70MPa水素タンク認証のための国際的規制枠組み

FMVSS No. 308（米国）、UN GTR No. 13（UN-ECE）、およびISO 15869：水素タンク承認の調和された主要要件

水素タンクの安全性は、製造から性能に至るまでを規定する国際基準に大きく依存しています。特に注目される主要な規制が3つあります：米国政府のFMVSS 308、国連が策定したUN GTR 13、およびより広範な産業用途をカバーするISO 15869です。これらの規則は、70 MPaの圧力レベルで水素を貯蔵するタンクに対して厳しい要求を設けています。破断試験では、破損が発生する前に圧力が175 MPaを超える必要があり、さらに通常の給油操作の約5,500回分に相当する疲労試験も徹底的に行わなければなりません。温度が85度に達した場合、透過率は1時間あたり1リットルにつき0.15 NmL以下に保たなければなりません。漏れに関しては、タンクを200時間連続で加圧した後では、いかなる検出可能な排出も許されません。使用される材料も厳しい仕様を満たす必要があります。炭素繊維は引張強度が少なくとも3,500 MPa必要であり、樹脂マトリックスは120度を超える高温に対しても耐える必要があります。すべての製造業者は、適切に認定された独立試験機関による製品試験を受けることが義務付けられています。これにより、通常の摩耗だけでなく、横方向に30Gの力が加わるような衝突といった極端な状況にもタンクが耐えられることが保証されます。このような標準化により、各国がシームレスに協力できるようになり、運転1時間あたり百万分の1という非常に低い確率で災害的な故障が発生するリスクを抑えることができます。

主な相違点：UN R134とFMVSS 308における耐火性能の基準の違いと水素タンク設計への影響

異なる防火基準により、エンジニアはシステム設計において困難な選択を迫られています。欧州連合の規制134では、部品が極めて高温の炭化水素火災（約1,100度）に20分間耐え、熱保護機能が失敗しないことが求められていますが、米国の規格FMVSS 308は12.5分間・800度とより緩やかな基準を設けています。この温度要件における大きな差異は、材料科学者たちに新しい解決策の開発を促しています。世界的に販売を行う企業は、レジンにセラミック微小球を混合し、厚さ約15ミリメートルのエアロゲル製バリアを取り入れることが一般的です。こうした変更によりシステム全体の重量は約3.8キログラム増加しますが、炭素繊維の劣化リスクをほぼ半分に低減できます。より厳しいEU規則を満たすためには、通常のアルミニウム部品から高価なチタン製バルブへの切り替えも必要になり、これにより生産コストが約18％上昇しますが、圧力の急上昇時に重大な故障を防ぐことができます。こうした規制の違いを見ると、水素貯蔵タンクが地域ごとに異なる設計になっている理由が明らかになります。ある市場で通用する設計が、他の場所では安全基準を満たさない可能性があるのです。

70 MPa水素タンクの構造的完全性と材料の信頼性

繰返し圧力および熱応力下におけるカーボン／エポキシ複合材料の劣化

CFRP複合材料は水素貯蔵タンクを軽量化できるが、実運用条件下では課題も存在する。これらのタンクが約5〜70MPaの繰り返し圧力変動を受けると、エポキシ部分に微小な亀裂が生じ始める。さらに、マイナス40度から85度までの温度変動も発生し、界面で層が剥離する現象が起きる。これらの問題が組み合わさると、約1万5000サイクル後に破裂強度が15％から25％低下する。通常条件よりも速いスピードで試験を行うと興味深い結果が得られ、熱サイクルは単独の圧力サイクルに比べて約2倍の亀裂を発生させることが明らかになった。これは、温度差がこうしたタンクの長期間にわたる信頼性に与える影響がより大きいことを示している。この劣化問題に対処するメーカーは、破断時により高いひずみに耐える特殊な高ひずみエポキシを採用する傾向がある。また、ファイバーの巻き角度を通常±55度程度に調整し、周方向の応力をより均等に分散させる工夫も行われている。さらに、ナノクレイ粒子で改質したライナーを追加して水素の透過を防ぐ企業もある。

SAE J2579およびISO 15869附属書Dに準拠した耐圧破壊試験、疲労寿命試験、および漏れの完全性試験

これらのシステムの安全認証に関しては、基本的に以下の3つの項目が確認されます。すなわち、タンクが破裂する前にどれだけの圧力を耐えられるか、繰り返しのストレスにさらされた際にどのくらい長持ちするか、そして漏れが発生するかどうかです。破裂試験については要件が明確で、タンクは構造的な問題を起こさずに少なくとも157.5 MPaの圧力に耐えなければならないとされており、これは通常の運転圧力の約2.25倍に相当します。疲労試験では、タンクに対して数千回の圧力サイクルを実施します。正確なサイクル数は適用される規格によって異なり、SAE J2579では約11,000回、ISO 15869附属書Dでは15,000回です。これらの試験は、実際の使用条件下で約15年間にわたる定期的な充填を想定したものです。漏れの有無の確認には通常、「ヘリウム質量分析法」と呼ばれる方法が用いられます。87.5 MPaの圧力下において、許容される最大漏れ率は、SAE規格では0.15 NmL/hr/L、ISOガイドラインでは0.25 NmL/hr/Lとされています。安全マージンに関して、規格間にはわずかな差もあります。SAE J2579では、通常圧力に対する安全係数を2.25倍とすることを求めている一方で、ISO 15869附属書Dでは設計圧力に対する安全係数として2.35倍を要求しています。これらの試験に加えて、メーカーはタンクの頑健性を証明するために、炎中試験（bonfire simulation）や銃撃試験（gunfire simulation）も実施しています。また、水素の圧力がタンクの定格圧力の110％に達すると自動的に作動する熱活性化式圧力解放装置（TPRD）についても、忘れてはなりません。

70 MPa給水時の熱管理の課題

ジュール・トムソン効果による温度スパイク：物理現象、測定、および水素タンク安全性への影響

水素を70MPaでの給油中に急速に圧縮すると、ジュール・トムソン効果と呼ばれる現象によって、温度が85度を超える領域が発生します。基本的に、気体が非常に急速に圧縮されると、システムが冷却するよりも速く加熱されます。これらの高温部は、IV型タンクにとって重大な問題となります。SAE J2601などの組織が定める規格では、赤外線カメラや内蔵センサーによるプロセス全体での継続的な監視が求められています。温度が高くなりすぎた場合、危険な85度の閾値を下回るまで実際に給油を停止しなければなりません。これらの温度が制御不能になると、水素の漏れが加速し、摂氏10度ごとに約15%増加します。さらに悪いことに、複合材料の層間に亀裂が生じるリスクが高まります。そのため、現代のシステムでは、充填量を予測に基づいて調整するスマート制御や、安全でないレベルに達する前段階で作動する圧力解放装置が導入されています。これらの安全対策は、急速給油時の効率をわずかに（最大約2%）低下させるものの、道路上での安全を確保する上で絶対に必要です。

よくある質問セクション

70 MPa水素タンクの主な安全基準は何ですか？

70 MPa水素タンクの主な安全基準には、破裂圧力、疲労試験、透過率に関する要求を定めるFMVSS 308、UN GTR 13、およびISO 15869が含まれます。

火災耐性に対する米国とEUの規制の違いはどのようなものですか？

米国のFMVSS 308は、構成部品が800度の高温で12.5分間耐えられることが求められているのに対し、EU規制134は1,100度で20分間耐えることを要求しており、これにより材料選定や設計に影響が出ます。

CFRP複合材料が直面する課題は何ですか？

CFRP複合材料は、繰り返しの圧力および温度応力によってエポキシ樹脂に亀裂が生じる問題に直面しており、予想よりも早期の劣化を引き起こす可能性があります。

水素タンクはどのような圧力試験を受けるのですか？

水素タンクは、少なくとも157.5 MPaの破裂圧力に耐えること、およびSAE J2579やISO 15869附属書Dなどの基準に基づく数千回の圧力サイクルを含む疲労寿命試験を受けます。

ジョール・トムソン効果は給油にどのように影響しますか？

ジュール・トムソン効果により、70 MPaでの急速圧縮時に85度を超える温度上昇が生じる可能性があり、安全を確保するために監視および冷却対策が必要です。