水素分離・貯蔵用管状鋼鉄金属水素化物貯蔵容器の包括的な設計と構造検証
Comprehensive Design and Structural Verification of a Tubular Steel Metal–Hydride Storage Vessel for Hydrogen Separation and Storage
本研究は、金属水素化物(MH)合金を用いた水素貯蔵とガス混合物からの水素分離に関する課題に取り組み、低圧二重壁管状鋼鉄MH貯蔵容器の構造設計と強度評価を提示する。MnTiVFeZrベースの合金を使用し、ANSYS 2025 R2 Static Structuralを用いて3、5、7 MPaの3つの運転圧力下で構造シミュレーションを実施した。いずれの圧力条件でも、合金の重量水素貯蔵容量は0.992 ± 0.016 wt.%であった。最も適切な設計として3 MPaの運転圧力が選択され、解析計算により数値解析結果を検証した。その後、STN EN 13322-2規格に基づき、製造された貯蔵容器の実験的強度検証が行われた。この設計には、能動および受動冷却モジュールを組み合わせた効率的な熱管理システムも組み込まれている。受動冷却モジュールは、内部熱伝達強化要素として機能し、能動冷却モジュールは外部壁周りの冷却材流動を利用する。アルミニウム製受動冷却モジュールの最適な設計は、ANSYS CFXでの定常温度場解析に基づき4つの候補から選定された。このモジュールを統合した貯蔵容器で、水素吸収時の実験的温度測定が行われ、結果は数値シミュレーションと比較された。本研究の主な貢献は、構造設計、数値最適化、製造、および実証実験を単一の方法論に統合した、機械的に検証され熱管理された管状金属水素化物容器の開発である。このアプローチは、水素貯蔵、精製、分離用途向けの低圧金属水素化物システムのさらなる開発とスケールアップに実用的な基盤を提供する。
- MnTiVFeZrベース合金を用いた金属水素化物貯蔵容器で、重量水素貯蔵容量0.992 ± 0.016 wt.%を達成
- 3MPaの低圧運転条件で構造設計を最適化し、STN EN 13322-2規格に基づく実験的強度検証を実施
- ANSYS 2025 R2 Static StructuralおよびANSYS CFXを用いた数値シミュレーションにより構造・熱管理設計を検証
水素貯蔵・分離用途の管状金属水素化物容器について、構造設計から数値最適化、製造、実験検証までを一貫した方法論で統合した実用的な研究。低圧(3MPa)での運用を実証しており、水素インフラの安全性とコスト削減に寄与する可能性がある。ただし、学術的研究段階であり、商業化や企業関与の具体的な事象は不明瞭なため、投資判断においては今後のスケールアップ動向を注視する必要がある。