水素インフラに関する安全技術開発の概要（新エネルギー・産業技術総合開発機構委託） PEC 新燃料部水素利用推進室１．研究開発の目的水素エネルギーの導入は、CO2 削減などの環境問題や供給の安全保障の観点から、重要な課題となっており、その一環として燃料電池の普及拡大が期待されている。特に燃料電池自動車については、2010 年度までに 5 万台、2020 年までに 500 万台を導入する政府目標が掲げられている。燃料電池自動車は高圧水素を燃料として搭載するが、それを供給する水素スタンドは、現在のところ様々な規制により設置が制約を受けている。燃料電池自動車を普及するためには、水素供給インフラの整備が不可欠であり、その設置を促進するためには各種規制の緩和が必要である。このような中で、平成 14 年 10 月に政府は 2005 年を目処に「燃料電池の実用化にむけた包括的な規制の再点検の実施」を決定し、規制再点検を行う事となった。規制再点検項目は 28 項目あり、自動車 11 件、インフラ 12 件、定置式燃料電池５件となっており、燃料電池の普及を促進するために幅広い内容となっている。この規制見直しを推進するため、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）では、「水素安全利用等基盤技術開発事業」を平成 15 年度より実施し、規制再点検に向けた安全技術の研究開発を開始した。同事業では安全技術関連の項目として、①車両関連、②水素インフラ、③水素物性、④材料物性を掲げて検討を進めている。 PEC ではこの事業に参画し、「水素インフラに関する安全技術」として水素スタンドの安全技術に関する研究開発を開始した。本研究開発では、現行法規制の再点検に資するため、水素スタンドに関わる安全性を検証するとともに、安全性を担保する技術基準の策定を行っていく。２．水素スタンドに関わる規制内容水素スタンドの設置は、現在各種法律で規制されており、その中で水素スタンドの普及を図るために見直しの対象となる主な規制を表１にまとめた。また、高圧ガス保安法における保安距離に関する規制見直しのイメージを図１に示す。水素スタンドの市中設置あるいはサービスステーション（SS）との併設に係わる高圧ガス保安法、消防法および建築基準法の各法体系について、圧縮天然ガススタンドと比較しつつ検討した。規制緩和の観点から、次の項目が重要である。・高圧ガス保安法：高圧ガス設備の保安距離、保安要員、検査周期の延長・建築基準法：高圧設備関係の建築物の用途地域制限、貯蔵量・消防法：SS 内での高圧ガス設備設置、改質装置の併設と保有空地、夜間無人運転以上のように、高圧ガス保安法の関連では、施設の保安距離の短縮がポイントであり、現行の規制下では水素スタンドを設置するために広い敷地が必要となる。また、消防法の関係では、（SS）との併設が認められていないため、SS インフラを活用できないという制約がある。一方、建築基準法では高圧ガス設備を設置できる地域は、工業専用地域等に限定されており、商業地や準住居地域では水素スタンドが建設できない。表１水素スタンドに関わる規制内容関係法令規制見直し内容高圧ｶﾞｽ保安法【一般則第6条第1項二号、三号】水素供給ｽﾀﾝﾄﾞ設置に関する保安距離について、圧縮天然ｶﾞｽｽﾀﾝﾄﾞ並みの保安距離への見直し（第一種設備距離 17m ⇒ 6m の離隔間隔、火気施設との距離 8m ⇒ 4m）高圧ｶﾞｽ保安法【一般則第64条】水素供給ｽﾀﾝﾄﾞにおける保安統括者等の選任、常駐義務について、圧縮天然ｶﾞｽｽﾀﾝﾄﾞ並みへの見直し（保安統括者、保安係員（常駐が必要）の選任⇒保安監督者の選任（常駐は不要））高圧ｶﾞｽ保安法【一般則第7条第3項二号】水素供給ｽﾀﾝﾄﾞの漏れ検知手段について、付臭剤以外の漏れ検知装置等による代替手段の採用（付臭剤の開発又は代替案を立案）高圧ｶﾞｽ保安法【容器則第22条】液化ｶﾞｽ輸送容器の充填率の上限の欧米並みへの見直し（液化ｶﾞｽ輸送容器の充填率の増加 90% ⇒ 95%）高圧ｶﾞｽ保安法【一般則第79条第2項】水素供給ｽﾀﾝﾄﾞのﾒﾝﾃﾅﾝｽｺｽﾄを低減するため保安検査周期を延長（水素供給ｽﾀﾝﾄﾞの保安検査周期の延長）建築基準法【建築基準法第48条別表第2】水素供給ｽﾀﾝﾄﾞ等の可燃性ｶﾞｽの製造を行う建築物は、工業地域、工業専用地域以外には建設できない。CNGｽﾀﾝﾄﾞ並への見直し建築基準法【建築基準法施行令第116条、第130条の9】用途地域毎に水素貯蔵量の制限があり、市街地にｽﾀﾝﾄﾞを建設する場合小規模にならざるを得ない。制限数量の増加見直し（商業地域等の水素貯蔵量を工業地域並に緩和する) 消防法水素供給ｽﾀﾝﾄﾞ等を設置する場合、ｶﾞｿﾘﾝｽﾀﾝﾄﾞとの併設は認められていない。【危険物の規制に関する政令第17条】圧縮天然ｶﾞｽｽﾀﾝﾄﾞと同等にｶﾞｿﾘﾝｽﾀﾝﾄﾞとの併設を可能とする。高圧ガス設備（圧縮機、蓄圧器、等）Ｈ２火気取扱施設８ｍ１１．３ｍ１７ｍ第2種保安物件(民家等) 第1種保安物件 (学校、病院等) Ｈ２火気取扱施設図１４ｍ６ｍ敷地境界（障壁の設置により６ｍ未満可）高圧ガス保安法の保安距離に関する規制見直しのイメージこれらの多岐にわたる規制を見直すため、本研究開発では水素スタンドの安全性を検証し、安全性を担保する技術基準案を作成する。当初は、現行の 35MPa燃料電池自動車に対応できるスタンドの安全検証を行い、その後、高圧（ 70MPa）燃料電池自動車に対応できるスタンドの安全性についても検証する予定である。２．研究開発の体制と内容本研究開発では、PEC を代表委託者としてそれぞれ担当分野毎に、４企業、１団体（三菱重工業、日本産業ガス協会、タツノメカトロニクス、岩谷産業、日本製鋼所）からなるコンソーシアム体制により推進していく。体制図と主要な研究項目を図２にまとめる。＜三菱重工業㈱＞水素ガス等の拡散・燃焼・爆発実験水素ガス等のシミュレーション技術＜石油産業活性化センター＞＜日本産業ガス協会＞＊プロジェクトの統括水素スタンド構成機器の信頼性検証・水素スタンドの安全性評価・安全対策検討と技術基準の策定・水素製造改質器の安全性評価＜㈱タツノメカトロニクス＞水素ディスペンサーの安全検証・ＳＳ併設水素スタンドの最適化検討＜岩谷産業㈱＞液体水素関連技術＜㈱日本製鋼所＞金属材料の評価高圧水素圧縮機の安全検証図２研究開発の体制と主要な研究項目 PEC ではそれぞれの担当分野から得られるデータを用いて、水素スタンドの安全検証を行うとともに必要な安全対策を検討し、安全性を担保する技術基準を策定していく。また、改質機周りの安全検証等を実施していく。また、各社においては安全検証試験を行っていくが、主な内容は次のものが挙げられる。・水素物性に関わる安全性検証（水素ガスの拡散状況、爆発燃焼状況の把握）・スタンド機器設備の安全性検証（高圧水素下での機器設備の作動や性能試験）・金属材料の評価（高圧水素下での材料の劣化や疲労検証）３．検討の進め方水素スタンドは、高圧（40MPa）の可燃性ガスを取扱う施設であることから、規制の見直しにあたっては、安全性にかかわる検討を十分行い事故を起こさないことが必要である。安全検討を進める上では、水素スタンドに係る様々な知見・データが必要になってくるが、水素スタンドの建設実績は限られており、またそれらの運転実績も少ないのが現状である。そこで、本事業では水素スタンドに関する事項をあらゆる角度から多数想定し、その危険度を評価（リスク評価）して、その事故の影響を無くすような安全対策を策定していく。危険度の評価に当たっては、水素の拡散や燃焼爆発などのデータや、使用機器の信頼性を試験して、それを基に安全性を調べていく。検討のフローを図３に示す。事故事例調査・高圧ガス、スタンド事水素スタンドモデル作成・装置フロー海外の水素スタンド関係法規動向調査事故要因、想定事故リストアップ機器、材料の安全検証と安全対策検討水素の燃焼/爆発の影響度評価・事故の発生を防止するための安全対策・拡散/燃焼/爆発に係る実験、シミュレー・機器の安全検証、金属材料等の評価ション、防護措置（障壁）の検討リスク評価・水素スタンド全体システムの安全検証・想定事故毎に、安全対策が十分であるかを評価する No 安全対策は充分？ Yes 技術基準案図３検討のフロー４．平成 1５年度の研究開発成果の概要４．１水素スタンドに関する安全性評価と安全対策検討本検討のベースとなる水素スタンドモデルを明確化するために、オンサイト改質型、オフサイト高圧水素貯蔵型、オフサイト液体水素貯蔵型の各タイプ別に設備仕様を設定するとともにフロー図（ P&ID）を作成した。また、圧縮天然ガススタンドおよび水素を取扱う一般高圧ガス設備での過去の事故事例調査、並びに前記スタンドモデルを基に、事故想定の手法（ HAZOP 、 FMEA ）を適用して危険事象の抽出を網羅的に行い、想定事故のリストアップを行った。さらに、想定事故あるいは安全対策に対するリスク評価手法を検討し、評価基準となるリスクマトリクスを確定した。表２にリスクマトリクス表、表３にリスクランクと対応をそれぞれ示す。表２リスクマトリクス表可能性影響度 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 極めて重大な災害重大な災害中規模災害小規模災害軽微な災害Ａほとんど起こり得ないＨＭＭＬＬ表３リスクランクＨ（ High）高いＭ（ Medium）中程度Ｌ（ Low）４．２低いＢ起こりにくいＨＨＭＬＬＣ可能性があるＨＨＨＭＬＤ十分起こり得るＨＨＨＨＭリスクランクと対応取るべき措置許容できない。更なる安全対策を講じなければならない。原則として許容できない。更なる安全対策が可能かどうかを検討し、現実的な対策が見つからない場合に限ってこれを許容する。許容できる。更なる安全対策は必ずしも必要でない。水素の拡散、着火、爆発の挙動確認と安全性の評価（別途報告）高圧水素ガスおよび低圧液体水素の拡散挙動を把握するために、野外拡散実験あるいは数値シミュレーションを実施した。 40MPaまでの高圧水素ガスに関しては、ピンホールを想定した連続漏洩として漏洩口径等を変化させたときの水素濃度分布、また充てんホース破断を想定した瞬時漏洩として水素量等を変化させたときの水素濃度の時間変化を計測した。一方、液体水素に関しては、充てんホース破断や液体水素ローリー継手の漏洩を想定した漏洩水素濃度分布を計測した。さらに、数値シミュレーションにより、これら実験結果の解析、並びに次年度に予定している爆発実験評価の準備等を行った。４．３水素スタンド構成機器の安全性検証と性能試験（１）蓄圧器、配管等の安全性検証蓄圧器、配管等に関して、①水素スタンドで使用されている各機器の仕様、メーカー調査、②水素、CNG、LNG各スタンドを対象とした設備状況、安全対策等の調査、③構成機器の故障頻度調査、④既存設備の不具合点の調査、⑤水素スタンドモデル構成機器の安全対策の調査、性能検証、⑥構成機器の安全対策に関する海外調査、等を実施あるいは開始した。（２）水素ガスディスペンサーの安全性検証水素ガスディスペンサーを構成する充てんホース、充てんカプラ、ディスペンサー構造、ハンドバルブ、遮断弁およびこれら機器の安全性検証を行うための高圧ガス試験設備の設計、製作を行った。（３）高圧水素圧縮機の安全性検証水素スタンドに適した圧縮方式の調査を行うとともに、商用規模の高圧圧縮機の安全性検証実施のために圧縮機設備の設計、製作、設置を行った。（４）漏洩水素あるいは水素火炎の検知技術の調査・性能検証付臭材に代わる検知手段としての水素漏洩検知器の技術開発動向調査と現行品の性能検証を行った。また、無色の水素火炎を検知する手段としての水素火炎検知器の性能あるいは安全性の調査、検証を行った。４．４液体水素関連の安全性検証（１）液体水素ローリー等の充てん率上限の検証水素物性値から液体水素容器の内圧変化等の検討、および充てん、貯蔵の実態あるいは規制に関わる国内外の調査を行った。また、液体水素貯層の液膨張、充てん容量管理に関する検証試験設備を設置した。（２）液体水素ディスペンサーの安全性検証液体水素ディスペンサー構成機器において検証試験が必要な機器類および検証項目を選定するとともに、模擬ディスペンサーシステムおよび安全弁、緊急遮断弁等の検証試験装置を製作した。４．５水素スタンド構成金属材料の評価（別途報告） 45MPaの高圧下での金属材料の引張試験、遅れ破壊試験、疲労試験、破壊靭性試験の各評価試験を実施するためのオートクレーブ装置および材料試験機の設置を行うとともに、高強度クロムモリブデン鋼等の各種評価試験を開始した。また、シール材の劣化特性に関する調査検討を行った。４．６保安関係の検討（１）保安員配置の見直し保安員配置の見直しに関する検討として、オンサイト型水素スタンドにおける作業項目、保安上の留意点について整理し、必要な安全対策を検討した。（２）保安検査周期の延長保安検査周期の延長の可能性の検討として、既存の水素スタンドの保安検査結果を収集し、配管等の腐食、劣化状況等の調査を開始した。（３）液体水素ローリーの保安距離の短縮液体水素ローリーの保安距離の見直しに関する検討として、液体水素ローリーに関わる事故要因等の分析、安全対策類の検討、事故の影響評価の検討のためのデータ収集を行った。（４）改質装置の夜間無人暖機運転改質装置の夜間無人暖機運転の可能性の検討として、実証スタンドにおける夜間での運転方法、監視体制、緊急時対応等の調査を行った。（５）水素スタンドの安全・保安技術の開発安全運転支援のための人的操作モニタシステムの設計要件の基礎検討、また異常診断システム開発における亀裂検出用AE（Acoustic Emission）センサの適用性検討、さらに危険事象対応のための水素検知システム要件の検討についてそれぞれ実施した。４．７改質器の調査、安全性検証改質器周りの安全検証として、原燃料油（ナフサ、メタノール）が漏洩した場合に発生する可燃性蒸気の蒸発速度と拡散状況（濃度分布）などを、風洞実験により確認した。また、この風洞実験についてCFD（流体解析）を用いたシミュレーションを行い、実験値との整合性を評価した。