を参考に、金属層材料：3.5、CFRP層：2.5とした。
金属層材料

参考規格

引張強度（MPa）

800

設計係数

3.5

許容引張応力(MPa)

228

特定設備
検査規則

CFRP層

参考規格

破断ひずみ
(％)

1.5

設計係数

2.5

許容ひずみ(％)

0.60

ASME
Sec.Ⅷ Div.3※設計係数以外の数値は一例
 公式を用いて、各層に発生する応力（ひずみ）が許容引張応力（ひずみ）以下になるように、金属層厚さ、CFRP層厚さを設定する。
19

DBRによる厚さ計算の例



金属層内径(mm）
金属層厚さ(mm）
CFRP層厚さ(mm）
金属層引張強度（MPa）

400
8650800

金属層許容引張応力(MPa)228

金属層内面周方向応力(MPa)227

金属層内面軸方向応力(MPa）
CFRP層破断ひずみ(％)

94
1.5

CFRP層許容ひずみ(％)

0.60

CFRP層内面周方向ひずみ(％)

0.07

公式を用いて、各層に発生する応力（ひずみ）が許容引張応力（ひずみ）以下となる厚さを設定し、設計が完了する。
20

タイプ2設計コンセプト案（Design by Analysis）
技術文書
本文

組み合わせ円筒胴の式による初期厚さの設定①最大許容圧力の確認②金属層単体の破裂圧力③CFRP層に発生するひずみの確認④破裂前漏洩の確認⑤金属層の疲労解析
設計完了

解説

疲労き裂進展解析

検査周期設定方法の一例

21

疲労解析

蓄圧器の使い切り繰り返し回数の決定• タイプ2技術文書は疲労限度設計を要求する。
• 前NEDO事業で作成した低合金鋼技術文書（JPEC-TD 0003)の考え方を引用し、蓄圧器の使い切り繰り返し回数を決定する。

金属層内面の応力振幅

出典：JPEC-TD 0003

水素中疲労試験で未破断の回数

疲労曲線
技術文書
対象外

設計範囲
繰り返し数

106回

108

使い切り繰り返し回数

 蓄圧器の使用回数は水素中疲労試験で未破断であることを確認した回数までとする。
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まとめ（タイプ2技術文書案の概要）
 タイプ2蓄圧器はCFRP層が金属層の周方向応力のみを分担した鋼製蓄圧器と考える。
 金属層とCFRP層の肉厚計算は公式による設計により行い、必要に応じて解析による設計（応力解析と疲労解析）を行う。
 実容器による破裂試験や液圧サイクル試験等は課さない。
 金属層材料については、SSRTで水素適合性を評価する。
水素中疲労特性も確認する。
 金属層の疲労解析により蓄圧器使い切り繰り返し回数を決定する。
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2019年度のまとめと検討中の課題
項目
全体方針

材料

設計

工作および検査

検討済み
検討中の課題・KHKS0220の附属書を目指す
・定置式の多層容器である（特定則が適用される）・金属層材料の水素適合性評価方法
・PITCH系炭素繊維の使用
低合金鋼技術文書の考え方を引用
・CFRP層許容ひずみの設定方法
CFRP層破断ひずみ×40%で安全設計
・Design by Ruleの設計コンセプト
厚肉組み合わせ円筒の式で各層の厚さを決定する
すき間がある場合も計算可能である
・Design by Analysisの設計コンセプト
・破裂前漏洩の評価方法
金属層材料の疲労解析方法
金属層の疲労解析で蓄圧器の寿命を決める
疲労限度設計とする
・試験体による自緊減衰挙動検証は不要
・自緊圧力の上限・製造した蓄圧器の健全性確認方法

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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<JPNP18011>の結果得られたものです。
＊New Energy and Industrial Technology Development Organization25