水素ディスペンサーの安全性検証（水素3） （㈱タツノ・メカトロニクス） 金森明文、山田晴久、岡庭弘幸、高橋和史、鈴木尚彦、

木村潔、土居真敏、金山崇、小林仁一、宍浦総明、鶴岡信芳

１．研究開発の目的

高圧水素ガスディスペンサーの構成機器について、事故想定シナリオに対する各種

安全性検証試験方法の確立と各種安全性検証を実施し、70MPa充てん対応の技術基準

案の作成に資するデータ収集及び評価を目的とする。

２．研究開発の内容

高圧ガス構成機器の事故想定シナリオを図2.1に示す。

図 2.1 事故想定シナリオ 事故想定シナリオより、以下の安全性検証及び安全性検証用設備導入等を実施した。 １．遮断弁安全性検証

充てんノズル ・ノズル磨耗による漏洩 ・シール材劣化による漏洩 ・ロック機構損傷による漏洩 ・グランド漏れによる漏洩

安全弁

・ｼｰﾄﾘｰｸによるﾍﾞﾝﾄ放出

遮断弁

・グランド漏れによる漏洩

・シートリークによる漏洩

・制御不良による過充てん、ﾊﾝﾏｰ

車両へ

流量調整弁

遮断弁

コリオリ流量計

計測部（トランスミッタ）

充てんノズル

圧力計 圧力伝送器

圧力伝送器

コリオリ流量計検出部

ホース

安全弁

ホース ・ホース劣化による破断 ・ホース疲労による破断 ・水素透過による漏洩

流量計 ・指示不良による流量増加 ・水素脆化による破断 ・疲労による破断

流量調整弁

・グランド漏れによる漏洩

・シートリークによる漏洩

・制御不良による流量増加

２．流量計安全性検証

３．流量調整弁安全性検証

４．70MPa充てんシステム及び構成機器調査

５．ヘリウム設備導入

６．70MPa充てん対応水素設備改造

上記実施項目の目的・内容詳細はそれぞれの結果と共に後述する。

３．研究開発の結果

３．１ 遮断弁安全性検証

（１）試験条件

試験条件及び試験サンプル仕様を表3.1-1に、試験装置概要及び写真を図3.1-1に示す。

表3.1-1 試験条件及び試験サンプル仕様

項 目 内 容

使用流体 ヘリウム（99.9[vol％]）、気密試験（水素ガス） 印加圧力 90～70[MPa] サンプル数 3台×2社

A社 グランドパッキン＋Oリング＋Oリング シール構造

B社 上部 Oリング＋下部 Oリング 目標動作回数 30,000回（3年相当）、90,000回（9年相当） 動作サイクル 6[sec／回] 1サイクル（開：3sec、閉：3sec）

A社 全体：11.2 [ml]，1次側：7.6 [ml]+2次側：3.6 [ml] 配管容積

B社 全体：12.2 [ml]，1次側：7.7 [ml]+2次側：4.5 [ml]

容積配管 1本：12[ml]，２本：10[ml]，３本：10[ml]

図3.1-1 試験装置概要及び写真

（２）結果

サンプル２社共にほぼ7000回前後にて外部リークが発生したが、30000回終了時漏れ量

は0.035ml/回であり微少であった。漏れ状況及び写真を図3.1-2に示す。

PI1 PT2PT1

Sampl

TT1

制御ＢＯＸﾃﾞｰﾀﾛｶﾞｰ

ＰＣ

計装エアユニット

F1V1

容積配管

３ライン－１ユニット

１回あたりの漏れ量推移

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

0.060

0.070

0.080

0.090

0.100

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

動作回数

漏れ

量　

[mL/回

]

サンプル1 サンプル2 サンプル3

M M M

PI PT PI PT

計装エア

RV1 XV1

V1 V5

V3 V4

V2

V6 制御ボックス

Ａ社試験サンプル（1台）Ｂ社試験サンプル（2台）

XV2

蓄ガス器

図3.1-2 漏れ状況及び写真

上記結果及び分解調査より、点検周期１年、メンテナンス手法はグランドパッキン部増し

締め又はシールキット交換にて安全性確保が可能と判断する。

３．２ 流量計安全性検証

流量計安全性検証は２種類の安全性検証を実施しそれぞれ、精度及び気密性を確認した。

３．２．１ 加圧／脱圧試験

（１）試験装置及び条件等

流量計フローチューブにヘリウムガスを加圧（35～38MPa）及び脱圧し、試験前後の精度

及び気密性を確認した。試験装置概要及び写真を図3.2.1-1に示す。

試験サンプルは構造違いの２社を選択した。

図3.2.1-1 試験装置概要及び写真

（２）結果

試験開始から終了まで漏れなく、気密性に問題無し。また、指示精度も試験前と比較し

大きな変化無く問題無し。指示精度結果を図3.2.1-2に示す。

３．２．２ 水素暴露試験

（１）試験装置及び条件等

流量計フローチューブを高圧水素ガス（85MPa）下にて連続暴露し、暴露前後の精度及び

気密を確認した。試験装置概要図及び写真を図3.2.2-1に示す。

圧力インパルス回数と精度変化

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

圧力インパルス回数

流量

計の

誤差

（％

）

Ａ社

Ｂ社

平均：＋0.41％

平均：＋2.57％

図3.2.1-2 指示精度確認結果

図3.2.2-1試験装置概要及び写真

（２）結果

試験開始から終了まで漏れなく、気密性に問題無し。また、指示精度も試験前と比較し

大きな変化無く問題無し。ただし本試験の水素暴露時間は１年相当であり、継続試験を実

施することとした。指示精度確認結果を図3.2.2-2に示す。

図3.2.2-2 指示精度確認結果

PI

PT1

Sampl

ﾃﾞｰﾀ ﾛｶﾞｰ PC

V1

設備制御盤

Ｍ Ｍ

水素加圧　後

-1

-0.5

0

0.5

1

0 1 2 3 4 5概流量　kg/min

Errot % rat

e

水素暴露後

水素加圧　前

-1

-0.5

0

0.5

1

0 1 2 3 4 5概流量　kg/min

Errot % rat

e

水素暴露前 精度範囲±０．５％

PI1 PT2PT1

Sampl

TT1

ﾃﾞｰﾀﾛｶﾞｰ

ＰＣ計装エアユニット

F1V1

容積配管１

制御ＢＯＸ

容積配管２

容積配管３

１回あたりの漏れ量推移

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

動作回数

漏れ

量　

[ml/

回]

サンプル1 サンプル2 サンプル3

３．３ 流量調整弁安全性検証

（１）試験条件

試験条件、試験サンプル概要仕様を表3.3-1に、試験装置概要及び写真を図3.3-1に示

す。

表3.3-1 試験条件及び試験サンプル仕様

図3.3-1 試験装置概要及び写真

（２）結果

サンプル２社共にほぼ7000回前後にて外部リークが発生したが、30000回終了時漏れ量

は 0.15ml/回であり微少であった。漏れ状況及び写真を図 3.3-2に示す。結果より遮断弁

と同等の点検及びメンテナンス手法にて安全性が確保されると考える。

図3.3-2 漏れ状況及び写真

項 目 内 容

使用流体 ヘリウム（99.9[vol％]） 印加圧力 90～70[MPa] サンプル数 3台×2社

A社 グランドパッキン＋Oリング＋Oリング シール構造

B社 グランドパッキン＋Oリング 目標動作回数 30,000回（3年相当）、60,000回（6年相当） 動作サイクル 12[sec／回] 1サイクル（開度：0→25→75→100→25→0％）

A社 全体：11.2 [ml]，1次側：7.6 [ml]+2次側：3.6 [ml] 配管容積

B社 全体：12.2 [ml]，1次側：7.7 [ml]+2次側：4.5 [ml]

容積配管 1本：12[ml]，２本：10[ml]，３本：10[ml]

３．４ 70MPa充てんシステム及び構成機器調査

水素 70MPa 級関連機器メーカーの調査を実施して、『機器に関する仕様・性能・評価・規制・安全面の考慮等』の調査を行う目的で、平成１７年度～平成１８年度に海外調査を

実施した。

（１）調査国

米国、ドイツ、スイスの３か国であり、調査メーカー等は全１９社

（２）調査機器

水素ディスペンサーに使用する機器及び水素ステーションで使用する機器等について調

査を実施した。調査機器は圧縮機、充てんカプラ、遮断弁、継手、配管、レギュレーター、

水素ステーションシステム。

（３）結果

・圧力仕様は各社によってまちまち（設計圧力105MPa～210MPa）

・強度は設計圧力の２．５～４倍

・耐圧試験（液圧）は破壊まで実施、気密試験（窒素等のガス圧）は設計圧力まで実施

・耐水素性（脆化含む）は水素環境下実績、自社研究（研究中）実施

・耐久性３～８万回（水圧、油圧）

・現状使用材質は SUS316Lではないが、入手可能であり日本での使用の際に材料指

定可能

・圧縮機接ガス部を全てSUS316Lでの製造は困難。SUS316材又はSUS630材で20年の実

績有り

・70MPa充てん時の課題：プレクーリング、充てんカプラ、Ｏリング（充てんカプラ側

へ）

・車両通信実施（圧力、温度）の水素ステーション有り。

調査会社の一部を図3.4-1に示す。

図3.4-1 調査会社の一部

３．５ ヘリウム設備導入

各種安全性検証の高圧ヘリウム（水素代替ガス）供給のため設備を導入した。

導入内容は、建物、ヘリウムガス受入供給架台、圧縮機、蓄ガス器、出口バルブユニット、

制御盤、計装エアーコンプレッサー、各種安全対策（酸素濃度計、警報ブザー、パトライ

ト等）等である。本設備は平成１９年１０月より稼動を開始し、遮断弁及び流量調整弁の

安全性検証に使用した。高圧ヘリウム設備写真を図3.5-1に示す。

図3.5-1 高圧ヘリウム設備写真

設備全景

制御盤

圧縮機 供給架台

計装ｴｱｰｺﾝﾌﾟﾚｯｻｰ

出口ﾊﾞﾙﾌﾞﾕﾆｯﾄ

蓄ガス器

３．６ 水素設備導入

各種安全性検証の高圧水素供給のため設備を導入した。

導入内容は、圧縮機、制御盤、出口バルブユニット、障壁である。本設備は平成１９年

１１月より稼動を開始し、遮断弁及び流量調整弁の気密試験及び流量計水素暴露用の水素

供給として使用した。水素設備写真を図3.6.-1に示す。

図3.6-1 水素設備写真

４．まとめ

４．１ 各種安全性検証について

・遮断弁及び流量調整弁の安全性検証は、水素ディスペンサーにおける事故想定におい

て、グランド漏れ及びシートリークが想定されるが、微少な漏れが発生したもののそ

の量はガス検知器でも反応しないレベルであることが判明し、例えば定期的な点検

（例：１回／年）で安全性確保が可能であるデータを取得できた。

・流量計の安全性検証では、流量指示不良による流量増加や水素脆化によるフローチュ

ーブの破断が想定されるが、圧力の繰り返し及び高圧水素暴露後の気密性が確保され、

精度変化も無いことから水素脆化等の影響は現時点では無いと考えられる。

しかし、水素暴露時間が現時点では１年間相当であることから、継続試験が必要

と考える。

障壁 出口ﾊﾞﾙﾌﾞﾕﾆｯﾄ

制御盤 圧縮機

４．２ 70MPa充てんシステム及び機器調査について

・70MPa対応機器の動向調査により、各機器の完成度、安全性等が確認出来、検証内容

及び手法の検討に有益な情報入手が出来た。

・特に、安全性に関する強度及び材質SUS316Lでの製造可否の情報は、今後の安全性検

証内容の検討にも有益と考える。

４．３ 今後の課題

平成１７年度～平成１９年度では、想定事故シナリオに係わる全ての安全性検証が完了

したわけではない。従って、今後の課題としては、引き続き想定事故シナリオに係わる安

全性検証の実施が必要と考える。表4.3-1に安全性検証項目及び実施概要を示す。

表4.3-1 安全性検証項目及び実施概要

安全性検証項目 実 施 概 要

流量計安全性検証 Ｈ１９年度の継続試験として、水素暴露時間を４～５年相当まで実

施し、その間の指示精度の確認及び試験後のフローチューブの状態

を確認

ホース安全性検証

屈曲、摺動、引張り強度、口元曲げ等の使用条件下での各種試験と、

試験前後の水素透過試験

安全弁安全性検証

設定圧（仕様）に対応した作動の確認、繰り返し加圧／脱圧後のシ

ートリーク状況確認

離脱カプラ安全性検証

離脱カプラ作動荷重確認（加圧時及び脱圧時）及び対計量機への影

響確認（引き倒しの影響）

充てんカプラ安全性

検証

実使用条件（高圧ガス供給・脱圧）での着脱試験により、大量漏洩

にいたるまでの状況把握と、大量漏洩にいたる前に対処する安全対

策の検討