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

通过阐明控制氕势垒生长的因素实现高度耐用的织构控制氢分离膜

• 批准号: 21H01658
• 负责人: 南部 智憲
• 金额: $ 11.4万
• 依托单位: Suzuka National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01658/
• 关键词: 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

(Ⅰ)Fe添加が再結晶化に及ぼす影響の解明とFe添加V合金膜の結晶方位制御法の確立：　V-10Fe/HPT加工材を1000℃で24時間熱処理した試料にPd触媒を被覆し、500℃の真空中で熱処理を行い、方位毎のPd触媒との相互拡散状態を調査した。その結果、結晶方位に関係なく、相互拡散反応が一様に生じていることがわかった。V-10Fe合金膜では、表面に微細な結晶粒界が一様に存在しているため、結晶粒界にそってドーム状に盛り上がった相互拡散層が形成される。この相互拡散層が結晶粒表面にも広がり、結果として膜表面全体に渡って相互拡散層が形成される。HPT加工と熱処理との組み合わせによって（110）に配向した結晶組織が増大してはいるものの、微細な結晶粒の存在が相互拡散層の形成を助長していることを明らかにした。(Ⅱ)プロチウム障壁成長プロセスのその場観察と成長メカニズムの解明：　Pd触媒をコーティングした純V膜について、400℃において水素分離性能が低下した膜表面を研磨してPd触媒層を除去後、再度Pd触媒層を被覆して水素分離試験を行った。その結果、再度Pd触媒層を被覆することで、水素分離性能が初期性能まで改善することがわかった。すなわち、プロチウム障壁はV基材中ではなく、Pd触媒層のみに形成していることを明らかにした。また、Pd触媒層断面をSTEM/EDX分析した結果、Pd触媒層の結晶粒界にそってVが拡散していることを明らかにした。(Ⅲ)優先方位(110)再結晶集合組織に制御されたFe添加V合金膜の水素分離耐久性能評価：　　V-10Fe/HPT材を用いて350℃で長時間水素分離耐久試験を行った。その結果、時間の経過とともに水素分離性能が低下し、圧延材よりも耐久性能に乏しいことが明らかとなった。これはFe添加による結晶粒微細化が原因であり、結晶粒を粗大化させることを検討する必要がある。

(一)阐明Fe添加对再结晶的影响并建立添加Fe的V合金薄膜的晶体取向控制方法：将V-10Fe/HPT加工材料在1000℃热处理24小时的样品上镀覆Fe制备了Pd催化剂，在500℃的真空中进行热处理，并研究了与Pd催化剂在各个方向上的相互扩散状态。结果发现，无论晶体取向如何，相互扩散反应均均匀地发生。 V-10Fe合金膜表面均匀存在细小的晶界，沿晶界形成圆顶状的相互扩散层。该相互扩散层也扩展到晶粒的表面，结果，在膜的整个表面上形成相互扩散层。尽管HPT加工和热处理的结合增加了(110)取向的晶体结构，但研究表明细晶粒的存在有利于相互扩散层的形成。 （二）氕势垒生长过程的原位观察及生长机理的阐明：对于镀有Pd催化剂的纯V膜，对400℃氢分离性能下降的膜表面进行抛光并去除Pd催化剂层后，通过涂覆Pd催化剂层进行氢分离试验。结果发现，通过再次涂覆Pd催化剂层，氢分离性能改善至初始性能。即，可知氕势垒仅形成在Pd催化剂层中，而不形成在V基材中。另外，Pd催化剂层的截面的STEM/EDX分析表明V沿着Pd催化剂层的晶界扩散。 (三)择优取向(110)再结晶织构的添加Fe的V合金膜的氢分离耐久性评价：采用V-10Fe/HPT材料在350℃下进行长期氢分离耐久性试验。结果表明，氢分离性能随着时间的推移而劣化，并且耐久性能比轧制材料差。这是由于Fe的添加导致晶粒细化造成的，需要考虑使晶粒变得粗大。

项目成果

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

氢分离纯化金属膜材料研究的努力及最新进展

• 发表时间: 2022
• 作者: 大西智也;千星聡;金野泰幸;松本佳久
• 通讯作者: 松本佳久

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

溶质氢浓度和晶粒尺寸对钒力学性能的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: 前田晃志;松本佳久
• 通讯作者: 松本佳久

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

氨气直接制氢膜反应器中钯镀V-10mol%Fe合金膜的氢渗透率

• 发表时间: 2022
• 作者: 南部智憲;小俣香織;湯川宏;佐藤勝俊;永岡 勝俊;松本 佳久
• 通讯作者: 松本 佳久

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

V-10mol%Fe透氢合金膜与Ru/Cs2O/Pr6O11氨分解催化剂相结合的制氢膜反应器的研制

• 发表时间: 2021
• 作者: 髙橋雄大;南部智憲
• 通讯作者: 南部智憲

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 catalyst

• DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.12.191
• 发表时间: 2022-01
• 期刊: International Journal of Hydrogen Energy
• 影响因子: 7.2
• 作者: K. Omata;Katsutoshi Sato;Katsutoshi Nagaoka;H. Yukawa;Y. Matsumoto;T. Nambu