パラジウム膜を用いて達成しうる最大水素透過流束の評価

评估使用钯膜可实现的最大氢渗透通量

基本信息

批准号：
11F01207
负责人：
原重樹
金额：
$ 0.83万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11F01207/
关键词：
水素パラジウム分離膜燃料電池

项目摘要

パラジウム(Pd)膜は高分子膜や無機膜に比して高い水素選択性および透過性能を有していることから燃料電池に必要な水素の精製への利用が期待されている。Pd膜の水素透過流束は膜厚に反比例し増大するが、そのうちに水素分子の吸着・脱離といった表面過程の影響が顕著となって透過流束は限界に達すると考えられている。しかしその実験的根拠は十分でない。そこで本研究は有効表面積を小さくすることで表面律速の状況を作り出し、Pd膜で得られる水素透過流束の上限を実験的に評価することを目的とした。有効表面積を小さくするためにPd膜表面にリソグラフィーの技術を活用して銅(Cu)のマスクを形成することを特長としている。スパッタリング法、電気メッキ法でCuを被覆したPd膜を作製してその水素透過特性を調べた。Cu層に開口のない試料において、当初水素透過性に大きな経時変化が見られ、それがCuのPd中への拡散に起因することが判明した。そこで、安定した透過特性が得られるよう層状構造を工夫し、Cuを他の元素に変えるなど試み、マイクロメートルレベルの開口を有するマスクの作製に成功した。しかしながら、最大流束の評価には至らなかった。一方で、水素濃度による拡散係数や溶解度係数の変化を調べるため新しい透過モデルの構築を行った。その結果、水素透過係数が圧力に依存する非理想的な挙動の程度を表す指標の提案に至った。これまで広く用いられていたが十分な理論的根拠のなかった指数則を使わずとも、この指標を用いて理想からのずれを表現できることを示すことに成功した。

钯（Pd）膜比聚合物膜或无机膜具有更高的氢选择性和渗透性，因此有望用于纯化燃料电池所需的氢气。 Pd膜的氢渗透通量与膜厚度成反比增加，但人们认为最终氢分子的吸附和脱附等表面过程的影响变得显着，渗透通量达到极限。然而，这方面的实验基础还不够。因此，本研究的目的是通过减少有效表面积来创造表面速率限制情况，并通过实验评估钯膜可以获得的氢渗透通量的上限。其特点是采用光刻技术在Pd薄膜表面形成铜(Cu)掩模，以减少有效表面积。采用溅射和电镀方法制备了Cu包覆的Pd薄膜，并研究了其氢渗透特性。在铜层中没有开口的样品中，最初观察到氢渗透率随着时间的推移发生了很大的变化，发现这是由于铜扩散到钯中造成的。因此，他们设计了一种层状结构以获得稳定的传输特性，并尝试用其他元素代替Cu，并成功制造出具有微米级孔径的掩模。然而，无法评估最大通量。另一方面，构建了新的渗透模型来研究氢浓度引起的扩散系数和溶解度系数的变化。因此，我们提出了一个指标来表示氢渗透系数的压力依赖性非理想行为程度。我们成功地证明，可以使用该指数来表达与理想值的偏差，而无需使用迄今为止已广泛使用但缺乏足够理论基础的指数定律。