Department of Engineering and Applied Sciences, Sophia University
「水素脆化」のメカニズムを解明し
低炭素社会を実現する新規材料開発を推進
「低炭素社会」さらには「脱炭素社会」を実現するために注目されるエネルギー資源、それは「水素」です。水からつくられ水に還り、環境に負荷を与えず、枯渇の心配もない̶̶。この理想的な資源を安全に利用するため、さまざまな研究開発が進められています。しかし、この水素に負の側面もあることはあまり知られていません。それは、金属材料を脆くしてしまう「水素脆化」という現象を引き起こすことです。皆さんも錆びてボロボロになった自転車などを見たことがあるでしょう。硬い鉄の場合、壊してしまう真犯人は「錆び」ではなく、「水素脆化」だというのです。これは、水素の微小な原子が金属材料の内部に潜り込むことで引き起こされる現象で、世界的な課題にも関わらず、未だにその詳しい原因はわかっていません。
水素の安全利用のためには、「水素脆化」のメカニズム解明が不可欠です。そこで、上智大学理工学部機能創造理工学科の高井研究室を含め、産官学70名以上のチームを組織し、その課題に挑んでいます。「水素脆化」の研究内容、そして、「水素脆化」に負けない新規材料の開発について、最新動向を伺いました。
注目される水素には“目に見えない”危険性がある
新しい材料を用いて、世界の環境・エネルギー問題の解決に貢献することが私の研究目的です。キーワードとなるのは、「水素」です。水素は、CO2を排出しない次世代エネルギー資源として注目されており、水素で動く燃料電池車の開発なども進められています。しかし、水素には“目に見えない”リスクもあります。
私の大きな研究テーマは、低炭素社会さらには脱炭素社会の実現に向けた自動車軽量化のための材料開発です。なかでも業界全体でめざしているのが、自動車車両重量の70％を占める鉄鋼材料の軽量化のための高強度化です。安全性を担保しつつ、車体が軽くなれば、燃費向上とCO2削減が実現できます。また、もう1つは、脱炭素社会の実現に向けた水素エネルギー社会用の高強度で安価な材料の開発です。しかし、金属材料の高強度化における大きな課題となるのが、「水素脆化」です。これは、水素原子が金属材料の構造を破壊して、脆くしてしまう現象です。例えば、古くなった鉄は、酸素との反応によって錆びます。しかし、酸素原子は鉄の構造の内部に入り込めないので、錆びは鉄の表面に留まります。ところが、極小の原子である水素は、金属の内部で互いに結合している鉄原子のすき間に滑り込み、その奥で「悪さ」をします。
金属の高強度化が「水素脆化」のリスクを高める
金属は本来、原子が格子状に規則正しく並ぶ形で結合しています。鉄の場合、原子同士のすき間は狭く、水素はなかなか入り込めません。ただ、原子が規則正しく結合した金属は、高強度を実現できない課題があります。そこで、鉄を超高温で焼き、一気に冷やすなどの工程で原子の規則正しい並びを壊すことで強度を高めます。強度を高めると鉄の内部に、不規則なすき間ができます。すると水素が入り込みやすくなり、今度は「脆化」のリスクが高まります。
求められるのは、耐水素脆化の特性を備えた高強度材料の開発です。そこで、当研究室では、水素脆化のメカニズム解明に取り組んでいます。具体的には、金属材料中の水素の存在状態と脆化の関係を研究しています。実験では、マイナス200℃という超低温から高温までの範囲で、金属中の水素原子の位置を特定できる装置を用います。取得データを用いて、現在は企業と連携して、耐水素脆化特性を備えた新規金属材料開発の設計指針提案に取り組んでいます。
金属材料中の水素原子の挙動に関するミクロな探究を通して、地球規模の環境・エネルギー問題の解決に挑めること。それが、この研究の面白さだと思います。研究では、産官学の共同研究を積極的に進めているほか、研究室を巣立っていった卒業生たちも自動車業界やエネルギー業界さらにはそれらを材料から支える鉄鋼メーカーで研究を続けており、研究ネットワークが年々広がっています。この研究室を「知の交流の場」として機能させることで、持続可能な社会の実現に貢献したいと思っています。
