燃料電池構成材料の疲労強度に及ぼす水素雰囲気の影響

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450049
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 吉村 達彦 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (40325501)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 尾田 安司 九州大学, 大学院・工学研究院, 助手 (20091340) ; 東田 賢二 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (70156561) ; 野口 博司 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (80164680) ; 大見 泰明 トヨタ自動車(株), 第一車両部, スタッフエンジニア(研究職) ; 青野 雄太 九州大学, 大学院・工学研究院, 助手 (70264075)
• Keywords: 金属疲労 / 疲労強度 / 水素 / 燃料電池 / 配管 / ステンレス鋼

Research Abstract

燃料電池車の実用化がいよいよ現実のものになろうとしているがその燃料は水素である。水素が金属の強度を低下させることはよく知られたことであるが、本研究のような大量水素環境下の疲労強度評価法はまだ確立していない。本研究では、疲労試験その場観察システムを構築し、マクロデータのみでなく、水素の影響に関するメカニズムの検討もおこない、大量水素環境下での疲労強度の合理的評価法を確立する。
本年度の主な成果は次の二点である。
1.水素環境下でのその場観察システムの構築
実環境で想定される水素ガスの圧力、温度、流量および荷重周波数など条件の調査をおこない、研究上の水素環境および疲労試験機の仕様を決定した。水素環境としては、圧力は大気圧で、温度は実環境に対応できるようにし、流量は実環境よりは少ないが可変とした。水素ガスチャンバーは、ガス置換を安全かつ精度よく行うため、真空ポンプ、ガスのパージ用に窒素ガスの利用も可能なものを選んだ。なおチャンバーには、観察用の覗き窓があり、顕微鏡観察が可能となっている。疲労試験機は、最大曲げモーメントが5Nm、試験周波数が最大10Hzの曲げ疲労試験機を自作した。SUS304試験片を作製し、疲労試験機のテストを行った。
2.配管の疲労試験装置の製作と疲労試験
実機で使用される予定の継手を有する配管の試験装置を自作した。その試験装置を用いて、実機での使用が想定されるSUS304配管について、空気中における疲労試験を行った。これにより、種々の荷重レベルにおける疲労寿命データ、破壊挙動、破面解析のデータを得た。低応力では配管ろう接部で高応力ではパイプ側で破壊することがわかった。これらの結果は水素環境下での試験条件の決定および比較するデータとして有用である。