金属系水素分離膜のハイブリッドその場膜強度評価法の開発と固溶水素脆化機構の解明

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19560714
• 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, 講師 (10270274)
• Keywords: 水素 / 金属物性 / 燃料電池 / 新エネルギー / 構造・機能材料 / 水素透過 / 水素脆化 / 小型パンチ試験

Research Abstract

本研究は金属系水素分離膜の水素脆化ハイブリッドその場膜強度評価法を確立し,固溶水素濃度と水素脆化との関係を調べ,脆化機構を解明することを目指したものである。平成20年度は「(1)膜強度特性と構造転移特性の関係と金属と水素の相互作用の計算から固溶水素脆化機構を探求する,(2)合金元素の効果を定量的に評価して,延性一脆性遷移を温度と固溶水素量の関数として求めた新しい材料設計クライテリオンを構築し,パフォーマンス・チューニングされたニオブ(Nb)合金膜を提案する」ことを目標として研究を展開した。得られた知見を以下に要約する。
1. 水素脆化その場測定システムの拡張を目指し,GCバルブ切換えシステムの組込みを行い,各膜強度評価装置をインライン配置することにより,ミクロで静的な膜破壊検出機能を付加した。
2. 水素透過能の経時変化と割れ形態評価に向けた検討として,VCR継手を用いたNbおよびNb合金の水素透過環境下での流束の時間変化を測定した。またPCT曲線を基にして膜両面の負荷水素圧力(水素濃度差)を変化させた際の静的膜割れ検出を行い,破面性状解析およびすべり挙動特性の観察結果と併せて固溶水素脆化に対する感受性の変化を総合的に解明し,耐久性向上に向けた知見を得た。
3. 水素の溶解と拡散に及ぼす合金効果を水素透過能(流束)の観点で求めた。その結果,純Nb中の水素の拡散係数はPd-Ag合金よりも小さいが,NbにRuやWなどの合金元素を添加することにより,水素拡散係数が高くなり,水素透過能が向上することを明らかにした。また,この知見を基にパフォーマンス・チューニングされたbcc単相設計合金は,高い水素透過能と耐水素脆性,加工性および耐久性を兼ね備えており,非パラジウム系水素透過膜合金としての適用が期待できることを明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Analysis of hydrogen diffusion coefficient during hydrogen permeation through pure niobium (2008)
  • Author(s): G. X. Zhang, H. Yukawa, N. Watanabe, Y. Saito, H. Fukaya, M. Morinaga, T. Nambu, Y. Matsumoto
  • Journal Title: International Journal of Hydrogen Energy 33 Pages: 4419-4423
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Alloy Design of Nb-Based Hydrogen Permeable Membrane with Strong Resistance to Hydrogen Embrittlement (2008)
  • Author(s): H. Yukawa, T. Nambu, Y. Matsumoto, N. Watanabe, G. Zhang, M. Morinaea
  • Journal Title: Material Transactions 49 Pages: 2202-2207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] PdおよびRuを添加したニオブ合金水素透過膜の機械的性質 (2008)
  • Author(s): 松本佳久, 佐藤翔平, 森迫和宣, 都甲鉱千, 染矢拓範
  • Journal Title: 大分工業高等専門学校紀要 45 Pages: 5-9
• [Presentation] Nb-W合金の加工熱処理条件と水素透過能 (2009)
  • Author(s): 和田巧, 渡邉直, 粟倉康崇, 張国興, 湯川宏, 森永正彦, 南部智憲, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2009年春期(第144回)大会講演概要(S1・20)
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2009-03-29
• [Presentation] ニオブ系水素透過膜の水素透過中その場の水素拡散係数の解析 (2009)
  • Author(s): 湯川宏, 張国興, 渡邉直, 森永正彦, 南部智憲, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2009年春期(第144回)大会講演概要(S1・21)
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2009-03-29
• [Presentation] 低水素圧力条件下でのニオブおよびニオブ系合金膜の水素透過能 (2009)
  • Author(s): 嶋一成, 淺井歩, 南部智憲, 松本佳久, 張国興, 湯川宏, 森永正彦
  • Organizer: 日本金属学会2009年春期(第144回)大会講演概要(6)
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2009-03-28
• [Presentation] Nb-W系水素透過膜合金の耐水素脆性と水素透過能に及ぼすTaの添加効果 (2008)
  • Author(s): 渡邉直, 和田巧, 張国興, 湯川宏, 森永正彦, 南部智憲, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会2008年秋期(第143回)大会講演概要(903)
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2008-09-25
• [Presentation] Development of Hydrogen Permeation In-Situ Fracture Test Apparatus for Quantitative Measurement of Hydrogen Embrittlement (2008)
  • Author(s): Y. Matsumoto, H. Yukawa, T. Nambu
  • Organizer: Proc. of Materials Science and Engineering, Congressand Exhibition on Advanced Materials and Processes
  • Place of Presentation: MSE08, Nuernberg, Germany
  • Year and Date: 2008-09-03
• [Presentation] Alloying effects on hydrogen solubility and resistance to hydrogen embrittlement for Nb-based hydrogen permeable membranes (2008)
  • Author(s): H. Yukawa, M. Morinaga, N. Watanabe, G. Zhang, T. Nambu, Y. Matsumoto, I. Yasuda
  • Organizer: Proc. of 10th International Conference on Inorganic Membranes
  • Place of Presentation: ICIM10, Weseda University, Tokyo
  • Year and Date: 2008-08-21
• [Presentation] Hydrogen diffusion coefficient during hydrogen permeation through Nb-based hydrogen permeable membranes (2008)
  • Author(s): H. Yukawa, G. X. Zhang, N. Watanabe, M. Morinaga, T. Nambu, Y. Matsumoto
  • Organizer: Proc. of 4th International Conference on Diffusion in Solids and Liquids
  • Place of Presentation: DSL-2008, Barcelona, Spain
  • Year and Date: 2008-07-09
• [Presentation] Analysis of hydrogen diffusion coefficient during hydrogen permeation through niobium and its alloys (2008)
  • Author(s): H. Yukawa, N. Watanabe, G. Zhang, H. Fukaya, Y. Saito, M. Morinaga, T. Nambu, Y. Matsumoto
  • Organizer: Proc. of International Symposium on Metal-Hydrogen Systems (A3)
  • Place of Presentation: MH2008, Reykjavik, Iceland
  • Year and Date: 2008-06-25
• [Presentation] Alloying effects of Ru and W on the resistance to hydrogen embrittlement and hydrogen permeability of Nb (2008)
  • Author(s): N. Watanabe, H. Fukaya, Y. Saito, G. Zhang, H. Yukawa, M. Morinaga, T. Nambu, S. Sato, K. Morisako, H. Togo, Y. Matsumoto, I. Yasuda
  • Organizer: Proc. of International Symposium on Metal-Hydrogen Systems (A3-6)
  • Place of Presentation: MH2008, Reykjavik, Iceland
  • Year and Date: 2008-06-25
• [Presentation] 水素環境その場破壊試験によるニオブの水素脆性の定量評価 (2008)
  • Author(s): 森迫和宣, 都甲紘千, 渡浪直, 南部智憲, 湯川宏, 森永正彦, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会・日本鉄鋼協会九州支部共催平成20年度合同学術講演大会講演概要集(B5)
  • Place of Presentation: 九州大学筑紫地区
  • Year and Date: 2008-06-07
• [Presentation] ニオブ水素透過膜の固溶水素濃度と延性-脆性遷移 (2008)
  • Author(s): 都甲紘千, 森迫和宣, 渡浪直, 南部智憲, 湯川宏, 森永正彦, 松本佳久
  • Organizer: 日本金属学会・日本鉄鋼協会九州支部共催平成20年度合同学術講演大会講演概要集(P17)
  • Place of Presentation: 九州大学筑紫地区
  • Year and Date: 2008-06-07
• [Book] Defect and Diffusion Forum Vols. 283-286 (2009), ISBN 3-908451-69-8 (2009)
  • Author(s): H. Yukawa, G. X. Zhang, N. Watanabe, M. Morinaga, T. Nambu, Y. Matsumoto
  • Total Pages: 225-230
  • Publisher: Trans Tech Publications, Switzerland
• [Remarks]
  • URL: http://www.oita-ct.ac.jp/kikai/matumoto/sub7.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 特許権 (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: 名古屋大学, 鈴鹿工業高等専門学校, 大分工業高等専門学校, 東京瓦斯(株)
  • Industrial Property Number: 特願2009-62146
  • Filing Date: 2009-03-14