水素ボンベ充填：材料適合性、オイルフリー要件、および酸素サービスとの主な相違点

水素ボンベ充填：同じプラットフォーム、異なるエンジニアリング上の決定

ガス販売業者や工業用ガス会社が、既存の酸素・窒素充填設備に水素ボンベ充填機能を追加する場合、水素充填は同じ装置で別のガスを充填するだけだと誤解されがちです。この誤解は部分的には正しいと言えます。実際、当社は酸素・窒素充填機と同じZWオイルフリー往復動プラットフォーム上に水素ボンベ充填コンプレッサーを供給しています。しかし、この誤解は、装置の仕様、材料選定、操作において対処しなければならない重要な技術的相違点を覆い隠してしまいます。

水素は、圧縮ガスとして特有の難しさを3つの理由から抱えています。まず、あらゆる元素の中で分子サイズが最も小さいため、極めて漏洩しやすいこと。次に、高圧下では多くの鋼種で水素脆化を引き起こすこと。そして、広い濃度範囲（4～75% v/v）で空気と可燃性混合物を形成することです。これらの特性はいずれも、例えば高分子量が流量容量に影響を与えるのとは異なり、圧縮性能に直接的な影響を与えるものではありません。むしろ、材料選定、シール設計、危険区域の分類、建物の換気要件に影響を与えます。

本稿では、水素サービスに特有のエンジニアリング上の決定事項について解説します。読者は、以前の記事で解説したオイルフリー往復圧縮の一般原理を既に理解していることを前提としています。

シリンダー充填用途において水素脆化が重要な理由

水素脆化とは、原子状水素が鋼の結晶格子内に拡散し、鋼の破壊靭性、延性、疲労強度を低下させる現象である。これは、鋼が高圧の分子状水素と接触した際に発生する。分子状水素は鋼の表面で原子状水素に解離する。原子状水素は十分に小さいため、鋼の微細構造内に拡散することができる。

特定の鋼材の水素脆化に対する感受性は、以下の要因によって決まります。

• 鋼材のグレードと強度レベル： 高強度鋼はより脆弱であり、引張強度が約900MPaを超える炭素鋼はリスクが高いとみなされる。標準的な圧力容器用炭素鋼（例えば、引張強度約485MPaのSA-516グレード70）は、比較的脆弱ではない。
• 水素圧： 水素分圧の上昇に伴い、水素脆化感受性も高まる。150バール（15MPa）では、水素脆化感受性の高い材料にとって、水素脆化のリスクが著しく高まる。
• 温度： 室温、もしくはそれよりやや高い温度が、水素脆化にとって最も危険な温度範囲である。極端に高い温度や低い温度は、リスクを低減する。
• 繰り返し荷重： 水素雰囲気下での疲労亀裂の成長速度は、感受性の高い材料の場合、空気中よりも著しく高くなる可能性があり、これは運転中に圧力サイクルを受ける部品にとって重要な点である。

シリンダー充填コンプレッサーにおいて、最もリスクが高い部品は、最終段シリンダー本体、最終段ピストンロッドおよびパッキン、吐出弁アセンブリ、および高圧吐出配管である。これらの部品はすべて、水素対応材料で製造されなければならない。

水素サービス向け材料の選定

実際には、水素用途における材料変更は、主に圧力が最も高くなる最終段階と排出システムに限られる。中程度の圧力で動作する最初の1～3段階は、酸素および窒素用途と同じ材料を使用する。

シール設計：漏洩対策の課題

水素分子は窒素分子の約14分の1の大きさで、粘度は約7分の1です。これらの特性により、水素は窒素や酸素に対しては気密性を保つ隙間からも漏れ出します。往復動圧縮機において、重要なシール箇所は以下のとおりです。

• ピストンロッドパッキン： 圧縮シリンダーとスペーサー間のシール。ロッドパッキンのベントからスペーサーのベントを通して水素が漏れる。水素サービスでは、このベントは建物の外の安全な場所に排出する必要があり、圧縮機室内の周囲の空気には排出してはならない。
• バルブ本体フランジおよびカバー： 高圧システム内のすべての静的接合部には、金属同士のシール、またはPTFEで被覆された金属ガスケットを使用する必要があります。酸素や窒素環境では良好な性能を発揮する標準的な圧縮繊維ガスケットでは、許容できない量の水素漏れが発生する可能性があります。
• 排出配管継手： 約3MPaを超える水素圧下では、ねじ込み接続は推奨されません。溶接接続またはフランジ接続と金属リングガスケットの使用が推奨されます。
• 計測機器の接続： 高圧部におけるすべての圧力計およびトランスミッターの接続部は、パイプねじではなく、溶接するか、金属座面付きチューブ継手（Swagelokまたは同等品）を使用する必要があります。

危険区域の分類と換気

水素は、4%～75%（体積比）の濃度範囲で空気と可燃性混合物を形成します。この広い可燃性範囲のため、わずかな漏洩でも可燃性雰囲気を作り出す可能性があります。水素圧縮装置が設置されている場所はすべて危険区域として分類し、それに応じた設計を行う必要があります。

水素ボンベ充填コンプレッサー室の一般的な分類：

• ゾーン1 （IEC 60079-10-1による）：水素ガス経路の接合部または漏洩の可能性のある箇所（圧縮機の吐出接続部、バルブカバー、およびスペーサーベント出口を含む）から1メートル以内の空間
• ゾーン2： 適切な換気（通常、最低でも1時間あたり12回の換気）を前提とした、コンプレッサー室の一般的な内部構造

コンプレッサー室に設置されるすべての電気機器は、ゾーン分類に合わせて選定する必要があります。当社の水素用コンプレッサーモーターおよび制御盤は、状況に応じてATEXゾーン1またはゾーン2に準拠し、筐体はEx d（防爆型）またはEx e（高安全性型）となっています。

換気は必須です。コンプレッサー室は、低位置から給気、高位置から排気する機械換気システムを設置する必要があります（水素は空気より軽いため、天井付近に蓄積します）。天井には、可聴・視覚アラームと自動ファン作動機能を備えた水素ガス検知器を設置する必要があります。一部の国の規制では、高濃度水素警報時にコンプレッサーを自動的に停止させることも義務付けられています。

オイルフリー運転：同じ要件だが、理由は異なる

酸素の場合、高圧酸素中で油分が混入すると火災や爆発の危険性があるため、オイルフリー圧縮が必要となる。水素の場合、理由は異なるが結論は同じである。

最も要求の厳しい下流用途（燃料電池供給、水素化反応器、半導体製造、校正ガスなど）における水素純度要件は、総油分含有量が0.01 mg/m³未満（ISO 8573-1クラス0）であることを規定しています。水素中の油分汚染は、以下のものにも損傷を与えます。

• 燃料電池膜電極接合体（MEA）： プロトン交換膜に微量の油分が付着するだけでも、細胞の効率と寿命が永久的に低下する。
• 水素化反応器における触媒： 油は担持金属触媒の活性部位を汚染し、不可逆的な失活を引き起こす。
• 校正ガスの精度： 水素校正混合物に油が混入すると、その組成が変化し、認証が無効になる。

当社のZWシリーズ水素充填コンプレッサーは、全段にPTFE製ドライランニングピストンリングを採用し、酸素充填型と同様のスペーサー式分離設計となっています。出力される水素は、後段のろ過処理なしでISO 8573-1クラス0の油分含有量基準を満たしています。

比較：酸素、窒素、水素のシリンダー充填

同じコンプレッサーで酸素と水素の両方を充填できますか？

技術的には、同じ機械を工場でどちらのガスにも対応できるように構成することは可能ですが、酸素ボンベと水素ボンベの両方を充填するために単一のコンプレッサーを使用することはお勧めしません。その理由は実用的です。

• 酸素と水素のガスライン切り替えには、ガス接触面全体の完全なパージと窒素掃気が必要であり、これは時間のかかる手順で、運用上の複雑さを増大させる。
• 酸素ボンベと水素ボンベは、安全等級の異なる別々の部屋で充填する必要がある。両方の部屋で同じコンプレッサーを使用する場合は、機械を移動させるか、長い吐出ラインを敷設する必要がある。
• 酸素と水素の相互汚染のリスクは、たとえ微量であっても容認できない。水素が混入した酸素ボンベは、深刻な爆発リスクをもたらす。

当社では、各ガス種ごとに専用のコンプレッサーを提供しています。これらのコンプレッサーは、同じZWプラットフォームと多くの共通部品を使用していますが、それぞれのガス用途に合わせて特別に構成および洗浄されています。

水素ボンベ充填コンプレッサーの仕様についてご相談いただくには、こちらをご覧ください。 窒素および水素ボンベ充填コンプレッサーのページ または 当社のエンジニアリングチームにお問い合わせください プロセスデータと共に。