WO2024224741A1 - アンモニア取扱装置及びその製造方法 - Google Patents

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孝太郎 水篠
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • This disclosure relates to an ammonia handling device and a method for manufacturing the same.
  • Ammonia does not contain carbon in its molecules and does not produce carbon dioxide when burned. Therefore, efforts are being made to use ammonia as a fuel in order to reduce carbon dioxide emissions into the atmosphere. However, ammonia is known to react with metals to form nitride compounds.
  • Patent Document 1 discloses a method for denitrifying exhaust gas, in which ammonia is injected from an ammonia injection device into high-temperature exhaust gas that contains nitrogen oxides and is in the high-temperature range of 480°C or higher, and catalytic reduction is performed using a denitrification catalyst.
  • an Fe-Al alloy layer containing 25-30% aluminum is formed on the steel surface.
  • the Fe-Al alloy layer used in the prior art may not be able to sufficiently suppress nitridation in an environment with a high ammonia concentration. Because nitride compounds are hard and brittle, for example, nitridation of the metal may cause a deterioration in the mechanical properties of the metal.
  • the present disclosure therefore aims to provide an ammonia handling device capable of suppressing nitridation caused by ammonia, and a method for manufacturing the same.
  • the ammonia handling device includes a reforming layer containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is provided with an ammonia contact portion configured so that ammonia comes into contact with the reforming layer.
  • the ammonia contact portion may include a metal substrate, and the modified layer may cover the metal substrate.
  • the metal substrate is nickel or a nickel alloy.
  • the ammonia that comes into contact with the modified layer may be at or above 200°C.
  • the ammonia handling device may be an ammonia-burning gas turbine, an ammonia-burning boiler, an ammonia-burning furnace, an ammonia fuel cell device, an ammonia-burning engine, an ammonia synthesis device, or a component contained therein.
  • the modified layer is formed by diffusing and infiltrating aluminum into nickel or a nickel alloy.
  • This disclosure provides an ammonia handling device capable of suppressing nitridation caused by ammonia, and a method for manufacturing the same.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an ammonia handling apparatus according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an ammonia-burning gas turbine according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an ammonia combustion boiler according to one embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an ammonia fuel cell device according to one embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an ammonia-fired engine according to one embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an ammonia synthesis apparatus according to one embodiment.
  • FIG. 7 is an SEM (scanning electron microscope) image showing that the measurement point of EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) is position A close to the outer surface of the modified layer.
  • FIG. 8 is an SEM image showing that the EDS measurement location is position B of the modified layer close to the metal substrate.
  • FIG. 9 is a graph comparing the nitride layer depths of the examples and the comparative examples.
  • the ammonia handling device 1 includes an ammonia contact section 10.
  • the ammonia contact section 10 includes a metal substrate 11 and a modified layer 12 that covers the metal substrate 11 and includes a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound.
  • the ammonia contact section 10 is configured so that ammonia comes into contact with the modified layer 12.
  • the metal substrate 11 is not particularly limited, but may be, for example, nickel, iron, magnesium, aluminum, or an alloy containing these elements. As described below, in cases where the modified layer 12 is formed by a diffusion and penetration process, the metal substrate 11 is preferably nickel or a nickel alloy.
  • the nickel alloy may be an alloy in which the nickel content is the highest by weight.
  • the nickel alloy may contain 50% or more by weight of nickel.
  • the nickel alloy may contain iron and chromium, and optionally at least one element selected from the group consisting of carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, nickel, molybdenum, cobalt, copper, tungsten, aluminum, titanium, niobium, tantalum, vanadium, rhenium, zirconium, boron, and nitrogen, with the balance being nickel and unavoidable impurities.
  • the unavoidable impurities are elements other than those mentioned above, and may also include the above-mentioned optional elements.
  • the total amount of unavoidable impurities contained in the nickel alloy may be 0.5% by weight or less, or may be 0.10% by weight or less.
  • the content of each element of the unavoidable impurities contained in the nickel alloy may be 0.05% by weight or less, or may be 0.01% by weight or less.
  • the iron content of the nickel alloy may be 1% by weight or more and 25% by weight or less.
  • the iron content of the nickel alloy may be 3% by weight or more, or 5% by weight or more.
  • the iron content of the nickel alloy may be 20% by weight or less, 16% by weight or less, or 12% by weight or less.
  • the chromium content of the nickel alloy may be 1% by weight or more and 35% by weight or less.
  • the chromium content of the nickel alloy may be 4% by weight or more, 8% by weight or more, or 12% by weight or more.
  • the chromium content of the nickel alloy may be 30% by weight or less, 25% by weight or less, or 20% by weight or less.
  • the modified layer 12 covers the metal substrate 11.
  • the modified layer 12 may cover the surface of the metal substrate 11 and be in direct contact with the metal substrate 11.
  • an intermediate layer (not shown), such as a platinum layer, may be provided between the metal substrate 11 and the modified layer 12, and the modified layer 12 may be in indirect contact with the metal substrate 11.
  • the modified layer 12 is disposed between the metal substrate 11 and the ammonia.
  • the modified layer 12 may cover at least a portion of the metal substrate 11 so that the metal substrate 11 does not come into contact with ammonia.
  • the metal substrate 11 when there is a portion where the reactivity between the metal substrate 11 and ammonia is low, such as when the temperature of ammonia is low or the concentration of ammonia is low, the metal substrate 11 does not have to be covered with the modified layer 12 in that portion. That is, the modified layer 12 may cover only the portion where the reactivity between the metal substrate 11 and ammonia is high. Therefore, the modified layer 12 may cover only a portion of the metal substrate 11, or may cover the entire surface of the metal substrate 11.
  • the modified layer 12 may be disposed on the outermost surface of the ammonia contact section 10.
  • a ceramic layer (not shown) or the like may be provided on the surface of the modified layer 12 opposite the metal substrate 11.
  • the modified layer 12 contains a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound.
  • the ⁇ -phase NiAl intermetallic compound has a higher effect of suppressing nitridation caused by ammonia than an intermetallic compound of iron and aluminum.
  • the ⁇ -phase NiAl intermetallic compound has a higher effect of suppressing nitridation caused by ammonia than a ⁇ -phase (FCC solid solution) and a ⁇ '-phase (Ni 3 Al).
  • the ⁇ -phase NiAl intermetallic compound has a high effect of suppressing nitridation caused by ammonia and is not easily nitrided even when in contact with ammonia, so that the nitridation of the metal substrate 11 can be suppressed by covering the metal substrate 11 with the modified layer 12.
  • the modified layer 12 may be a single layer of a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound.
  • the ratio of the number of aluminum atoms to the total number of nickel and aluminum atoms is preferably 25% or more and 60% or less.
  • a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound can be generated in the modified layer 12.
  • the ratio of the number of aluminum atoms to the total number of nickel and aluminum atoms may be 30% or more, 35% or more, or 40% or more.
  • the ratio of the number of aluminum atoms to the total number of nickel and aluminum atoms may be 55% or less.
  • the content of the ⁇ -phase NiAl intermetallic compound in the modified layer 12 may be 50% or more, 60% or more, 70% or more, or 80% or more in atomic ratio.
  • the modified layer 12 may contain elements contained in the metal substrate 11 in addition to nickel and aluminum.
  • the modified layer 12 may contain at least one element selected from the group consisting of carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, molybdenum, cobalt, copper, tungsten, titanium, niobium, tantalum, vanadium, rhenium, zirconium, boron, and nitrogen in addition to nickel and aluminum.
  • the modified layer 12 may also contain a platinum group element such as platinum in addition to nickel and aluminum.
  • the thickness of the modified layer 12 is preferably 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. When the thickness of the modified layer 12 is 10 ⁇ m or more, nitridation can be more reliably suppressed. Furthermore, when the thickness of the modified layer 12 is 100 ⁇ m or less, the modified layer 12 can be easily formed on the metal substrate 11.
  • the thickness of the modified layer 12 may be 15 ⁇ m or more, 20 ⁇ m or more, or 25 ⁇ m or more. Furthermore, the thickness of the modified layer 12 may be 80 ⁇ m or less, 60 ⁇ m or less, or 40 ⁇ m or less.
  • the modified layer 12 can be formed by diffusing and penetrating aluminum into nickel or a nickel alloy using a diffusion and penetration process such as a pack method, a gas phase method, or a slurry method.
  • a diffusion and penetration process such as a pack method, a gas phase method, or a slurry method.
  • the aluminum concentration and thickness in the modified layer 12 can be adjusted by the concentration of the aluminum or aluminum alloy powder and the processing time, respectively.
  • the modified layer 12 can also be formed on the surface of the metal substrate 11 by a method such as thermal spraying, build-up welding, plating, or powder spraying.
  • the metal substrate 11 is not particularly limited and may be a metal other than nickel or a nickel alloy.
  • a heat treatment may be performed.
  • the conditions of the heat treatment are not particularly limited as long as a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound can be generated, and may be, for example, 850°C or higher and 1100°C or lower. By setting the heat treatment temperature to 850°C or higher, NiAl intermetallic compounds are easily generated. In addition, by setting the heat treatment temperature to 1100°C or lower, the influence on the metal substrate 11 can be reduced.
  • the heat treatment time may be, for example, 0.5 hours or more. By setting the heat treatment time to 0.5 hours or more, the thickness of the modified layer 12 can be increased.
  • the thickness of the modified layer 12 tends to increase as the heat treatment time is increased, but once the modified layer 12 reaches a certain thickness, the thickness of the modified layer 12 does not depend so much on the time even if the heat treatment time is increased. Therefore, from the viewpoint of manufacturing efficiency, the upper limit of the heat treatment time may be 12 hours or less, 8 hours or less, or 6 hours or less.
  • the ammonia contact section 10 includes the metal substrate 11 and the modified layer 12 has been described.
  • the ammonia contact section 10 does not have to include the metal substrate 11. Even if the ammonia contact section 10 does not include the metal substrate 11, the modified layer 12 can suppress nitridation caused by ammonia.
  • the ammonia contact section 10 that does not include the metal substrate 11 can be manufactured, for example, by melting a NiAl alloy.
  • the ammonia contact section 10 that does not include the metal substrate 11 can be obtained by forming the modified layer 12 on the surface of a temporary substrate by a method such as powder spraying as described above, and then removing the temporary substrate. Such an ammonia contact section 10 may be subjected to heat treatment after forming the modified layer 12 as described above.
  • the ammonia contact section 10 is configured so that ammonia comes into contact with the modified layer 12.
  • the modified layer 12 is capable of suppressing nitridation caused by ammonia even at high temperatures, so the ammonia in contact with the modified layer 12 may be at least 200°C.
  • the ammonia in contact with the modified layer 12 may be at least 300°C, at least 400°C, or at least 500°C.
  • the ammonia in contact with the modified layer 12 may be at most 1000°C, for example.
  • the ammonia handling apparatus 1 may be an ammonia combustion gas turbine, an ammonia combustion boiler, an ammonia combustion furnace, an ammonia fuel cell apparatus, an ammonia-fired engine, an ammonia synthesis apparatus, or a component included therein.
  • the ammonia handling apparatus 1 will be described in detail below.
  • the ammonia handling apparatus 1 is an ammonia combustion gas turbine 100.
  • Fig. 2 is a schematic diagram showing the ammonia combustion gas turbine 100 according to one embodiment. As shown in Fig. 2, the ammonia combustion gas turbine 100 according to this embodiment includes a compressor 110, a combustion device 120, and a turbine 130.
  • the compressor 110 takes in external air, compresses it, and supplies the compressed air to the combustion device 120.
  • the compressor 110 is mechanically connected to the generator G and the turbine 130 via the rotating shaft 111.
  • the combustion device 120 uses the air sent from the compressor 110 to burn fuel containing ammonia and generate combustion gas.
  • the combustion device 120 includes a burner 121, a liner 126, a transition piece 127, and a casing 128.
  • the burner 121 injects ammonia into the combustion chamber 140 and burns the ammonia.
  • the burner 121 includes a supply pipe 122, a nozzle 123, an air supplier 124, and a liner head 125.
  • the supply pipe 122 is connected to the nozzle 123, and fuel containing ammonia is supplied to the nozzle 123 from a fuel tank (not shown) through the supply pipe 122.
  • the nozzle 123 injects the fuel containing ammonia into the combustion chamber 140.
  • the air supplier 124 supplies air sent from the compressor 110 through an air flow path 141 into the combustion chamber 140.
  • the liner head 125 is an upstream end wall that constitutes the combustion chamber 140. The burner 121 then combusts the fuel injected into the combustion chamber 140 to generate combustion gas.
  • the combustion chamber 140 is formed by components including a liner 126 and a transition piece 127.
  • the burner 121 is connected to the front end of the liner 126.
  • the transition piece 127 is connected to the rear end of the liner 126 opposite the burner 121.
  • the transition piece 127 connects the rear end of the liner 126 to the inlet of the turbine 130. Combustion gases generated in the combustion chamber 140 by the burner 121 are supplied to the turbine 130 via the transition piece 127.
  • the turbine 130 includes turbine blades (not shown), which rotate as the combustion gas generated by the combustion device 120 passes through them.
  • the turbine blades of the turbine 130 are mechanically connected to the compressor 110 via the rotating shaft 111. Therefore, as the turbine blades rotate, the rotation of the compressor 110 is promoted, driving the generator G to generate electricity.
  • pre-combustion ammonia or unburned ammonia at high temperatures passes through the supply pipe 122, nozzle 123, liner head 125, liner 126, transition piece 127, and turbine 130. If ammonia comes into contact with the metal materials that make up these components, nitrides may be produced.
  • the ammonia-burning gas turbine 100 is therefore equipped with an ammonia contact section 10.
  • the components of the ammonia-burning gas turbine 100 namely, the supply pipe 122, the nozzle 123, the liner head 125, the liner 126, the transition piece 127 and the turbine 130, are equipped with the ammonia contact section 10.
  • the ammonia contact section 10 includes a modified layer 12 containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is configured so that ammonia comes into contact with the modified layer 12. Therefore, the ammonia contact section 10 can suppress nitridation caused by ammonia.
  • the ammonia combustion boiler 200 includes a furnace 210, a combustion gas horizontal movement section 220, a combustion gas descending section 230, and a burner 240.
  • the furnace 210 extends in the vertical direction, and the combustion gas horizontal movement section 220 is connected to the upper part of the furnace 210, which is the downstream side of the furnace 210.
  • the combustion gas horizontal movement section 220 extends horizontally from the upper part of the furnace 210.
  • the combustion gas downward movement section 230 is downstream of the combustion gas horizontal movement section 220, and is connected to the end of the combustion gas horizontal movement section 220 opposite the furnace 210.
  • the combustion gas downward movement section 230 extends downward from the end of the combustion gas horizontal movement section 220, and exhausts the combustion gas generated in the furnace 210 to the outside.
  • a number of burners 240 are provided on the lower wall of the furnace 210.
  • the burners 240 include nozzles and inject fuel containing ammonia into the furnace 210.
  • the fuel injected from the burners 240 is burned in the furnace 210, generating high-temperature combustion gases.
  • the fuel may also include a carbon-containing fuel such as pulverized coal.
  • pre-combustion ammonia or unburned ammonia at high temperatures passes through the furnace 210, the combustion gas horizontal movement section 220, the combustion gas downward section 230, and the burner 240. If ammonia comes into contact with the metal materials that make up these components, nitrides may be produced.
  • the ammonia combustion boiler 200 is therefore equipped with an ammonia contact section 10.
  • the components included in the ammonia combustion boiler 200 namely the furnace 210, the combustion gas horizontal movement section 220, the combustion gas descending section 230 and the burner 240, are equipped with the ammonia contact section 10.
  • the ammonia contact section 10 includes a reforming layer 12 containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is configured so that ammonia comes into contact with the reforming layer 12. Therefore, the ammonia contact section 10 can suppress nitridation caused by ammonia.
  • an ammonia combustion furnace Similar to the ammonia combustion boiler 200, an ammonia combustion furnace such as an industrial furnace also includes a burner. Ammonia before combustion or unburned ammonia at a high temperature, such as 200° C. or higher, passes through the furnace and the burner. When ammonia comes into contact with the metal materials that constitute these, nitrides may be generated.
  • the ammonia combustion furnace is therefore equipped with an ammonia contact section 10.
  • the furnace and burner which are components included in the ammonia combustion furnace, are equipped with an ammonia contact section 10.
  • the ammonia contact section 10 includes a modified layer 12 containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is configured so that ammonia comes into contact with the modified layer 12. Therefore, the ammonia contact section 10 can suppress nitridation caused by ammonia.
  • ammonia fuel cell device 300 Next, an ammonia fuel cell device 300 according to this embodiment will be described with reference to Fig. 4. As shown in Fig. 4, the ammonia fuel cell device 300 includes a fuel cell main body 310, an ammonia decomposer 320, and a heat exchanger 330.
  • the fuel cell main body 310 includes a fuel electrode 311, a cathode 312, and an electrolyte 313.
  • the fuel cell main body 310 according to this embodiment is an SOFC.
  • hydrogen is oxidized to generate an anode off-gas containing water (water vapor).
  • oxygen ions move from the cathode 312 to the fuel electrode 311.
  • the oxygen ions are reduced to generate a cathode off-gas containing oxygen.
  • a fuel supply pipe 314 is connected to the inlet of the fuel electrode 311, and hydrogen is supplied to the fuel electrode 311.
  • An ammonia decomposer 320 and a heat exchanger 330 are provided in the fuel supply pipe 314, and ammonia is supplied from a tank (not shown) that contains ammonia to the ammonia decomposer 320 and the heat exchanger 330 and decomposed to generate hydrogen.
  • An anode exhaust pipe 315 is connected to the outlet of the fuel electrode 311, and anode off-gas generated at the fuel electrode 311 is exhausted from within the fuel cell main body 310.
  • a heat exchanger 330 is provided in the anode exhaust pipe 315.
  • a cathode exhaust pipe 316 is connected to the outlet of the air electrode 312, and cathode off-gas generated at the air electrode 312 is exhausted from within the fuel cell main body 310.
  • a heat exchanger 330 is provided in the cathode exhaust pipe 316.
  • the ammonia decomposer 320 decomposes ammonia to produce hydrogen.
  • the ammonia decomposer 320 contains an ammonia decomposition catalyst, such as a ruthenium catalyst or a nickel catalyst, in a container, and when ammonia comes into contact with the catalyst at a temperature of, for example, 400°C or higher and 800°C or lower, it is decomposed into hydrogen and nitrogen.
  • an ammonia decomposition catalyst such as a ruthenium catalyst or a nickel catalyst
  • the heat exchanger 330 is connected to the fuel supply pipe 314, the anode exhaust pipe 315, and the cathode exhaust pipe 316.
  • the heat exchanger 330 exchanges the heat of the anode off-gas discharged from the fuel electrode 311 and the heat of the cathode off-gas discharged from the air electrode 312 with the heat of the fuel supplied to the fuel electrode 311 from the ammonia decomposer 320 via the fuel supply pipe 314.
  • the fuel contains ammonia that was not decomposed in the ammonia decomposer 320 and remains there, and the above-mentioned ammonia decomposition catalyst that decomposes ammonia is disposed in the flow path through which the fuel passes in the heat exchanger 330. Therefore, the heat exchanger 330 decomposes the ammonia remaining in the fuel to generate hydrogen.
  • pre-combustion ammonia or unburned ammonia at high temperatures passes through the fuel cell main body 310, ammonia decomposer 320, heat exchanger 330, fuel supply pipe 314, and anode exhaust pipe 315. If ammonia comes into contact with the metal materials that make up these components, nitrides may be produced.
  • the ammonia fuel cell device 300 is therefore equipped with an ammonia contact section 10.
  • the components included in the ammonia fuel cell device 300 namely the fuel cell main body 310, the ammonia decomposer 320, the heat exchanger 330, the fuel supply pipe 314 and the anode exhaust pipe 315, are equipped with the ammonia contact section 10.
  • the ammonia contact section 10 includes a reforming layer 12 containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is configured so that ammonia comes into contact with the reforming layer 12. Therefore, the ammonia contact section 10 can suppress nitridation caused by ammonia.
  • the ammonia-fired engine 400 includes a cylinder block 410, a cylinder head 420, and a piston 430.
  • the cylinder block 410 has a cylinder 411.
  • the piston 430 is disposed within the cylinder 411.
  • a combustion chamber 440 is disposed within the cylinder 411, between the cylinder head 420 and the piston 430.
  • the cylinder head 420 is provided with an injection unit 421 that injects fuel containing ammonia into the combustion chamber 440.
  • the cylinder head 420 has an intake port 422 and an exhaust port 423 that communicate with the combustion chamber 440.
  • the cylinder head 420 is provided with an intake valve 424 that can open and close the intake port 422 of the cylinder head 420 from the combustion chamber 440 side. When the intake valve 424 is opened, air is supplied to the combustion chamber 440 through the intake port 422.
  • the cylinder head 420 is also provided with an exhaust valve 425 that can open and close the exhaust port 423 of the cylinder head 420 from the combustion chamber 440 side. When the exhaust valve 425 is opened, exhaust gas generated by the combustion of fuel in the combustion chamber 440 is discharged to the outside of the ammonia-fired engine 400 through the exhaust port 423.
  • pre-combustion ammonia or unburned ammonia at high temperatures passes through the cylinder 411, exhaust port 423, intake valve 424, exhaust valve 425, and piston 430. If ammonia comes into contact with the metal materials that make up these components, nitrides may be produced.
  • the ammonia-fired engine 400 is therefore equipped with an ammonia contact section 10.
  • the components of the ammonia-fired engine 400 namely the cylinder 411, the exhaust port 423, the intake valve 424, the exhaust valve 425 and the piston 430, are equipped with the ammonia contact section 10.
  • the ammonia contact section 10 includes a modified layer 12 containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is configured so that ammonia comes into contact with the modified layer 12. Therefore, the ammonia contact section 10 can suppress nitridation caused by ammonia.
  • the ammonia synthesis apparatus 500 includes a raw material supply section 510 and a reactor 520.
  • the raw material supply unit 510 supplies nitrogen and hydrogen, which are raw materials for ammonia, to the reactor 520.
  • the raw material supply unit 510 supplies a mixed raw material containing ammonia and nitrogen to the reactor 520 via the raw material supply piping 530.
  • the raw material supply unit 510 may include an ammonia supply unit that supplies ammonia to the reactor 520, and a nitrogen supply unit that supplies nitrogen to the reactor 520.
  • the reactor 520 produces ammonia from raw materials containing nitrogen and hydrogen supplied from the raw material supply unit 510.
  • the reactor 520 contains an ammonia catalyst structure 525 that produces ammonia from nitrogen and hydrogen.
  • the production of ammonia is promoted by contacting the raw materials containing nitrogen and hydrogen with the ammonia catalyst structure 525.
  • the type of the reactor 520 and the reaction conditions within the reactor 520 are not particularly limited.
  • the ammonia produced in the reactor 520 is discharged from the reactor 520 through an exhaust pipe 531.
  • the ammonia catalyst structure 525 includes a catalyst such as an iron-based catalyst, a metal carrier that supports the catalyst, and a metal casing that houses the catalyst and the metal carrier.
  • a catalyst such as an iron-based catalyst
  • a metal carrier that supports the catalyst
  • a metal casing that houses the catalyst and the metal carrier.
  • pre-combustion ammonia or unburned ammonia at high temperatures passes through the reactor 520, the ammonia catalyst structure 525, and the exhaust pipe 531. If ammonia comes into contact with the metal materials that make up these components, nitrides may be produced.
  • the ammonia synthesis apparatus 500 is therefore equipped with an ammonia contact section 10.
  • the components included in the ammonia synthesis apparatus 500 that is, the reactor 520, the metal carrier and metal casing included in the ammonia catalyst structure 525, and the exhaust pipe 531, are equipped with the ammonia contact section 10.
  • the ammonia contact section 10 includes a reforming layer 12 containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is configured so that ammonia comes into contact with the reforming layer 12. Therefore, the ammonia contact section 10 can suppress nitridation caused by ammonia.
  • the ammonia handling device 1 includes a reforming layer 12 containing a ⁇ -phase NiAl intermetallic compound, and is equipped with an ammonia contact section 10 configured so that ammonia comes into contact with the reforming layer 12.
  • Beta-phase NiAl intermetallic compounds have a high effect of suppressing nitridation caused by ammonia, and are not easily nitrided even when in contact with ammonia. Therefore, the ammonia handling device 1 according to this embodiment can suppress nitridation caused by ammonia.
  • ALLOY600 is an alloy containing 16 wt% Cr and 8 wt% Fe, with the balance being Ni and unavoidable impurities.
  • a mixed powder containing an aluminum alloy powder, alumina as a sintering inhibitor, and ammonium chloride as an activator was also prepared.
  • the nickel alloy was buried in the mixed powder and heated at around 900°C for about 1.5 hours, and a diffusion and penetration process was carried out to diffuse aluminum into the surface of the nickel alloy using the pack cementation method, obtaining the sample for this example.
  • FIG. 7 is an SEM image showing that the EDS measurement location was position A, which is close to the outer surface of the modified layer.
  • Figure 8 is an SEM image showing that the EDS measurement location was position B, which is close to the metal substrate of the modified layer.
  • Table 1 shows the EDS measurement results at position A.
  • Table 2 shows the EDS measurement results at position B.
  • Comparative Example 1 A sample was obtained in the same manner as in the example, except that the nickel alloy ALLOY600 was replaced with a stainless steel SUS310S containing 25% by weight of Cr and 20% by weight of Ni, with the balance being Fe and unavoidable impurities.
  • ALLOY738LC contains 8.5% by weight of cobalt, 16.0% by weight of chromium, 1.8% by weight of molybdenum, 2.6% by weight of tungsten, 1.8% by weight of tantalum, 3.4% by weight of aluminum, 3.4% by weight of titanium, 0.9% by weight of niobium, 0.10% by weight of carbon, 0.010% by weight of boron, and 0.060% by weight of zirconium, with the balance being nickel and inevitable impurities.
  • ALLOY738LC is a nickel alloy in which the ratio of the number of aluminum atoms to the total number of nickel and aluminum atoms is about 11%, and it is known to contain ⁇ phase and ⁇ ' phase. With such an aluminum ratio, unlike the sample of the example, ⁇ phase does not appear.
  • the nitridation of the sample of Comparative Example 1 was slightly suppressed compared to the sample of Comparative Example 2, or was almost the same.
  • the nitridation of the sample of Comparative Example 3 was suppressed compared to the samples of Comparative Examples 1 and 2, but the nitridation of the sample of the Example was suppressed even more, with the nitride layer depth being below the detection limit.
  • the ⁇ -phase NiAl intermetallic compound can further suppress nitridation caused by ammonia compared to the ⁇ -phase and ⁇ '-phase. From these results, it is considered that nitridation caused by ammonia can be suppressed by generating a dense aluminum nitride layer in the ⁇ -phase, even when exposed to a high-temperature ammonia environment.

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Abstract

アンモニア取扱装置（１）は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層（１２）を含み、アンモニアが改質層（１２）と接するように構成されたアンモニア接触部（１０）を備える。アンモニア接触部（１０）は金属基材（１１）を含み、改質層（１２）は金属基材（１１）を覆ってもよい。

Description

アンモニア取扱装置及びその製造方法
　本開示は、アンモニア取扱装置及びその製造方法に関する。
　アンモニアは、分子中に炭素を含んでおらず、燃焼させても二酸化炭素を発生しない。そのため、大気中への二酸化炭素排出量を低減するため、アンモニアを燃料として利用する取り組みがされている。しかしながら、アンモニアは、金属と反応して窒化化合物を形成することが知られている。
　特許文献１には、窒素酸化物を含み４８０℃以上の高温域にある高温排気ガス中にアンモニア注入装置からアンモニアを注入し、脱硝触媒により接触還元を行なう排気ガスの脱硝方法が開示されている。アンモニア注入装置は、鋼材表面に２５～３０％のアルミニウムを含有するＦｅ－Ａｌ合金層が形成されている。
特開平６－１１４２３６号公報
　しかしながら、先行技術のようなＦｅ－Ａｌ合金層では、アンモニア濃度の高い環境下において、窒化を十分に抑制することができないおそれがある。窒化化合物は、硬くて脆い特性を有しているため、例えば、金属の窒化により、金属の機械特性などが低下するおそれがある。
　そこで、本開示は、アンモニアによる窒化を抑制することが可能なアンモニア取扱装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本開示に係るアンモニア取扱装置は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層を含み、アンモニアが改質層と接するように構成されたアンモニア接触部を備える。
　アンモニア接触部は金属基材を含み、改質層は金属基材を覆ってもよい。
　金属基材はニッケル又はニッケル合金である。
　改質層と接触するアンモニアは２００℃以上であってもよい。
　アンモニア取扱装置は、アンモニア燃焼ガスタービン、アンモニア燃焼ボイラ、アンモニア燃焼炉、アンモニア燃料電池装置、アンモニア焚きエンジン、アンモニア合成装置、又は、これらに含まれる構成要素であってもよい。
　本開示に係るアンモニア取扱装置の製造方法では、改質層は、ニッケル又はニッケル合金に、アルミニウムを拡散浸透させることによって形成する。
　本開示によれば、アンモニアによる窒化を抑制することが可能なアンモニア取扱装置及びその製造方法を提供することができる。
図１は、一実施形態に係るアンモニア取扱装置を示す概略図である。 図２は、一実施形態に係るアンモニア燃焼ガスタービンを示す概略図である。 図３は、一実施形態に係るアンモニア燃焼ボイラを示す概略図である。 図４は、一実施形態に係るアンモニア燃料電池装置を示す概略図である。 図５は、一実施形態に係るアンモニア焚きエンジンを示す概略図である。 図６は、一実施形態に係るアンモニア合成装置を示す概略図である。 図７は、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）の測定箇所が改質層の外表面に近い位置Ａであることを示すＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像である。 図８は、ＥＤＳの測定箇所が改質層の金属基材に近い位置Ｂであることを示すＳＥＭ像である。 図９は、実施例及び比較例の窒化層深さを比較したグラフである。
　以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
　アンモニア取扱装置１は、図１に示すように、アンモニア接触部１０を備えている。アンモニア接触部１０は、金属基材１１と、金属基材１１を覆い、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２とを含んでいる。アンモニア接触部１０は、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。
　金属基材１１は、特に限定されないが、例えば、ニッケル、鉄、マグネシウム、アルミニウム、又はこれらの元素を含む合金であってもよい。後述するように、拡散浸透処理によって改質層１２を形成する場合などには、金属基材１１は、ニッケル又はニッケル合金であることが好ましい。
　ニッケル合金は、合金中のニッケルの含有量が重量比で最も多い合金であってもよい。また、ニッケル合金は、ニッケルを５０重量％以上含んでいてもよい。ニッケル合金は、鉄及びクロム、並びに、任意で炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、ニッケル、モリブデン、コバルト、銅、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、タンタル、バナジウム、レニウム、ジルコニウム、ホウ素及び窒素からなる群より選択される少なくとも一種の元素を含み、残部がニッケル及び不可避不純物であってもよい。不可避不純物は、上記以外の元素であり、上記任意元素も含まれ得る。ニッケル合金中に含まれる不可避不純物の合計量は、０．５重量％以下であってもよく、０．１０重量％以下であってもよい。また、ニッケル合金中に含まれる不可避不純物の個々の元素の含有量は０．０５重量％以下であってもよく、０．０１重量％以下であってもよい。
　ニッケル合金に含まれる鉄の含有量は、１重量％以上２５重量％以下であってもよい。ニッケル合金に含まれる鉄の含有量は、３重量％以上であってもよく、５重量％以上であってもよい。ニッケル合金に含まれる鉄の含有量は、２０重量％以下であってもよく、１６重量％以下であってもよく、１２重量％以下であってもよい。
　ニッケル合金に含まれるクロムの含有量は、１重量％以上３５重量％以下であってもよい。ニッケル合金に含まれるクロムの含有量は、４重量％以上であってもよく、８重量％以上であってもよく、１２重量％以上であってもよい。また、ニッケル合金に含まれるクロムの含有量は、３０重量％以下であってもよく、２５重量％以下であってもよく、２０重量％以下であってもよい。
　改質層１２は、金属基材１１を覆っている。改質層１２は、金属基材１１の表面を覆い、金属基材１１と直接接していてもよい。また、金属基材１１と改質層１２との間に白金層などの図示しない介在層が設けられ、改質層１２は金属基材１１と間接的に接していてもよい。改質層１２は、金属基材１１とアンモニアとの間に配置されている。改質層１２は、金属基材１１がアンモニアと接しないように、金属基材１１の少なくとも一部を覆っていればよい。
　ただし、アンモニア接触部１０において、アンモニアの温度が低い場合及びアンモニアの濃度が低い場合など、金属基材１１とアンモニアとの反応性が低い部分が存在する場合、その部分においては、金属基材１１は改質層１２で覆われていなくてもよい。すなわち、改質層１２は、金属基材１１とアンモニアとの反応性が高い部分のみを覆っていてもよい。したがって、改質層１２は、金属基材１１の一部のみを覆っていてもよく、金属基材１１の全表面を覆っていてもよい。改質層１２は、アンモニア接触部１０の最表面に配置されていてもよい。また、改質層１２の金属基材１１とは反対側の面に図示しないセラミックス層などが設けられてもよい。
　改質層１２は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含んでいる。β相ＮｉＡｌ金属間化合物は、鉄とアルミニウムとの金属間化合物よりも、アンモニアによる窒化の抑制効果が高い。また、β相ＮｉＡｌ金属間化合物は、γ相（ＦＣＣ固溶体）及びγ’相（Ｎｉ３Ａｌ）よりも、アンモニアによる窒化の抑制効果が高い。β相ＮｉＡｌ金属間化合物は、アンモニアによる窒化の抑制効果が高く、アンモニアと接していても窒化されにくいため、金属基材１１を改質層１２で覆うことにより、金属基材１１の窒化を抑制することができる。なお、改質層１２は、単層のβ相ＮｉＡｌ金属間化合物であってもよい。
　改質層１２において、ニッケル及びアルミニウムの原子数の合計に対するアルミニウムの原子数の割合は、２５％以上６０％以下であることが好ましい。アルミニウムの含有量がこのような範囲である場合、改質層１２内にβ相ＮｉＡｌ金属間化合物を生成することができる。改質層１２において、ニッケル及びアルミニウムの原子数の合計に対するアルミニウムの原子数の割合は、３０％以上であってもよく、３５％以上であってもよく、４０％以上であってもよい。また、改質層１２において、ニッケル及びアルミニウムの原子数の合計に対するアルミニウムの原子数の割合は、５５％以下であってもよい。なお、改質層１２におけるβ相ＮｉＡｌ金属間化合物の含有量は、原子比で５０％以上であってもよく、６０％以上であってもよく、７０％以上であってもよく、８０％以上であってもよい。
　改質層１２は、ニッケル及びアルミニウムに加え、金属基材１１に含まれる元素を含んでいてもよい。例えば、改質層１２は、ニッケル及びアルミニウムに加え、炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、モリブデン、コバルト、銅、タングステン、チタン、ニオブ、タンタル、バナジウム、レニウム、ジルコニウム、ホウ素及び窒素からなる群より選択される少なくとも一種の元素を含んでいてもよい。また、改質層１２は、ニッケル及びアルミニウムに加え、白金のような白金族元素を含んでいてもよい。
　改質層１２の厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。改質層１２の厚さが１０μｍ以上である場合、窒化をさらに確実に抑制することができる。また、改質層１２の厚さが１００μｍ以下である場合、改質層１２を金属基材１１上に容易に形成することができる。なお、改質層１２の厚さは、１５μｍ以上であってもよく、２０μｍ以上であってもよく、２５μｍ以上であってもよい。また、改質層１２の厚さは、８０μｍ以下であってもよく、６０μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。
　アンモニア取扱装置１の製造方法においては、改質層１２は、ニッケル又はニッケル合金に、パック法、気相法又はスラリー法などのような拡散浸透処理でアルミニウムを拡散浸透させることによって形成することができる。例えば、パック法で改質層１２を形成する場合、アルミニウム又はアルミニウム合金粉末の濃度及び処理時間によって改質層１２におけるアルミニウム濃度及び厚さをそれぞれ調節することができる。また、改質層１２は、溶射、肉盛溶接、めっき、粉末吹き付けなどの方法によって、金属基材１１の表面に形成することができる。これらの方法で改質層１２を形成する場合、金属基材１１は、特に限定されず、ニッケル又はニッケル合金以外の金属であってもよい。
　改質層１２を金属基材１１上に形成した後、熱処理を実施してもよい。熱処理の条件は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を生成することができれば特に限定されず、例えば、８５０℃以上１１００℃以下であってもよい。熱処理の温度を８５０℃以上とすることで、ＮｉＡｌ金属間化合物を生成しやすくなる。また、熱処理温度を１１００℃以下とすることにより、金属基材１１への影響を低減することができる。熱処理時間は、例えば、０．５時間以上であってもよい。熱処理時間を０．５時間以上とすることにより、改質層１２の厚さを厚くすることができる。拡散浸透処理の場合、熱処理時間を長くすると、改質層１２の厚さが厚くなる傾向にあるが、ある程度の厚さになると、熱処理時間を長くしても、改質層１２の厚さがそれほど時間に依存しなくなる。そのため、製造効率の観点から、熱処理時間の上限は、１２時間以下であってもよく、８時間以下であってもよく、６時間以下であってもよい。
　なお、本実施形態では、アンモニア接触部１０が、金属基材１１と改質層１２とを含む例について説明した。しかしながら、アンモニア接触部１０は、金属基材１１を含んでいなくてもよい。アンモニア接触部１０が金属基材１１を含んでいなくても、改質層１２によってアンモニアによる窒化を抑制することができる。金属基材１１を含まないアンモニア接触部１０は、例えば、ＮｉＡｌ合金を溶製することによって製造することができる。また、金属基材１１を含まないアンモニア接触部１０は、仮基材の表面に、上記のような粉末吹き付けなどの方法によって改質層１２を形成し、その後仮基材を取り除くことで得ることができる。これらのようなアンモニア接触部１０は、上述したように、改質層１２を形成した後、熱処理を実施してもよい。
　アンモニア接触部１０は、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。改質層１２は、高温の温度下でもアンモニアによる窒化を抑制することが可能であるため、改質層１２と接触するアンモニアは２００℃以上であってもよい。改質層１２と接触するアンモニアは、３００℃以上であってもよく、４００℃以上であってもよく、５００℃以上であってもよい。改質層１２と接触するアンモニアは、例えば１０００℃以下であってもよい。
　次に、アンモニア取扱装置１について説明する。本実施形態に係るアンモニア取扱装置１は、アンモニア燃焼ガスタービン、アンモニア燃焼ボイラ、アンモニア燃焼炉、アンモニア燃料電池装置、アンモニア焚きエンジン、アンモニア合成装置、又は、これらに含まれる構成要素などであってもよい。以下、各アンモニア取扱装置１について詳細に説明する。
　（アンモニア燃焼ガスタービン）
　まず、アンモニア取扱装置１が、アンモニア燃焼ガスタービン１００である例について説明する。図２は、一実施形態に係るアンモニア燃焼ガスタービン１００を示す概略図である。図２に示すように、本実施形態に係るアンモニア燃焼ガスタービン１００は、圧縮機１１０と、燃焼装置１２０と、タービン１３０とを備えている。
　圧縮機１１０は、外部の空気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気を燃焼装置１２０に供給する。圧縮機１１０は、回転軸１１１を介して発電機Ｇ及びタービン１３０と機械的に接続されている。
　燃焼装置１２０は、圧縮機１１０から送られてきた空気を用い、アンモニアを含む燃料を燃焼し、燃焼ガスを生成する。燃焼装置１２０は、バーナ１２１と、ライナ１２６と、トランジションピース１２７と、ケーシング１２８とを含んでいる。
　バーナ１２１は、アンモニアを燃焼室１４０内に噴射し、アンモニアを燃焼する。バーナ１２１は、供給配管１２２と、ノズル１２３と、空気供給器１２４と、ライナヘッド１２５とを含んでいる。供給配管１２２にはノズル１２３が接続されており、図示しない燃料タンクから供給配管１２２を介し、アンモニアを含む燃料がノズル１２３に供給される。ノズル１２３は、アンモニアを含む燃料を燃焼室１４０内に噴射する。空気供給器１２４は、圧縮機１１０から空気流路１４１を通じて送られてきた空気を燃焼室１４０内に供給する。ライナヘッド１２５は、燃焼室１４０を構成する上流側の端壁である。そして、バーナ１２１は、燃焼室１４０内に噴射された燃料を燃焼し、燃焼ガスを生成する。
　燃焼室１４０は、ライナ１２６及びトランジションピース１２７を含む部材によって形成されている。ライナ１２６の前端にはバーナ１２１が接続されている。ライナ１２６のバーナ１２１とは反対側の後端には、トランジションピース１２７が接続されている。トランジションピース１２７は、ライナ１２６の後端とタービン１３０の入口とを接続している。バーナ１２１によって燃焼室１４０内で生成された燃焼ガスは、トランジションピース１２７を介してタービン１３０に供給される。
　タービン１３０は図示しないタービン翼を含んでおり、タービン翼は燃焼装置１２０で生成された燃焼ガスの通過によって回転する。タービン１３０のタービン翼は、回転軸１１１を介して圧縮機１１０と機械的に接続されている。そのため、タービン翼の回転に伴って、圧縮機１１０の回転が促進され、発電機Ｇが駆動して電気が生成される。
　ここで、供給配管１２２、ノズル１２３、ライナヘッド１２５、ライナ１２６、トランジションピース１２７及びタービン１３０には、２００℃以上のような高温の燃焼前のアンモニア又は未燃焼のアンモニアが通過する。アンモニアとこれらを構成する金属材料とが接すると、窒化物が生成されるおそれがある。
　そこで、アンモニア燃焼ガスタービン１００は、アンモニア接触部１０を備えている。具体的には、アンモニア燃焼ガスタービン１００に含まれる構成要素である供給配管１２２、ノズル１２３、ライナヘッド１２５、ライナ１２６、トランジションピース１２７及びタービン１３０は、アンモニア接触部１０を備えている。アンモニア接触部１０は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２を含み、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。そのため、アンモニア接触部１０は、アンモニアによる窒化を抑制することができる。
　（アンモニア燃焼ボイラ）
　次に、本実施形態に係るアンモニア燃焼ボイラ２００について図３を用いて説明する。図３に示すように、本実施形態に係るアンモニア燃焼ボイラ２００は、火炉２１０と、燃焼ガス水平移動部２２０と、燃焼ガス下降部２３０と、バーナ２４０とを備えている。
　火炉２１０は上下方向に延在しており、燃焼ガス水平移動部２２０は、火炉２１０の下流側である火炉２１０の上部と接続されている。燃焼ガス水平移動部２２０は、火炉２１０の上部から水平方向に延在している。燃焼ガス下降部２３０は、燃焼ガス水平移動部２２０の下流側であり、燃焼ガス水平移動部２２０の火炉２１０とは反対側の端部に接続されている。燃焼ガス下降部２３０は、燃焼ガス水平移動部２２０の端部から下方に延在しており、火炉２１０で生成された燃焼ガスを外部に排出する。
　火炉２１０の下部の壁部には、複数のバーナ２４０が設けられている。バーナ２４０は、ノズルを含んでおり、アンモニアを含む燃料を火炉２１０内に噴射する。火炉２１０内でバーナ２４０から噴射された燃料が燃焼し、高温の燃焼ガスが生成される。燃料は、アンモニアに加え、微粉炭のような炭素物含有燃料を含んでいてもよい。
　ここで、火炉２１０、燃焼ガス水平移動部２２０、燃焼ガス下降部２３０及びバーナ２４０には、２００℃以上のような高温の燃焼前のアンモニア又は未燃焼のアンモニアが通過する。アンモニアとこれらを構成する金属材料とが接すると、窒化物が生成されるおそれがある。
　そこで、アンモニア燃焼ボイラ２００は、アンモニア接触部１０を備えている。具体的には、アンモニア燃焼ボイラ２００に含まれる構成要素である火炉２１０、燃焼ガス水平移動部２２０、燃焼ガス下降部２３０及びバーナ２４０は、アンモニア接触部１０を備えている。アンモニア接触部１０は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２を含み、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。そのため、アンモニア接触部１０は、アンモニアによる窒化を抑制することができる。
　（アンモニア燃焼炉）
　アンモニア燃焼ボイラ２００と同様に、工業炉のようなアンモニア燃焼炉もバーナを含んでいる。そして、炉及びバーナには、２００℃以上のような高温の燃焼前のアンモニア又は未燃焼のアンモニアが通過する。アンモニアとこれらを構成する金属材料とが接すると、窒化物が生成されるおそれがある。
　そこで、アンモニア燃焼炉は、アンモニア接触部１０を備えている。具体的には、アンモニア燃焼炉に含まれる構成要素である炉及びバーナは、アンモニア接触部１０を備えている。アンモニア接触部１０は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２を含み、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。そのため、アンモニア接触部１０は、アンモニアによる窒化を抑制することができる。
　（アンモニア燃料電池装置）
　次に、本実施形態に係るアンモニア燃料電池装置３００について図４を用いて説明する。図４に示すように、アンモニア燃料電池装置３００は、燃料電池本体３１０と、アンモニア分解器３２０と、熱交換器３３０とを備えている。
　燃料電池本体３１０は、燃料極３１１と、空気極３１２と、電解質３１３とを含んでいる。本実施形態に係る燃料電池本体３１０は、ＳＯＦＣである。燃料極３１１では、水素が酸化され、水（水蒸気）を含むアノードオフガスが生成される。電解質３１３では、酸素イオン（Ｏ２－）が空気極３１２から燃料極３１１へ移動する。空気極３１２では、酸素イオンが還元され、酸素を含むカソードオフガスが生成される。
　燃料極３１１の入口には燃料供給管３１４が接続されており、燃料極３１１に水素が供給される。燃料供給管３１４には、アンモニア分解器３２０と、熱交換器３３０とが設けられており、アンモニアを収容した図示しないタンクから、アンモニア分解器３２０及び熱交換器３３０にアンモニアが供給及び分解されて水素が生成される。燃料極３１１の出口にはアノード排気管３１５が接続されており、燃料極３１１で生成されたアノードオフガスが燃料電池本体３１０内から排気される。アノード排気管３１５には、熱交換器３３０が設けられている。空気極３１２の出口にはカソード排気管３１６が接続されており、空気極３１２で生成されたカソードオフガスを燃料電池本体３１０内から排気する。カソード排気管３１６には、熱交換器３３０が設けられている。
　アンモニア分解器３２０は、アンモニアを分解して水素を生成する。アンモニア分解器３２０は、容器内にルテニウム触媒又はニッケル触媒のようなアンモニア分解触媒が収容されており、例えば４００℃以上８００℃以下のような温度でアンモニアが触媒と接触することにより、水素と窒素とに分解する。
　熱交換器３３０は、燃料供給管３１４とアノード排気管３１５とカソード排気管３１６とに接続されている。熱交換器３３０は、燃料極３１１から排出されたアノードオフガスの熱及び空気極３１２から排出されたカソードオフガスの熱と、アンモニア分解器３２０から燃料供給管３１４を介して燃料極３１１に供給される燃料の熱とを交換する。燃料にはアンモニア分解器３２０で分解されずに残存したアンモニアが含まれており、熱交換器３３０内の燃料が通過する流路には、アンモニアを分解する上述したようなアンモニア分解触媒が配置されている。そのため、熱交換器３３０は、燃料に残存しているアンモニアを分解して水素を生成する。
　ここで、燃料電池本体３１０、アンモニア分解器３２０、熱交換器３３０、燃料供給管３１４及びアノード排気管３１５には、２００℃以上のような高温の燃焼前のアンモニア又は未燃焼のアンモニアが通過する。アンモニアとこれらを構成する金属材料とが接すると、窒化物が生成されるおそれがある。
　そこで、アンモニア燃料電池装置３００は、アンモニア接触部１０を備えている。具体的には、アンモニア燃料電池装置３００に含まれる構成要素である燃料電池本体３１０、アンモニア分解器３２０、熱交換器３３０、燃料供給管３１４及びアノード排気管３１５は、アンモニア接触部１０を備えている。アンモニア接触部１０は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２を含み、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。そのため、アンモニア接触部１０は、アンモニアによる窒化を抑制することができる。
　（アンモニア焚きエンジン）
　次に、アンモニア焚きエンジン４００について図５を用いて説明する。図５に示すように、アンモニア焚きエンジン４００は、シリンダブロック４１０と、シリンダヘッド４２０と、ピストン４３０と、を備えている。シリンダブロック４１０はシリンダ４１１を有している。シリンダ４１１内には、ピストン４３０が配置されている。シリンダ４１１内部であって、シリンダヘッド４２０とピストン４３０との間には、燃焼室４４０が配置されている。
　シリンダヘッド４２０には、アンモニアを含む燃料を燃焼室４４０内に噴射する噴射部４２１が設けられている。シリンダヘッド４２０は、燃焼室４４０と連通している吸気ポート４２２及び排気ポート４２３を有している。シリンダヘッド４２０には、シリンダヘッド４２０の吸気ポート４２２を、燃焼室４４０側から開閉可能な吸気弁４２４が設けられている。そして、吸気弁４２４が開かれることによって、吸気ポート４２２を介して燃焼室４４０に空気が供給される。また、シリンダヘッド４２０には、シリンダヘッド４２０の排気ポート４２３を、燃焼室４４０側から開閉可能な排気弁４２５が設けられている。そして、排気弁４２５が開かれることによって、燃焼室４４０での燃料の燃焼によって生成された排気ガスは、排気ポート４２３を介してアンモニア焚きエンジン４００の外部に排出される。
　ここで、シリンダ４１１、排気ポート４２３、吸気弁４２４、排気弁４２５及びピストン４３０には、２００℃以上のような高温の燃焼前のアンモニア又は未燃焼のアンモニアが通過する。アンモニアとこれらを構成する金属材料とが接すると、窒化物が生成されるおそれがある。
　そこで、アンモニア焚きエンジン４００は、アンモニア接触部１０を備えている。具体的には、アンモニア焚きエンジン４００に含まれる構成要素であるシリンダ４１１、排気ポート４２３、吸気弁４２４、排気弁４２５及びピストン４３０は、アンモニア接触部１０を備えている。アンモニア接触部１０は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２を含み、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。そのため、アンモニア接触部１０は、アンモニアによる窒化を抑制することができる。
　（アンモニア合成装置）
　次に、アンモニア合成装置５００について図６を用いて説明する。図６に示すように、アンモニア合成装置５００は、原料供給部５１０と、反応器５２０とを備えている。
　原料供給部５１０は、反応器５２０にアンモニアの原料である窒素及び水素を供給する。本実施形態では、原料供給部５１０は、アンモニアと窒素とを含む混合原料を、原料供給配管５３０を介して反応器５２０に供給している。なお、原料供給部５１０は、アンモニアを反応器５２０に供給するアンモニア供給部と、窒素を反応器５２０に供給する窒素供給部とを含んでいてもよい。
　反応器５２０は、原料供給部５１０から供給された窒素及び水素を含む原料からアンモニアを生成する。反応器５２０内には、窒素及び水素からアンモニアを生成するアンモニア触媒構造体５２５が収容されている。窒素及び水素を含む原料がアンモニア触媒構造体５２５と接することによって、アンモニアの生成が促進される。反応器５２０の種類、反応器５２０内の反応条件などは、特に限定されない。反応器５２０で生成されたアンモニアは、排出管５３１を通って反応器５２０から排出される。
　アンモニア触媒構造体５２５は、鉄系触媒などのような触媒と、触媒を担持する金属担体と、触媒と金属担体とを収容する金属製のケーシングとを含んでいる。
　ここで、反応器５２０、アンモニア触媒構造体５２５及び排出管５３１には、２００℃以上のような高温の燃焼前のアンモニア又は未燃焼のアンモニアが通過する。アンモニアとこれらを構成する金属材料とが接すると、窒化物が生成されるおそれがある。
　そこで、アンモニア合成装置５００は、アンモニア接触部１０を備えている。具体的には、アンモニア合成装置５００に含まれる構成要素である反応器５２０、アンモニア触媒構造体５２５に含まれる金属担体及び金属製のケーシング、並びに、排出管５３１は、アンモニア接触部１０を備えている。アンモニア接触部１０は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２を含み、アンモニアが改質層１２と接するように構成されている。そのため、アンモニア接触部１０は、アンモニアによる窒化を抑制することができる。
　以上説明したように、本実施形態に係るアンモニア取扱装置１は、β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層１２を含み、アンモニアが改質層１２と接するように構成されたアンモニア接触部１０を備える。
　β相ＮｉＡｌ金属間化合物は、アンモニアによる窒化の抑制効果が高く、アンモニアと接していても窒化されにくい。したがって、本実施形態に係るアンモニア取扱装置１は、アンモニアによる窒化を抑制することができる。
　以下、本実施形態を以下の例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態は以下の例に限定されるものではない。
　（実施例）
　まず、ＡＬＬＯＹ６００のニッケル合金を準備した。ＡＬＬＯＹ６００は、Ｃｒを１６重量％及びＦｅを８重量％含み、残部がＮｉ及び不可避不純物の合金である。また、アルミニウム合金粉末、焼結防止剤としてのアルミナ、及び活性剤としての塩化アンモニウムを含む混合粉末を準備した。
　次に、ニッケル合金を、上記混合粉末中に埋めて９００℃前後で１．５時間程度加熱し、パックセメンテーション法によってニッケル合金の表面にアルミニウムを拡散させる拡散浸透処理を実施して本例に係る試料を得た。
　本例に係る試料の断面をＳＥＭで観察し、ＥＤＳによって元素分析を行った。図７は、ＥＤＳの測定箇所が改質層の外表面に近い位置Ａであることを示すＳＥＭ像である。図８は、ＥＤＳの測定箇所が改質層の金属基材に近い位置Ｂであることを示すＳＥＭ像である。表１は、位置ＡのＥＤＳ測定結果である。表２は、位置ＢのＥＤＳ測定結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図７及び図８より、金属基材は、拡散浸透処理により、金属基材の表面に約３０μｍの厚さの改質層が形成されていることが確認できた。表１より、位置Ａにおいて、ニッケル及びアルミニウムの原子数の合計に対するアルミニウムの原子数の割合は、約４７％であることが分かった。また、表２より、位置Ｂにおいて、ニッケル及びアルミニウムの原子数の合計に対するアルミニウムの原子数の割合は、約４３％であることが分かった。また、ニッケル及びアルミニウムの原子数の合計に対するアルミニウムの原子数の割合は、位置Ｂよりも位置Ａの方が大きかった。改質層におけるアルミニウムとニッケルとの原子比が約１：１であることから、改質層には、β相ＮｉＡｌ金属間化合物が含まれていることが分かる。また、図７及び図８より、金属基材と改質層の分離した２層が確認でき、改質層は均質であることから、改質層はβ相単相であり、ＮｉＡｌに鉄とクロムが固溶していることが分かる。
　（比較例１）
　ＡＬＬＯＹ６００のニッケル合金に代え、２５重量％のＣｒ及び２０重量％のＮｉを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であるＳＵＳ３１０Ｓのステンレス鋼を用いた以外は、実施例と同様にして試料を得た。
　（比較例２）
　拡散浸透処理を実施せず、実施例で用いたＡＬＬＯＹ６００を本例に係る試料とした。
　（比較例３）
　拡散浸透処理を実施せず、ＡＬＬＯＹ７３８ＬＣを本例に係る試料とした。ＡＬＬＯＹ７３８ＬＣは、８．５重量％のコバルト、１６．０重量％のクロム、１．８重量％のモリブデン、２．６重量％のタングステン、１．８重量％のタンタル、３．４重量％のアルミニウム、３．４重量％のチタン、０．９重量％のニオブ、０．１０重量％の炭素、０．０１０重量％のホウ素及び０．０６０重量％のジルコニウムを含み、残部がニッケル及び不可避不純物である。なお、ＡＬＬＯＹ７３８ＬＣは、ニッケル及びアルミニウムの原子数の合計に対するアルミニウムの原子数の割合が約１１％のニッケル合金であり、γ相及びγ’相を含んでいることが知られている。このようなアルミニウム比では、実施例の試料とは異なり、β相は出現しない。
　［評価］
　（アンモニア暴露試験）
　上記のようにして得られた試料を、アンモニアが飽和した状態で、５００℃で１００時間曝露させた。アンモニア暴露試験後の試料を切断し、その切断面の窒化層深さを、光学顕微鏡で観察した。この結果を図９に示す。
　図９に示すように、比較例１の試料は、比較例２の試料よりも窒化が少し抑制されているか、又は、ほとんど同じ程度だった。一方、比較例３の試料は、比較例１及び比較例２の試料よりも窒化が抑制されていたが、実施例に係る試料は、それよりもさらに窒化が抑制され、窒化層深さが検出限度以下となった。これらの結果から、ＮｉとＡｌとの金属間化合物は、ＦｅとＡｌとの金属間化合物と比較し、アンモニアによる窒化を抑制できることが分かる。また、β相ＮｉＡｌ金属間化合物は、γ相及びγ’相と比較し、アンモニアによる窒化をさらに抑制できることが分かる。これらの結果から、高温のアンモニア環境に暴露された場合であっても、β相で緻密な窒化アルミニウムの層が生成されることにより、アンモニアによる窒化が抑制できたと考えられる。
　特願２０２３－０７３３７４号（出願日：２０２３年４月２７日）の全内容は、ここに援用される。
　いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。
　１　　アンモニア取扱装置
　１０　アンモニア接触部
　１１　金属基材
　１２　改質層

Claims (6)

  1. 　β相ＮｉＡｌ金属間化合物を含む改質層を含み、アンモニアが前記改質層と接するように構成されたアンモニア接触部を備える、アンモニア取扱装置。
  2. 　前記アンモニア接触部は金属基材を含み、
    　前記改質層は前記金属基材を覆う、請求項１に記載のアンモニア取扱装置。
  3. 　前記金属基材はニッケル又はニッケル合金である、請求項２に記載のアンモニア取扱装置。
  4. 　前記改質層と接触するアンモニアは２００℃以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載のアンモニア取扱装置。
  5. 　前記アンモニア取扱装置は、アンモニア燃焼ガスタービン、アンモニア燃焼ボイラ、アンモニア燃焼炉、アンモニア燃料電池装置、アンモニア焚きエンジン、アンモニア合成装置、又は、これらに含まれる構成要素である、請求項１～４のいずれか一項に記載のアンモニア取扱装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載のアンモニア取扱装置の製造方法であって、
    　前記改質層は、ニッケル又はニッケル合金に、アルミニウムを拡散浸透させることによって形成する、アンモニア取扱装置の製造方法。
     
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