金属水素分離膜のAEウェーブレット解析による構造ヘルスモニタリングと脆化機構解明

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21560731
• Research Institution: Oita National College of Technology
• Principal Investigator: 松本 佳久 Oita National College of Technology, 機械工学科, 教授 (40219522)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 湯川 宏 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教 (50293676) ; 南部 智憲 鈴鹿工業高等専門学校, 材料工学科, 准教授 (10270274)
• Keywords: 水素 / 新エネルギー / 燃料電池 / 金属物性 / 構造・機能材料 / 水素透過 / 水素脆化 / アコースティック・エミッション

Research Abstract

本研究は,材料割れが問題となっている水素分離膜の体積変化時の歪集中や材料疲労と固溶水素濃度との関係をアコースティック・エミッション(AE)ウェーブレット解析法で調べ,脆化機構を解明して水素透過能と耐水素脆性および耐久性を兼ね備えた膜合金の設計・評価指針を得ることを目的としている。平成21年度は,「水素分離膜AEその場膜破壊検出装置の構築と変形・破壊過程のAEウェーブレット解析手法の確立」を主目標として研究を進めた。得られた結果や知見を以下に要約する。
1.AEセンサ,プリアンプ,ディスクリミネータで構成されるアコースティック・エミッション(AE)その場膜破壊検出装置を設計・製作して水素透過ハイブリッドその場膜強度測定システムに付加した。
2.水素透過試験時の供給・透過ガスの四重極質量分析計によるin-situガス分析,拡散係数測定法を検討した。また,ガス分離性能およびガス分析機能の組込が完了した。
3.ニオブ(Nb)あるいはNb合金の573K～773Kにおける水素圧力-組成-等温線(PCT曲線)を求め,曲線上の各固溶水素濃度状態においてin-situ小型パンチ(SP)試験ならびにAE解析を行い,水素分離膜の変形・破壊過程のAE解析手法を確立した。
上記の検討の結果,AE原波形のウェーブレット解析あるいは短時間フーリエ変換による時間-周波数解析を用いた膜合金の変形・破壊時の特徴が抽出可能となった。また,純Nbや純バナジウム(V),およびそれらの合金の耐水素脆性についての限界固溶水素濃度を系統的に把握することに成功し,この観点で水素透過能と耐水素脆性においてパフォーマンス・チューニングされた合金膜を創製するための基礎的な設計情報を得ることが出来た。

Research Products

• [Journal Article] Analysis of hydrogen diffusion coefficient during hydrogen permeation through niobium and its alloys (2009)
  • Author(s): H.Yukawa, G.X.Zhang, N.Watanabe, M.Morinaga, T.Nambu, Y.Matsumoto
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Vol.476 Pages: 102-106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Alloying effects of Ru and W on the resistance to hydrogen embrittlement and hydrogen permeability of niobium (2009)
  • Author(s): N.Watanabe, H.Yukawa, T.Nambu, Y.Matsumoto, G.X.Zhang, M.Morinaga
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Vol.477 Pages: 851-854
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 水素透過膜用Nb-W-Ta合金の水素雰囲気中における機械的性質と水素透過能 (2009)
  • Author(s): 渡邉直, 湯川宏, 南部智憲, 松本佳久, 張国興, 森永正彦
  • Journal Title: 日本金属学会誌 Vol.73 Pages: 742-746
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Nb,VおよびV-W水素透過膜の延性-脆性遷移固溶水素濃度 (2010)
  • Author(s): 松本佳久, 湯川宏, 張国興, 森永正彦, 南部智憲
  • Organizer: 日本金属学会2010年春期(第146回)大会講演概要(55)
  • Place of Presentation: 筑波大学筑波キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] パラジウム系水素分離膜における酸化物由来の表面欠陥と雰囲気ガスの効果 (2010)
  • Author(s): 木村彩香, 南部智憲, 湯川宏, 森永正彦, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2010年春期(第146回)大会講演概要(13)
  • Place of Presentation: 筑波大学筑波キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] 金属系水素透過膜の水素透過速度と水素の化学ポテンシャル (2010)
  • Author(s): 奥村翔吾, 南部智憲, 湯川宏, 森永正彦, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2010年春期(第146回)大会講演概要(14)
  • Place of Presentation: 筑波大学筑波キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] ニオブの水素透過能と水素の化学ポテンシャル (2010)
  • Author(s): 南部智憲, 湯川宏, 森永正彦, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2010年春期(第146回)大会講演概要(S4・44)
  • Place of Presentation: 筑波大学筑波キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] 水素の化学ポテンシャルに基づいた水素透過能の理解 (2010)
  • Author(s): 湯川宏, 森永正彦, 南部智憲, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2010年春期(第146回)大会講演概要(S4・45)
  • Place of Presentation: 筑波大学筑波キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-28
• [Presentation] 優れた水素透過性能と耐水素脆性を両立させたニオブ系水素透過合金 (2010)
  • Author(s): 湯川宏, 森永正彦, 南部智憲, 松本佳久
  • Organizer: 6th Int'l Hydrogen & Fuel Cell Expo(FC EXPO 2010),第6回国際水素・燃料電池展
  • Place of Presentation: 東京ビッグサイト東展示棟, (FCA-2会場)
  • Year and Date: 2010-03-04
• [Presentation] Nb-based Hydrogen Permeable Alloys with High Hydrogen Permeability and Strong Resistance to Hydrogen Embrittlement (2010)
  • Author(s): H.Yukawa, M.Morinaga, T.Nambu, Y.Matsumoto
  • Organizer: Proc.of the 3rd International Conference on Structure, Processing and Properties of Materials 2010(SPPM 2010)
  • Place of Presentation: Bangladesh University of Engineering and Technology(BUET), Dhaka, Bangladesh
  • Year and Date: 2010-02-25
• [Presentation] 低水素圧力条件に特化したニオブ系水素透過膜合金の設計方法 (2009)
  • Author(s): 嶋一成, 南部智憲, 松本佳久, 湯川宏, 張国興, 森永正彦
  • Organizer: 日本金属学会2009年秋期(第145回)大会講演概要(585)
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-16
• [Presentation] Nb-W合金の水素化特性と水素透過能に及ぼすMoの添加効果 (2009)
  • Author(s): 南部智憲, 湯川宏, 張国興, 森永正彦, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2009年秋期(第145回)大会講演概要(586)
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-16
• [Presentation] 5A族金属系合金の水素化特性と水素透過能 (2009)
  • Author(s): 湯川宏, 張国興, 森永正彦, 南部智憲, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2009年秋期(第145回)大会講演概要(587)
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-16
• [Presentation] 水素製造・精製用非Pd系水素透過合金の設計と創製 (2009)
  • Author(s): 松本佳久
  • Organizer: M&M研究会
  • Place of Presentation: サンメッセ鳥栖
  • Year and Date: 2009-07-31
• [Presentation] Alloying effects on the hydrogen diffusivity during hydrogen permeation through Nb-based hydrogen permeable membranes (2009)
  • Author(s): H.Yukawa, G.X.Zhang, M.Morinaga, T.Nambu, Y.Matsumoto
  • Organizer: Proc.of 5th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids(DSL2009)
  • Place of Presentation: Grand Hotel Palazzo Carpegna, Rome-ITALY
  • Year and Date: 2009-06-24
• [Presentation] 純ニオブ膜の水素透過速度に及ぼす表面状態の影響 (2009)
  • Author(s): 都甲紘千, 森迫和宣, 南部智憲, 湯川宏, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会・日本鉄鋼協会・軽金属学会九州支部共催平成21年度合同学術講演大会講演概要集(A4)
  • Place of Presentation: 九州工業大学戸畑キャンパス
  • Year and Date: 2009-06-06
• [Remarks]
  • URL: http://www.oita-ct.ac.jp/kikai/matumoto/sub7.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] Nb膜,周期律表5A族金属合金膜を使用した水素分離システム (2010)
  • Inventor(s): 松本佳久, 南部智憲, 森永正彦, 湯川宏, 安田勇, 白崎義則, 黒川英人, 西井匠
  • Industrial Property Rights Holder: 国立高等専門学校機構,名古屋大学,東京瓦斯(株)
  • Industrial Property Number: 特許,特願2010-007428
  • Filing Date: 2010-01-15
• [Patent(Industrial Property Rights)] 2段式水素分離型改質器 (2010)
  • Inventor(s): 松本佳久, 南部智憲, 森永正彦, 湯川宏, 安田勇, 白崎義則, 黒川英人, 西井匠
  • Industrial Property Rights Holder: 国立高等専門学校機構,名古屋大学,東京瓦斯(株)
  • Industrial Property Number: 特許,特願2010-007516
  • Filing Date: 2010-01-15
• [Patent(Industrial Property Rights)] 5A族金属系水素分離膜を用いた水素分離システム (2010)
  • Inventor(s): 松本佳久, 南部智憲, 森永正彦, 湯川宏, 安田勇, 白崎義則, 黒川英人, 西井匠
  • Industrial Property Rights Holder: 国立高等専門学校機構,名古屋大学,東京瓦斯(株)
  • Industrial Property Number: 特許,特願2010-007613
  • Filing Date: 2010-01-16
• [Patent(Industrial Property Rights)] Nb-W-Mo系合金膜からなる水素分離膜及び水素分離法 (2009)
  • Inventor(s): 松本佳久, 南部智憲, 森永正彦, 湯川宏, 安田勇, 白崎義則, 黒川英人, 西井匠
  • Industrial Property Rights Holder: 国立高等専門学校機構,名古屋大学,東京瓦斯(株)
  • Industrial Property Number: 特許,特願2009-212357
  • Filing Date: 2009-09-14
• [Patent(Industrial Property Rights)] V-W系合金膜からなる水素分離膜及び水素分離法 (2009)
  • Inventor(s): 松本佳久, 南部智憲, 森永正彦, 湯川宏, 安田勇, 白崎義則, 黒川英人, 西井匠
  • Industrial Property Rights Holder: 国立高等専門学校機構,名古屋大学,東京瓦斯(株)
  • Industrial Property Number: 特許,特願2009-212550
  • Filing Date: 2009-09-14