2015 Fiscal Year Annual Research Report
水素透過金属膜における新しい学術体系の構築と低温作動型合金膜の最適設計への展開
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15J09498
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
鈴木 飛鳥 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 水素透過膜 / バナジウム系合金 / 化学ポテンシャル / PCT曲線 / 拡散 / 易動度 / 低温化 / 合金設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
基本的なV-X二元系合金（X=Fe，Cr，Ru，Al）について、圧力－組成－等温線（PCT曲線）測定および水素透過試験を実施した。得られたPCT曲線を解析することで、水素溶解特性に及ぼす合金効果を評価した。その結果、水素溶解に伴う水素の部分モルエンタルピー変化をもとに、合金設計において重要となるPCT曲線の適切な制御が可能となることが明らかとなった。また、合金のPCT曲線および水素透過試験の結果に水素透過能の新しい解析手法を適用することで、水素の拡散性に及ぼす合金効果を評価した。Fe，Cr，Ruを添加した場合には純Vに比べて低温における水素の拡散性が向上していたが、Alを添加した場合には水素の拡散性は低下していた。したがって、低温作動型合金膜の設計においては、低温における水素の拡散性を向上させるFe，Cr，Ruといった元素を用いて、水素溶解特性を適切に制御することが重要であると考えられる。
低温における水素の拡散性を向上させる元素と低下させる元素の違いを明らかにするために、第一原理に基づく電子状態計算を行った。構造最適化計算の結果、Alを合金元素とした場合には水素は第一近接のTサイトを占有できないことが分かった。したがって、Alを添加することで、水素原子の拡散経路を阻害するブロッキング効果が働くことが示唆される。こうした効果がAlを添加することで水素の拡散性が低下した原因と考えられる。低温作動型の合金膜の設計に向けた合金元素の選定においては、水素原子がその原子の第一近接のTサイトを占有できるか否かが一つの基準になると考えられる。
以上のように、本年度は基本的なV系合金を系統的かつ定量的に評価することで、水素透過膜において重要な水素溶解特性をおよび水素の拡散性に及ぼす合金効果を評価した。さらに、第一原理計算を行うことで、実験的に得られた合金効果の本質を理解するとともに、低温作動型合金膜の設計に役立つ知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、水素透過特性の新しい解析手法を応用し、水素透過膜の重要な特性である水素溶解特性と水素の拡散性に及ぼす合金効果を系統的かつ定量的に評価する。一連の評価と解析により、水素の化学ポテンシャルを基礎とした水素透過金属膜の新しい学術体系を構築するとともに、低温で優れた水素透過能を発揮するV系水素透過合金膜の最適合金設計へ展開することを目的としている。
本年度は実際に基礎的なV-X（X=Fe，Ru，Cr，Al）二元系合金を作製し、水素透過試験とPCT測定を行った。測定結果に対して水素透過能の新しい解析手法を適用することで、(i)水素溶解に伴う水素の部分モルエンタルピー変化から水素溶解特性に及ぼす合金効果を評価できること、 (ii) 低温における水素の拡散性を向上させる元素（Fe，Ru，Cr）と低下させる元素（Al）に分類できること、 (iii) Fe，Ru，Crを含む合金系では水素の拡散性を表す2つのパラメータの間に1つの直線関係が成立することを明らかにした。また、第一原理に基づく電子状態計算を行うことで、(iv) 水素の拡散性を低下させるAlが水素原子に対してブロッキング効果をもつことを明らかにした。このように、実験結果から水素透過膜の特性に有利に働く元素と不利に働く元素に分類し、その相違点を第一原理計算から考察した。こうした結果をもとに、低温における水素の拡散性を向上させるFe，Cr，Ruといった元素を用いて、水素溶解特性を適切に制御することが重要であるという指針が得られた。これらの成果に関連して4本の学術論文を発表し、国内外合わせて5回の学会発表を行った。このように、当初の計画以上に研究が進展したと評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず本年度に得られた二元系の合金効果の結果を用いて、線形結合によって三元系の合金膜の水素溶解特性と易動度を予測する。実際に三元系の合金をトリアーク炉にて作製し、PCT曲線と易動度を得ることで実験と予測の比較を行う。このとき、実験と予測が一致する場合は二元系の合金効果を三元系に拡張できることになり、三元系の理論式が完成する。一方、一致しない場合には複合添加効果が存在することになる。複合添加効果が存在する場合、三元系合金の組成を変化させ、複合添加効果を定式化する。また、複合添加効果は添加元素の組み合わせによって決まると考えられるため、水素透過金属膜の特性に対して有利に働く添加元素の組み合わせについて考察する。
また、今後は水素溶解特性と水素の拡散性に加えて、水素化物の形成温度に及ぼす合金効果についても評価を行う。バナジウムは約200℃以下の低温域で水素化物（β相）を形成する。β相の形成は膜の脆性破壊といった問題を引き起こす可能性があるため、低温作動型合金膜を設計するために形成温度を低温化する必要がある。そこで本年度で調査したV-X二元系合金および今後調査する三元系合金についてβ相の形成温度を調べ、各合金元素がβ相の形成温度に及ぼす合金効果を定量的に評価する。このとき、評価方法として水素雰囲気中でX線回折測定を行う。
これらの結果を整理することで、任意の温度・圧力条件における水素透過合金膜の組成設計が可能になる。
また、実際に透過膜として使用する際には、薄膜化のための圧延加工を想定される。そこで圧延加工した薄膜試料やそれに熱処理を加えた試料の透過試験を行い、圧延・熱処理の影響を調べる。また、同様の処理を施した試料の転位密度や粒径を測定し、転位や粒界が透過能に及ぼす影響を定量的に評価する。得られた結果をもとに、水素透過金属膜に最適な圧延・熱処理のプロセスについて考察する。
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Research Products
(9 results)
