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摘要：研究小组通过对高压储氢罐的材料损坏及氢泄漏、扩散、点火燃烧等一系列现象进行分析，成功开发出一种新型耦合分析方法，明确了反应性氢泄露特性，此外还开发了一种新型数值预测方法，有助于储氢容器的设计、加氢站结构安全性指针的制定与风险管理等。

关键字：氢能系统综合安全管理技术、高压储氢罐、耦合分析法、氢安全管理数据库、加氢站

要点

通过对高压储氢罐的材料损坏及氢泄漏、扩散、点火燃烧等一系列现象进行分析，成功开发出一种新型耦合分析¹方法。
明确了由氢脆²引起的初期圆形缺陷发展为裂纹时的反应性氢泄漏特性。
发现一种特殊的反应性平流扩散行为，即泄漏的氢点燃后，火焰反应带不立即向下游移动，而是暂时向上游移动。

摘要

在使用氢作为能源载体时，为确保足够的能量，需要将氢气压缩后再进行运输和储存。为了确保高压填充氢时的安全性，必须制定一项充分考虑到氢的可燃性界限和最小点火能量等的加氢站设计方针。另外，还必须设计一款能应对氢脆和反复应力导致的材料劣化影响的高压储罐。但是，在现有氢能系统相关研究中，大多是从流体、材料、反应侧分别独立细化后的研究。在氢设施中发生某些缺陷或事故时，有可能会引起高压储罐或管道的破损现象，对此需要开发一种跨领域研究方法。然而，尽管该方法很重要，但由于其复杂性，目前几乎没有相关研究。

本研究中，研究小组为调查高压储罐因初期缺陷导致的裂纹扩展而破损时的反应性氢气泄漏的扩散、燃烧现象，开发出一种耦合分析法，通过跨领域研究方法，同时解析材料结构和反应性湍流多相流。

此外，该研究小组还开发了一种新型数值预测方法，用于分析因高压储罐分隔壁的裂纹扩展造成的破损而泄漏的氢的扩散流动特性和燃烧界限。本研究成果有助于各种运输工具用储氢容器的设计和加氢站结构安全性指针的制定与风险管理。

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图1. 发生在高压储氢罐分隔壁的裂纹扩展行为和伴随起火的反应性泄漏氢的扩散行为

研究背景

在确立与氢储存、运输相关的安全管理技术时，有必要利用综合科学知识替代以往单一的专业性工学知识来探讨跨领域研究。同时分析氢的热流体力学行为和高压储罐材料的变形与破坏力学行为的耦合分析法，在对高安全性储氢设施和加氢站设备的设计作出贡献的同时，在综合学术上也非常有意义。

研究内容

本研究的独特之处在于，以因氢脆造成的高压储氢罐分隔壁开裂而导致的反应性氢气泄漏机制与扩散预测、点火燃烧现象为对象，开发出一种能同时分析材料（结构体）的裂纹扩散与氢泄漏时的浓度扩散行为以及化学反应的耦合分析法。

具体来说，以高压储氢罐分隔壁的裂纹扩展而发生的反应性氢气泄漏与点火燃烧现象为研究对象，开发出能够同时分析材料的结构与流体、以及化学反应的耦合分析法，预测泄漏氢的扩散行为和燃烧界限。借助该耦合分析法，有望设计出高安全性的氢能系统。

在本研究中，对因泄漏氢的点火燃烧而产生的火焰区行为进行了分析，结果发现在点火后反应区没有立即向下游移动，而是暂时向上游移动，表现出特殊的反应性平流扩散行为。日本产业综合技术研究所实施的泄漏氢点燃实验已验证了该现象，但是具体原因尚不明确。本研究首次阐明了其物理化学原理。

另外，在通风管中心部的流路轴附近，氢燃料过剩，没有发生燃烧反应，随着反应的进行出现上下分离的现象。由此明确：与空气中的氧气和氮气相比，泄漏的氢气向流路外的扩散速度更快，因此中心轴附近的流路内的燃烧过程被抑制。

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图2.点火燃烧时泄漏氢气的平流扩散和火焰区的移动行为

研究意义与今后展望

在可再生能源氢利用系统中的氢储存方面，当务之急是开发一种可储存大量氢的氢高密度化技术。随着新安全管理技术的开发，本研究的价值将会越来越凸显。另外，将来可以收集与氢泄漏相关的耦合分析结果和运行中的加氢站中的各种故障与事故案例，构建氢安全管理数据库，同时进行基于深层学习的安全性评价，从而获得高密度氢气风险管理的基础方针。

注释：

1. 耦合分析：指在分析中考虑了两种以上的物理现象相互产生的影响。本研究中的分析考虑了破坏力学、流体力学、化学反应这3个物理化学现象的相互作用。

2. 氢脆：指由于氢原子吸藏在金属中，导致金属材料的韧性下降、变得脆弱的现象。

氢能系统综合安全管理技术的开发