NEDO水素・燃料電池成果報告会2024
団体名:
発表日:2024年7月日
発表No.
NEDO水素・燃料電池成果報告会20218競争的な水素サプライチェーン構築に向けた技術開発事業/共通基盤整備に係る技術開発/
中空試験片を用いた低温高圧水素環境での材料特性評価に係る研究開発
P1-52
連絡先:国立研究開発法人物質・材料研究機構和田健太郎
WADA.Kentaro@nims.go.jp
国立研究開発法人物質・材料研究機構
【期間】 2023年6月開始〜 2028年3月終了(予定)
【最終目標】
-253°C〜室温の幅広い温度域の高圧水素ガス環境において材料特性データを取得し、液化水素関連
機器の設計・製造に関わる国内事業者に、それらのデータを水素利用機器の開発や設計に活用できる
形で提供する。
【事業の背景】
水素社会の実現のためには、効率的かつ安価な大規模水素の製造・輸送・貯蔵が必要であるが、その
サプライチェーンには液化水素によるサプライチェーン構築が大きく期待されている。一方、液化水
素は貯蔵温度が−253°Cと非常に低く、貯槽や配管類に使用される材料は過酷な極低温環境に曝され
る。加えて、高圧水素ガスが材料に触れることにより材料特性が劣化する現象である水素脆化への懸
念もあることから、低温度から極低温度の温度範囲において材料が水素に曝された場合の材料特性を
明らかにすることが、液化水素関連機器の開発・設計・製造において不可欠である。
【事業の課題・意義】
しかしながら、その材料特性データは測定が容易ではなく、特に-253〜-45°Cの高圧水素ガス環境
下で公開されている材料特性データはほとんど存在していないのが実情であり、この領域において高
い信頼性のある材料特性データが求められている。
【事業の目的】
本事業においては中空試験片材料評価設備を用いて、さまざまな金属材料を対象にこの領域でのSSRT、
疲労特性などの材料特性データを取得し、液化水素関連機器の開発・設計・製造に資することによっ
て、安全な水素社会の実現に寄与する。
【中空試験片方式の材料評価設備】
【事業の実施内容】
1中空試験片を用いた極低温・高圧水素ガス中 SSRT の試験時間短縮による試験高効率化のための
試験システムとプロトコルの開発・最適化
冷却・昇温時間を短縮するためのクライオスタット構造の最適化検討や試験治具の改良、試験プロトコルの最適化
などを講じることにより、-253°Cでの高圧水素ガス環境中 SSRT に要する時間を 3 日から 2 日へ短縮する。
2評価対象材料と評価項目の決定ならびに試験結果の妥当性検討のための委員会の開催
外部有識者からなる高圧水素環境下材料特性評価委員会を構成し、評価対象材料と試験項目について議論を行い、
評価対象材料およびデータ取得計画が産業ニーズに沿うものであることを確認する。材料特性データの取得後は、
同委員会に結果を報告し、試験結果の妥当性についても議論を行う。
3高圧水素ガス環境における SSRT 特性の温度依存性評価
2024〜2025 年度において、-253°C〜室温の高圧水素ガス環境中における信頼性の高い材料特性データを戦略的に
取得する。温度、圧力等の試験条件は、各部材が曝される実環境を配慮して定める。得られたデータは2の委員会
での評価を経て、必要により2026年度以降により細かい条件下での材料特性データを取得を行う。
4高圧水素ガス環境における疲労特性の温度依存性評価(参考)
2024〜2025 年度に評価した SSRT 特性を基に、疲労特性を取得すべき材料を検討し、2の委員会に諮る。それに
基づき、2026〜2027 年度にかけて、-253°C〜室温の温度範囲において、疲労寿命および疲労限度を評価する。
5データ公開方法の検討
取得したデータの公開方法を検討し、材料特性データ公開方針案を作成する。案は2の委員会に諮り決定する。方針
案の作成にあたっては、国内産業の開発力強化、国際競争力強化に資する観点からの配慮を行う。
注)本技術開発事業の研究開発項目I「大規模水素サプライチェーンの構築に係る技術開発」で東京大学が実施している
「大型液化水素貯槽実現に向けた極低温・水素環境下材料信頼性評価法確立および社会受容のための実大試験」
との連携を行う。
【スケジュール】
【委員会体制】
中空試験片方式 (提案方式)
中実試験片方式
○しろまる試験機がコンパクトで試験効率を高めやすい→ 試験コ
ストの低減が可能
○しろまる試験片外側の環境に制限がなく、伝導冷却や浸漬冷却
などの多様な冷却方式を適用可能
→ 高効率な冷却を実現可能
△しろさんかく新しい試験方式であるため、試験データの蓄積が必要
○しろまる過去に多くのデータが取得されており、結果
の比較が容易
△しろさんかく試験機が大がかりとなることから、試験手順
が煩雑で高コストになりがち。特に極低温の
試験を実現するためには技術的課題が多い1 mm中空表面
縦研磨後
1従来用いてきた試験作業プロトコルを適用した場合、20 K直上での高圧水素ガス中試験を実施する
のに約3日間要する。これを2日間に短縮するため、試験の信頼性や安全性を損なわないことを客観的
に保証しつつ、作業手順を見直した。
データの品質を維持したまま、
試験時間の短縮に成功
2水素ガスが漏洩した場合に安全に排気するための設備を設置
3評価対象材料の選定〜技術委員会における議論、検討〜
民間企業へのヒアリング結果から、水素サプライチェーンへの適用を前提に、以下の金属材料を
本事業において測定対象とすることを材料特性評価委員会に提案し、承認。
○しろまるLNGで使用が認められている材料(材料が法令、指針等の基準で例示されている):
-高圧ガス保安法-
・オーステナイト系ステンレス鋳鋼
(SCS13A(SUS304相当), SCS14A(SUS316相当), SCS16A(SUS316L相当))
・9%Ni鋼
-日本ガス協会「LNG地上式貯槽指針」-
・インバー合金(Fe-36%Ni)
○しろまる海外では使用が認められているが国内では基準で例示されていない材料:
・SUS304N1, SUS316LN (N含有オーステナイト系ステンレス鋼)
○しろまる材料メーカーが開発し提案している新しい材料:
・STH®2(15%Cr-7%Ni-9%Mn-N)低Cr低Ni省Mo型オーステナイト系ステンレス鋼
https://stainless.nipponsteel.com/news/2021/20210623.php
○しろまる以上の評価の基準となる
・SUS316L
4データ公開方法の検討
基本的な考え方を整理中:
1.論文発表
2.公開(国内限定。NIMSデータシートのイメージ。pdfファイル/印刷物配付管理 )
3.(将来的には)グリーンイノベーション基金事業でNIMSが準備しているデータベース
に含めることも検討する。
【実用化・事業化への見通し】
・本事業を通じて、高圧/低温度領域での耐水素特性について信頼性の高いデータを取得
→国内産業育成、競争力強化につなげ、水素社会の実現に寄与する。データ公開方法は課題。
【研究開発成果・進捗】
【実用化・事業化への見通し】
【事業内容、開発目標】
【波及効果】
・中空試験片法による耐水素特性評価法の拡大。
・新規参入の促進、競争による水素インフラのコスト削減。
・測定方法標準化への取り組み。