成果報告書詳細
管理番号20110000001726
タイトル平成20年度成果報告書 「水素安全利用等基盤技術開発 水素インフラに関する研究開発 高効率水素製造メンブレン技術の開発」に係わる継続研究 高性能水素分離複合箔の開発
公開日2012/1/11
報告書年度2008 - 2008
委託先名株式会社IHI
プロジェクト番号P03015
部署名燃料電池・水素技術開発部
和文要約燃料電池自動車の効率向上のため、燃料である水素の高純度化(99.99%)が求められている。この水素純度を実現するためには水素のフィルタが必要であり、水素分離膜の開発が進んでいるが、高い水素透過性能、低コスト、耐久性の向上が課題となっている。
  現状で実用化に近いパラジウム合金は埋蔵量が少なく、コストが高いため、非パラジウム系合金(V、Nb、Ta合金など)の水素分離膜が開発されている。これらの合金は水素固溶度が高く、水素吸収・放出に伴う体積(歪)変化による材料割れが問題となっている。材料割れの原因として、体積変化時の歪の集中や材料疲労が考えられる。また、非Pd系は触媒としてPdを被覆する必要があり、長時間使用する場合にはこの被覆層の拡散による水素透過性能の劣化が考えられ、劣化の抑制も課題の一つである。2005年度から2007年度のNEDO委託研究において、強度支持材と高水素透過性材料との複合材箔が繰り返し耐久性の向上に効果があること、水素分離膜とPd被覆層の間に中間層を入れることで長時間水素透過性能の劣化が抑制されることを確認した。本継続研究では、複合箔を用いた溶接構造の水素分離膜モジュールを試作して耐久性を確認することを目的とした。また、中間層の分析を更に詳細に行い、劣化抑制のメカニズムを検討した。
 溶接構造の水素分離モジュールを作製するために溶接試験を行って溶接方法を決定し、抵抗シーム溶接により水素分離モジュールを作製した。起動停止の模擬として、モジュールを400℃で加熱して水素0.3MPaを導入し、その後水素を排出して冷却する工程を繰り返し試験したところ、繰り返し7回目でリークした。リーク箇所が溶接部であったことから、溶接を最適化することにより繰り返し寿命を延伸可能であると考えられる。
 オージェ電子分光分析装置にて、水素透過性能の劣化抑制効果があったZr中間層を入れた試料の断面を分析した。Zr層はほとんど動いておらず、Zr層を介してPdと水素分離膜のVが拡散していることがわかった。Zr層を緻密にすることで更に劣化抑制効果が得られると考えられる。
英文要約 In order to obtain the high efficiency of a fuel cell vehicles, its fuel hydrogen should be purified over 99.99%. A hydrogen purification membrane, which is needed to reach the purity, has been developed to get high permeability, low cost and low degradation at long term use. Palladium alloy is well known to be a hydrogen permeation membrane, and its thin film on a ceramic tube is developed to reduce the amount of palladium.
Non-palladium hydrogen permeation membranes are expected to reduce their cost and to avoid the use of precious metals. However, they have some problems at present. One of the most important problems is that they are broken at start up and shut down because of their high hydrogen solubility. And the second problem is hydrogen permeability decreases at long term use because thin palladium coating (about 0.1 micrometer) as a catalyst is diffused at high temperature. We developed a complex membrane of a hydrogen permeation material with a structural supporting material, and we found that its complex material is effective in avoiding breaking due to absorb and discharge of hydrogen at start up and shut down in the NEDO project of 2005-2007 fiscal year. Also, we found that the interlayer between a membrane and a palladium coating can keep down the diffusion of the palladium into the membrane.
 In this study, we tried to make small hydrogen permeation modules with the developed membranes and start up/ shut down tests were carried out. In order to make a module, welding process was studied for a thin complex metal membrane and a stainless steel plate, and the resistance seam welding was chosen. A module sample was tested as follows. A sample was heated at 400 degree C and hydrogen was introduced to 0.3 MPa, after a while the hydrogen was discharged and the sample was cooled down. The heating and cooling process was repeated and the leakage of the module was confirmed with helium gas at every cycles. Two samples were broken at 7 cycles, and there were holes at the welding parts. It was thought that the repeating life time can be elongated by optimizing the welding procedure.
It was found by Aujer electron microscopy analysis that zirconium interlayer has a potential to be a diffusion protection layer between palladium and vanadium.
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