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プロチウム障壁成長コントロール因子の解明で実現する高耐久集合組織制御型水素分離膜

研究課題

研究課題/領域番号 21H01658
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分26040:構造材料および機能材料関連
研究機関鈴鹿工業高等専門学校

研究代表者

南部 智憲  鈴鹿工業高等専門学校, 材料工学科, 教授 (10270274)

研究分担者 松本 佳久  大分工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (40219522)
湯川 宏  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (50293676)
戸高 義一  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50345956)
小俣 香織  山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (50734133)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2021年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)
キーワード水素分離 / 水素透過 / 高圧ねじり加工 / 水素キャリア / 集合組織
研究開始時の研究の概要

Pd触媒を表面に被覆したV系合金膜は水素分離膜として優れた機能を発揮するが、運転中に分離性能が徐々に低下し、やがては機能喪失するという深刻な問題を抱えている。本研究では表面Pd触媒とV基材との界面に形成されるプロチウム拡散の障壁を機能喪失の主要因として捉え、V基材の結晶方位に依存して変化するプロチウム障壁の成長メカニズムを解明し、結晶方位制御に基づいた高耐久性Fe添加V合金膜の設計へと展開する。高圧ねじり(HPT)加工が創り出すナノ結晶組織を敢えて再結晶化させる逆転の発想により、圧延加工では製造不可能な優先方位(110)集合組織に配向させる新規組織制御技術を創出し、V系合金膜の長寿命化を図る。

研究成果の概要

耐久性に優れるPd触媒被覆V-10Fe合金膜を開発するために、水素透過合金膜のプロチウム拡散の障壁として働く因子を調査した。Pd触媒との相互拡散によって形成される金属間化合物だけが、V膜の水素透過性低下の原因ではない。VがPd触媒に拡散して固溶体を形成することも、V膜の水素透過性を低下させる。(110)方位に配向したV結晶は、Pdとの相互拡散反応を起こしにくい。HPT処理後の再結晶熱処理は、V-10Fe合金膜の(110)方位への配向性を向上することができる。HPT処理のみのV-10Fe合金膜の水素透過耐久性は圧延膜より低い。HPT処理後の再結晶化により、圧延膜よりも水素分離耐久性が向上する。

研究成果の学術的意義や社会的意義

現在、国内で工業的に消費されている水素は、海外から輸入される天然ガスから製造されている。2050年カーボンニュートラルを実現するために、輸入資源を天然ガスからアンモニアへと転換することが計画されている。このエネルギー資源のパラダイムシフトに備え、アンモニア分解ガスから水素のみを分離・精製する新技術の開発が急務とされている。バナジウム膜による水素分離・精製法は他の方法と比較してコンパクトかつ高効率に超高純度の水素が得られる方法である。しかしながら、表面Pd触媒層の低い耐久性が実用化の障壁となっている。本研究で明らかにした結晶方位制御という新たな耐久性向上技術はバナジウム膜の社会実装を加速する。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Direct high-purity hydrogen production from ammonia by using a membrane reactor combining V-10mol%Fe hydrogen permeable alloy membrane with Ru/Cs2O/Pr6O11 ammonia decomposition catalyst2022

    • 著者名/発表者名
      Omata Kaori、Sato Katsutoshi、Nagaoka Katsutoshi、Yukawa Hiroshi、Matsumoto Yoshihisa、Nambu Tomonori
    • 雑誌名

      International Journal of Hydrogen Energy

      巻: 47 号: 13 ページ: 8372-8381

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2021.12.191

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Ni/SiO2・Al2O3アンモニア分解触媒とV-10mol%Fe水素分離合金膜とを組み合せたメンブレンリアクタによる高純度水素製造2024

    • 著者名/発表者名
      南部智憲, 小俣香織
    • 学会等名
      日本金属学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Pd/V/Pd複合膜における相互拡散層の形成と水素透過能の劣化挙動2023

    • 著者名/発表者名
      村上賢太, 湯川宏, 君塚肇
    • 学会等名
      日本金属学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Membrane Reactor Combining V-based Hydrogen Permeable Alloy Membrane with Ammonia Decomposition Catalyst for Direct High-Purity Hydrogen Production from Ammonia2023

    • 著者名/発表者名
      K. Omata, K. Sato, K. Nagaoka, H. Yukawa, Y. Matsumoto, T. Nambu
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] バナジウムの機械的特性に及ぼす固溶水素濃度と結晶粒径の影響2022

    • 著者名/発表者名
      前田晃志, 松本佳久
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] バナジウム中の水素の存在状態および拡散経路の解明のための新しいTDAシステムの開発2022

    • 著者名/発表者名
      藤丸朋泰, 松本佳久
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] バナジウム中の水素の高速拡散経路の人工的増殖による水素透過性能の向上2022

    • 著者名/発表者名
      松本佳久, 木本裕大, 佐藤宏和, 森迫和宣
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Vを主成分とするHEA・MEAの創製と水素透過能2022

    • 著者名/発表者名
      男澤桜子, 清水一行, 鎌田康寛, 松本佳久
    • 学会等名
      日本金属学会2022年秋期第171回講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 水素分離・精製に向けた金属膜材料研究の取り組みと最近の進展について2022

    • 著者名/発表者名
      松本佳久
    • 学会等名
      第16回水素若手研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高圧ねじり加工による集合組織制御型バナジウム系水素分離合金膜の製造技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      杉村友高, 片伯部拳磨, 南部智憲, 小俣香織, 戸高義一, 櫻井星児, 吉永英雄
    • 学会等名
      2021年度先進的技術シンポジウム(ATS2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] V-10mol%Fe水素分離合金膜とRu/Cs2O/Pr6O11アンモニア分解触媒とを組み合せたメンブレンリアクタによる高純度水素製造2022

    • 著者名/発表者名
      小俣香織, 南部智憲, 湯川宏, 佐藤勝俊, 永岡勝俊, 松本佳久
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] アンモニアガスから直接水素を製造するメンブレンリアクタでのPdコーティングV-10mol%Fe合金膜の水素透過能2022

    • 著者名/発表者名
      南部智憲, 小俣香織, 湯川宏, 佐藤勝俊, 永岡勝俊, 松本佳久
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] V-10mol%Fe水素透過合金膜とRu/Cs2O/Pr6O11アンモニア分解触媒とを組み合わせた水素製造膜反応器の開発2021

    • 著者名/発表者名
      髙橋雄大, 南部智憲
    • 学会等名
      第31回材料フォーラムTOKAI
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] 水素分離膜2023

    • 発明者名
      松本佳久,佐藤宏和
    • 権利者名
      松本佳久,佐藤宏和
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2023-030956
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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