JP2006175379A - Production method of hydrogen separation film - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a production method of a hydrogen separation film enabling high hydrogen permeability and high purity of produced hydrogen and made of a little amount of a Pd alloy material. <P>SOLUTION: The production method of the hydrogen separation film comprises the steps of: obtaining ingot by dissolving Pd alloy in a floating type cold crucible dissolution method, removing inclusion accumulated parts of the ingot, and forging and rolling the ingot whose inclusion accumulated parts are removed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素分離膜の製造方法に関する。特には、本発明は、Pd合金を主成分とし、膜厚が十分に薄く、水素透過性の高い水素分離膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a hydrogen separation membrane. In particular, the present invention relates to a method for producing a hydrogen separation membrane having a Pd alloy as a main component, a sufficiently thin film thickness, and high hydrogen permeability.

従来から、半導体製造工場における高純度ガス精製などにPd合金膜を用いた水素分離膜が使用されている。一方、近年開発が進められている燃料電池車への水素供給のため、水素ステーションの建設が開始されている。水素製造方式として、工場で製造した水素をタンクローリなどで配送する方式とともに、水素ステーション内で都市ガス等を改質して水素を製造するオンサイト型水素製造装置が検討されている。水素製造装置では、吸収剤を用いるPSA方式よりも製造効率に優れるメンブレンリフォーマ型水素製造装置が検討されている。メンブレンリフォーマ型水素製造装置は都市ガスなどの改質反応を行う反応器内に水素分離膜を設置して水素を引き抜き、水素製造効率を向上させるものである。   Conventionally, hydrogen separation membranes using Pd alloy membranes have been used for high-purity gas purification in semiconductor manufacturing plants. On the other hand, construction of a hydrogen station has been started to supply hydrogen to fuel cell vehicles that are being developed in recent years. As a hydrogen production method, an on-site type hydrogen production apparatus for producing hydrogen by reforming city gas or the like in a hydrogen station is being studied along with a method of delivering hydrogen produced in a factory by a tank truck or the like. As a hydrogen production apparatus, a membrane reformer type hydrogen production apparatus that is superior in production efficiency to the PSA method using an absorbent is being studied. The membrane reformer-type hydrogen production apparatus is designed to improve hydrogen production efficiency by installing a hydrogen separation membrane in a reactor that performs a reforming reaction of city gas or the like and drawing out hydrogen.

このような水素分離膜として、例えば、極めて高い水素選択透過性を示すパラジウム(Pd)系金属膜が用いられている。Pd及びその合金膜が示す水素選択透過現象は、水素混合ガス中の水素分子がPd膜に吸着されて原子状態になり、更にイオン化して膜の反対側に拡散して再結合し、再び水素ガスになるために起こるとされている。   As such a hydrogen separation membrane, for example, a palladium (Pd) -based metal membrane exhibiting extremely high hydrogen selective permeability is used. The hydrogen selective permeation phenomenon exhibited by Pd and its alloy film is that hydrogen molecules in the hydrogen mixed gas are adsorbed on the Pd film to be in an atomic state, further ionized, diffused to the opposite side of the film, and recombined. It is supposed to happen to become gas.

この水素分離膜の製造方法として、Pdやその合金膜の素材金属をアークによる溶解あるいは高周波溶解後、圧延する方法がある。これにより、Pd合金膜を20μm程度までに薄膜化することができる。しかし、この方法では、Pd合金膜を圧延法にてさらに薄膜化を図ると、素材中に含まれる、粒径が10μmオーダーで膜厚と同等の介在物を基点としたピンホールが発生するという問題がある。ピンホールの存在は、製品歩留りを悪化させるとともに、リーク、製造水素純度低下の原因となり、また耐久性に悪影響を与える場合がある。   As a method for producing the hydrogen separation membrane, there is a method in which Pd or a metal alloy of the alloy membrane is rolled after being melted by arc or melted at high frequency. As a result, the Pd alloy film can be thinned to about 20 μm. However, in this method, when the Pd alloy film is further thinned by a rolling method, a pinhole contained in the material and having an inclusion equivalent to the film thickness with a particle size of the order of 10 μm is generated. There's a problem. The presence of pinholes not only deteriorates the product yield, but also causes leakage and a decrease in the purity of produced hydrogen, and may adversely affect durability.

これまでの検討では、Pd合金を通常の雰囲気が制御されたチャンバー内に設置されたアルミナ等のセラミックスるつぼ内で、高周波電力を熱源として溶解し、高純度カーボンなどの鋳型に鋳造した後、機械加工および圧延により薄膜化し水素分離膜とする場合、膜厚20μmまではピンホール発生による歩留りの低下が問題とならず、適用可能であった。一方、更に薄膜化しようと試みた場合、圧延により膜厚5μm程度まで薄膜化することは可能であったが、ピンホール頻度が増大し、実質的に要求される1cm2以上の面積でピンホールがない膜を製作することが困難であった。 In the examination so far, the Pd alloy is melted by using high-frequency power as a heat source in a ceramic crucible such as alumina installed in a chamber in which a normal atmosphere is controlled, and cast into a mold such as high-purity carbon. In the case of forming a thin film by processing and rolling to form a hydrogen separation membrane, a decrease in yield due to the generation of pinholes was not a problem up to a film thickness of 20 μm and was applicable. On the other hand, when trying to further reduce the film thickness, it was possible to reduce the film thickness to about 5 μm by rolling, but the frequency of pinholes increased, and pinholes with an area of 1 cm 2 or more which is practically required were increased. It was difficult to produce a film without this.

特許文献1には、水冷銅ハース中でアークにより溶解、またはカルシアるつぼを用いて高周波溶解により得られたPd合金素材を圧延する水素分離膜の製造方法が記載されている。   Patent Document 1 describes a method for producing a hydrogen separation membrane in which a Pd alloy material obtained by melting in an arc in a water-cooled copper hearth or by high-frequency melting using a calcia crucible is rolled.

水素分離膜の性能向上として、水素分離膜の厚さを薄くして水素透過量を増大させることが考えられる。特許文献2には、冷間圧延されたパラジウム担持膜の少なくとも1つの膜表面を化学エッチングまたは電気化学的溶解することにより水素選択性パラジウム担持金属シート状膜を製造する方法が記載されている。しかし、かかる方法は、圧延後に行うものであるため、工程が増えること、及び依然として膜の製造に使用するPdが多いという問題があった。   In order to improve the performance of the hydrogen separation membrane, it is conceivable to reduce the thickness of the hydrogen separation membrane to increase the hydrogen permeation amount. Patent Document 2 describes a method for producing a hydrogen-selective palladium-supported metal sheet film by chemically etching or electrochemically dissolving at least one film surface of a cold-rolled palladium-supported film. However, since this method is performed after rolling, there are problems that the number of processes is increased and that Pd used for the production of the film is still large.

また、特許文献3、特許文献4には、基材にガス透過性を与える孔質基材上にめっき、蒸着などでPd合金薄膜を形成する水素分離膜の製造方法が知られている。この方法では、膜厚は5μm〜10μm程度に薄膜化できる。しかし、かかる薄膜形成法では、孔質基材上の細孔を塞がなければならないため、必然的に膜厚が厚くなる。膜厚を薄くしようとすると、孔質基材上の細孔を完全に塞ぐことができなくなり、ピンホール等の膜欠陥を皆無にすることは困難で、ガスタイトになりにくく、製造水素純度は低いという問題がある。
特開2003−10659号公報 特表2003−530488号公報 特開昭62−121616号公報 特開平5−123548号公報
Further, Patent Documents 3 and 4 disclose a method for producing a hydrogen separation membrane in which a Pd alloy thin film is formed by plating, vapor deposition, or the like on a porous substrate that gives gas permeability to the substrate. In this method, the film thickness can be reduced to about 5 μm to 10 μm. However, in such a thin film forming method, since the pores on the porous substrate must be blocked, the film thickness inevitably increases. When trying to reduce the film thickness, it becomes impossible to completely close the pores on the porous substrate, it is difficult to eliminate film defects such as pinholes, it is difficult to become gas tight, and the production hydrogen purity is low. There is a problem.
JP 2003-10659 A Special table 2003-530488 Japanese Patent Laid-Open No. 62-121616 JP-A-5-123548

本発明は、水素透過性が高く、製造された水素の純度が高く、かつ少ないPd合金素材で製造することができる水素分離膜の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for producing a hydrogen separation membrane, which has a high hydrogen permeability, a high purity of the produced hydrogen, and can be produced with a small amount of Pd alloy material.

本発明者らが従来技術により製造した水素分離膜のピンホールの原因を調査した結果、素材中に直径が膜厚と同じ5μm以上の酸化物等の介在物粒子が存在し、膜を貫通していることが多いことが明らかになった。さらにこのような介在物の混入経路を調査した結果、溶解鋳造時および圧延時に混入する可能性があるが、溶解工程でるつぼ材が溶融金属の侵食を受け、一部が剥離して溶融合金中に侵入し、一部は溶解中に密度差より上面へ浮き上がって分離せれるものの、大部分は鋳造時に再び合金中に混入して凝固してしまい、これによるものが最も多いことが明らかになった。したがって、合金の溶解時に、剥離したるつぼ材が溶解合金へ混入するのを防ぐか、るつぼ材が剥離しないことが介在物低減に有効であると考えられた。   As a result of investigating the cause of pinholes in the hydrogen separation membrane produced by the prior art by the present inventors, inclusion particles such as oxides having a diameter of 5 μm or more, which is the same as the film thickness, exist in the material and penetrate the membrane. It became clear that there are many. In addition, as a result of investigating the inclusion route of such inclusions, there is a possibility of mixing during melting casting and rolling, but the crucible material was eroded by the molten metal during the melting process, and part of the molten alloy was peeled off in the molten alloy. It is clear that some of them are separated by floating up to the upper surface due to the difference in density during melting, but most of them are mixed again in the alloy and solidified during casting. It was. Therefore, it was considered effective to reduce inclusions by preventing the crucible material that had been peeled from mixing into the molten alloy during melting of the alloy or by not peeling the crucible material.

すなわち本発明は、水素分離膜の製造方法であって、Pd合金を浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解し、インゴットを得るステップと、該インゴットの介在物集積部を除去するステップと、該介在物集積部が除去されたインゴットを鍛造し、圧延するステップとを含む。   That is, the present invention is a method for manufacturing a hydrogen separation membrane, comprising: dissolving a Pd alloy by a floating cold crucible melting method to obtain an ingot; removing an inclusion accumulation portion of the ingot; and the inclusion Forging and rolling the ingot from which the accumulation portion has been removed.

本発明は、また、水素分離膜の製造方法であって、Pd合金を浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解し、インゴットを得るステップと、該インゴットの介在物集積部を除去するステップと、該介在物集積部が除去されたインゴットを再び浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解するステップと、溶解されたPd合金を、鋳型に鋳造するステップと、鋳造されたPd合金を成形、圧延するステップとを含む。   The present invention is also a method for producing a hydrogen separation membrane, comprising: dissolving a Pd alloy by a floating cold crucible melting method to obtain an ingot; removing an inclusion accumulation portion of the ingot; A step of melting the ingot from which the material accumulation portion has been removed again by a floating cold crucible melting method, a step of casting the melted Pd alloy into a mold, and a step of forming and rolling the cast Pd alloy .

前記浮揚型コールドクルーシブル溶解において、溶解雰囲気をアルゴン雰囲気またはアルゴンベース水素混合雰囲気とすることが好ましい。アルゴンベース水素混合雰囲気とは、アルゴンを主成分とし、水素が0.1〜20体積%含まれていてもよい雰囲気をいう。   In the levitation type cold crucible melting, the melting atmosphere is preferably an argon atmosphere or an argon-based hydrogen mixed atmosphere. The argon-based hydrogen mixed atmosphere refers to an atmosphere containing argon as a main component and may contain 0.1 to 20% by volume of hydrogen.

前記介在物集積部が除去されたインゴットを圧延するステップにおいて、インゴットを10μm以下にまで圧延することが好ましい。   In the step of rolling the ingot from which the inclusion accumulation portion has been removed, the ingot is preferably rolled to 10 μm or less.

なお、上記水素分離膜の製造方法において、浮揚型コールドクルーシブル溶解法は、必ずしも完全に溶解金属がるつぼから浮揚している必要はなく、溶融金属とるつぼが部分的には接触した状態となっていてもよい。   In the above hydrogen separation membrane manufacturing method, the floating cold crucible melting method does not necessarily require the molten metal to be completely lifted from the crucible, and the molten metal and the crucible are in partial contact with each other. May be.

また、本発明は別の局面によれば、水素分離膜であって、上述の方法により製造されたことを特徴とする。   According to another aspect, the present invention is a hydrogen separation membrane manufactured by the method described above.

本発明の水素分離膜の製造方法によれば、水素分離膜を従来の1/2、具体的には厚さ20μm以下にまで薄膜化することができ、ピンホールのないPd合金水素分離膜を得ることができる。また、水素透過性能は膜厚に反比例するため、膜厚を従来の1/2とすることで従来の2倍以上の水素透過性能を得ることができるとともに、使用するPd合金素材を半減することができ、水素製造量/膜コストは従来技術の場合と比べて4倍以上とすることができる。   According to the method for producing a hydrogen separation membrane of the present invention, the hydrogen separation membrane can be reduced to 1/2 of the conventional thickness, specifically, to a thickness of 20 μm or less. Obtainable. In addition, since the hydrogen permeation performance is inversely proportional to the film thickness, by setting the film thickness to 1/2 that of the conventional film, it is possible to obtain hydrogen permeation performance more than twice that of the conventional one, and to halve the Pd alloy material used. The amount of hydrogen production / membrane cost can be increased four times or more compared to the case of the prior art.

以下に、本発明を、実施の形態を挙げて詳細に説明する。以下の説明は、本発明を限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments. The following description does not limit the invention.

本発明の一実施の形態による水素分離膜の製造方法は、Pd合金を浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解し、インゴットを得るステップと、該インゴットの介在物集積部を除去するステップと、介在物集積部が除去されたインゴットを圧延するステップとを含む。   A method for producing a hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention includes a step of melting a Pd alloy by a floating cold crucible melting method to obtain an ingot, a step of removing an inclusion accumulation portion of the ingot, and an inclusion Rolling the ingot from which the accumulation portion has been removed.

本実施形態による製造方法において、原材料として用いられるPd合金としては、Pd−Ag合金、Pd−Au合金、Pd−Cu合金、Pd−希土類合金等を用いることができるが、これらには限定されない。このようなPd合金には、主成分以外の金属を含んでいてもよい。また、通常、溶解装置へ投入される原材料自体には、粒子径が1〜20μmの不純物、例えば、アルミナやシリカなどの金属酸化物が含まれている。   In the manufacturing method according to the present embodiment, as a Pd alloy used as a raw material, a Pd—Ag alloy, a Pd—Au alloy, a Pd—Cu alloy, a Pd—rare earth alloy, or the like can be used, but is not limited thereto. Such a Pd alloy may contain a metal other than the main component. Moreover, normally, the raw material itself put into the melting apparatus contains impurities having a particle diameter of 1 to 20 μm, for example, metal oxides such as alumina and silica.

かかるPd合金原材料を、浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解する。浮揚型コールドクルーシブル溶解法とは、周方向に複数に分割されたあるいはスリットの入った水冷銅るつぼ内に伝導性を有する金属を入れ、るつぼ外周に電磁コイルを設置し、高周波電力をコイルに印加することによって金属材料表面に渦電流を誘起し、そのジュール熱で金属が溶融するとともに、金属表面に働く渦電流とるつぼ表面に生じる渦電流との間に電磁反力が働き、電流条件を適正化することで、溶融金属を空中に非接触保持でき、るつぼと非接触状態で各種金属材料を溶解する方法である。ただし、実際には完全に溶融金属とるつぼが非接触状態になることは難しく、部分的には接触した状態となることもある。   Such a Pd alloy raw material is melted by a floating cold crucible melting method. The levitation type cold crucible melting method is a method in which a conductive metal is placed in a water-cooled copper crucible that is divided into multiple or slits in the circumferential direction, an electromagnetic coil is installed around the crucible, and high-frequency power is applied to the coil. Eddy current is induced on the surface of the metal material, and the metal is melted by the Joule heat, and an electromagnetic reaction force acts between the eddy current acting on the metal surface and the eddy current generated on the crucible surface, so that the current conditions are appropriate. In this method, molten metal can be held in the air in a non-contact manner, and various metal materials are dissolved in a non-contact state with the crucible. However, in reality, it is difficult for the molten metal crucible to be completely in a non-contact state, and in some cases, the molten metal crucible may be in a contact state.

いずれにしてもるつぼと溶融金属の接触がほとんどなく、またるつぼが金属であるため、溶解中にアルミナ、シリカ等のセラミックスるつぼに起因した不純物介在物の混入がない。さらに、浮遊した溶融金属内では電磁力と浮力に組み合わせにより外向きの流れが生じるため、密度の小さい酸化物等の介在物は溶融金属の外周に集積する。特に粒径の大きい酸化物は溶融金属との密度差がより大きいため、確実に外周に集積する。溶融金属をそのままるつぼ内で凝固させ、外周部を機械加工により削除することで、酸化物等介在物の少ない高純度インゴットが得られる。この高純度インゴットを鍛造などにより成形し、圧延することで介在物が少なく、10μm以下の厚みに圧延してもピンホール頻度が低い水素分離膜が得られる。   In any case, there is almost no contact between the crucible and the molten metal, and since the crucible is a metal, there is no contamination inclusion due to ceramic crucibles such as alumina and silica during melting. Furthermore, in the floated molten metal, an outward flow is generated by a combination of electromagnetic force and buoyancy, so inclusions such as oxides with low density accumulate on the outer periphery of the molten metal. In particular, an oxide having a large particle size has a larger density difference from the molten metal, and therefore reliably accumulates on the outer periphery. By melting the molten metal in the crucible as it is and removing the outer peripheral portion by machining, a high-purity ingot with few inclusions such as oxides can be obtained. The high purity ingot is formed by forging or the like and rolled to obtain a hydrogen separation membrane with few inclusions and a low pinhole frequency even when rolled to a thickness of 10 μm or less.

上記浮揚型コールドクルーシブル溶解では、通常、るつぼは雰囲気を制御できる容器内に設置されている。金属の溶解前に容器を真空ポンプにより真空排気し、その後Arガスで容器内を置換することを数回繰返し、容器内の酸素、窒素分圧を極力下げた状態で溶解を行うことが好ましい。しかしながら、それでも溶融金属の酸化、窒化が避けられない場合があるため、これを防止するために置換するガスとして、Arと水素の混合ガスを用いる。このような混合ガスとしては、Arガスを主成分とし、水素が、0.1〜20体積%含まれているものを用いることができる。これにより金属溶解中に酸化、窒化することにより生成する酸化物、窒化物を低減することができ、上記に示す本来の浮揚型コールドクルーシブル溶解による介在物排出効果との相乗効果で介在物を極限まで低減することができる。これにより厚さ10μm以下に圧延してもピンホールの確率が低減し、水素分離膜の製作歩留りを上げることができる。   In the above-mentioned levitation type cold crucible melting, the crucible is usually installed in a container whose atmosphere can be controlled. Before melting the metal, it is preferable to evacuate the container with a vacuum pump and then replace the interior with Ar gas several times to perform the melting with the oxygen and nitrogen partial pressures in the container lowered as much as possible. However, since oxidation and nitridation of the molten metal may still be unavoidable, a mixed gas of Ar and hydrogen is used as a replacement gas to prevent this. As such a mixed gas, a gas mainly containing Ar gas and containing 0.1 to 20% by volume of hydrogen can be used. As a result, oxides and nitrides produced by oxidation and nitridation during metal dissolution can be reduced, and inclusions are limited by the synergistic effect with inclusion discharge effect due to the above-mentioned original floating-type cold crucible dissolution. Can be reduced. Thereby, even if it is rolled to a thickness of 10 μm or less, the probability of pinholes is reduced and the production yield of the hydrogen separation membrane can be increased.

一方、同様に浮揚型コールドクルーシブル溶解を行い、そのまま凝固させたインゴットの外周を削除した後、もう一度浮揚型コールドクルーシブル溶解を行い、そのまま鋳型に鋳造することもできる。この方法では、鋳型形状を平板形状とすることで、その後の鍛造成形を省略し、簡易な機械加工の後圧延を行うことができ、製造工程が短縮できる。   On the other hand, similarly, the floating type cold crucible melting is performed, and after removing the outer periphery of the solidified ingot, the floating type cold crucible melting is performed once again, and it can be cast into a mold as it is. In this method, by making the mold shape into a flat plate shape, subsequent forging can be omitted, simple post-rolling can be performed, and the manufacturing process can be shortened.

Pd合金原材料の浮揚型コールドクルーシブル溶解は、市販のコールドクルーシブル溶解装置を用いることにより実施することができる。ここで、コールドクルーシブル溶解装置と、これを用いた浮揚溶解の原理について簡単に説明する。   The floating type cold crucible melting of the Pd alloy raw material can be carried out by using a commercially available cold crucible melting apparatus. Here, the cold-crucible dissolution apparatus and the principle of levitation dissolution using the apparatus will be briefly described.

図1に、市販のコールドクルーシブル溶解装置の一例を示す。コールドクルーシブル溶解装置1は、るつぼ2と、誘導コイル3、4とから構成される。るつぼ2は、通常、水冷可能な銅製の有底の略円筒形状の容器であって、周方向に例えば16分割されるようにスリットが入っている。形状は溶解容量により異なるが、通常内径50〜300mm、深さ50〜400mmである。溶解後、別途設置した鋳型に鋳造する目的で、るつぼ2の底部には出湯口21が設ける場合もある。上部誘導コイル3は、るつぼ2の側面に環装されている高周波コイル(例えば、200kW・30kHz)である。また、下部誘導コイル4は、出湯口21の側面に環装されており、上部誘導コイル3と比較して低周波のコイル(例えば、100kW・3kHz)である。それぞれの誘導コイル3、4は、電源31、41を備える。   FIG. 1 shows an example of a commercially available cold crucible dissolving apparatus. The cold crucible melting apparatus 1 includes a crucible 2 and induction coils 3 and 4. The crucible 2 is usually a copper-bottomed, substantially cylindrical container that is water-coolable, and has slits that are divided into, for example, 16 parts in the circumferential direction. The shape varies depending on the dissolution capacity, but is usually 50 to 300 mm in inner diameter and 50 to 400 mm in depth. After melting, a tap 21 may be provided at the bottom of the crucible 2 for the purpose of casting in a separately installed mold. The upper induction coil 3 is a high-frequency coil (for example, 200 kW · 30 kHz) that is mounted on the side surface of the crucible 2. The lower induction coil 4 is mounted on the side surface of the tap 21 and is a low frequency coil (for example, 100 kW · 3 kHz) as compared with the upper induction coil 3. Each induction coil 3, 4 includes a power source 31, 41.

かかるコールドクルーシブル溶解装置1において、るつぼ2に環装した誘導コイル3、4の電源31、41を入れ、高周波電流を流すと、るつぼ2内に交番磁界が発生する。これにより、るつぼ2内の金属5にコイル電流とは逆向きの渦電流が生じ、両電流間に電磁反発力が作用し、かつ金属内にジュール熱が発生するので、金属5は浮揚し、加熱・溶解することが知られている。このような、コールドクルーシブル溶解装置1によれば、金属5内に外向きの流れを発生させて、金属酸化物等の介在物を金属5の表面へ排出することができ、かつ、安定した溶解を行うことができるため、有利である。   In such a cold crucible melting apparatus 1, when the power sources 31 and 41 of the induction coils 3 and 4 mounted on the crucible 2 are turned on and a high-frequency current is passed, an alternating magnetic field is generated in the crucible 2. As a result, an eddy current opposite to the coil current is generated in the metal 5 in the crucible 2, an electromagnetic repulsive force acts between the two currents, and Joule heat is generated in the metal, so that the metal 5 is levitated, It is known to heat and dissolve. According to such a cold crucible melting apparatus 1, an outward flow can be generated in the metal 5, and inclusions such as metal oxide can be discharged to the surface of the metal 5, and stable melting can be achieved. Is advantageous.

本実施形態においては、一度に、0.1〜10kgのPd合金をバッチ式で浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶融することが好ましい。Pd合金内に外向きの流れを発生させて、金属酸化物等の介在物を溶融金属の表面へ効率的に排出するためには、一度に大量の金属を溶解することは好ましくないためである。このときの電流条件は、10〜400kWであり、溶解時間は10〜60分とすることが好ましい。金属が溶融後安定した状態となり、外向きの流れが形成されて酸化物等介在物が表面に排出されるまでに5分以上が必要だからである。しかし、これらの条件はコールドクルーシブル溶解装置のサイズ等により変化させることができ、かかる条件は当業者が適宜決定することができる。   In the present embodiment, it is preferable to melt 0.1 to 10 kg of Pd alloy at a time by a batch type levitation type cold crucible melting method. This is because it is not preferable to dissolve a large amount of metal at a time in order to generate an outward flow in the Pd alloy and efficiently discharge inclusions such as metal oxides to the surface of the molten metal. . The current condition at this time is 10 to 400 kW, and the dissolution time is preferably 10 to 60 minutes. This is because it takes 5 minutes or more for the metal to be in a stable state after melting, to form an outward flow, and for inclusions such as oxides to be discharged to the surface. However, these conditions can be changed according to the size of the cold crucible dissolving apparatus, and such conditions can be appropriately determined by those skilled in the art.

次に、電力投入を停止し、金属5をるつぼ2中でそのまま冷却し、凝固させてPd合金インゴットを得る。このとき、冷却速度は、200〜500℃/分とすることが好ましい。急速冷却することで、表面に排出された酸化物等介在物をそのまま固定しやすいからである。得られたPd合金インゴットは、浮揚型コールドクルーシブル溶解により、通常、外周部が欠陥、介在物集積部となっている。ここで、介在物とは、主に酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウムなどの金属酸化物をいう。   Next, the power supply is stopped and the metal 5 is cooled as it is in the crucible 2 and solidified to obtain a Pd alloy ingot. At this time, the cooling rate is preferably 200 to 500 ° C./min. This is because inclusions such as oxides discharged on the surface are easily fixed as they are by rapid cooling. The obtained Pd alloy ingot usually has a defect and inclusion accumulation portion at the outer peripheral portion by flotation type cold crucible melting. Here, the inclusion mainly refers to metal oxides such as aluminum oxide, silicon oxide, calcium oxide, and magnesium oxide.

続いて、Pd合金インゴットを室温にまで冷却した後、Pd合金インゴットの欠陥、介在物集積部を切削削除する。Pd合金インゴットの欠陥、介在物集積部とは、インゴットの断面を観察したときに、粒径が2μm以上の介在物の頻度が断面積1mm2につき、1個以上である部分をいう。このような介在物の頻度観察は、サンプリングされたインゴット断面を研磨し、光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡で観察し、介在物の大きさ、数を計測することで判定することができる。 Subsequently, after the Pd alloy ingot is cooled to room temperature, defects and inclusion accumulation portions of the Pd alloy ingot are removed by cutting. The defect and inclusion accumulation portion of the Pd alloy ingot refers to a portion where the frequency of inclusions having a particle size of 2 μm or more is 1 or more per 1 mm 2 in cross-sectional area when the cross section of the ingot is observed. Such frequency observation of inclusions can be determined by polishing a sampled ingot section, observing with an optical microscope or an electron microscope, and measuring the size and number of inclusions.

介在物集積部の除去は、市販の旋盤を用いて外周切削加工によって実施することができる。切削工具は高速度工具鋼、超硬合金等を用いる。切削加工時に排出される切子は、回収して溶解精製し、純Pdとして再利用することもできる。   The removal of the inclusion accumulation part can be carried out by peripheral cutting using a commercially available lathe. The cutting tool is made of high speed tool steel, cemented carbide or the like. The facets discharged at the time of cutting can be recovered, dissolved and purified, and reused as pure Pd.

上記操作により得られた、粒径が2μm以上の介在物の頻度が大幅に低減されたPd合金は、次いで、鍛造し、圧延する。鍛造は、例えば電気炉でPd合金を500℃に加熱し、鍛造機(油圧プレス機)による加圧により、圧延しやすい直方体に近い形状に成形する。通常は板厚50mm以下の直方体に近い形状とする。   Next, the Pd alloy obtained by the above operation and having a significantly reduced frequency of inclusions having a particle size of 2 μm or more is forged and rolled. Forging is performed, for example, by heating a Pd alloy to 500 ° C. in an electric furnace and pressing it with a forging machine (hydraulic press) to form a shape that is close to a rectangular parallelepiped that is easy to roll. Normally, the shape is close to a rectangular parallelepiped with a plate thickness of 50 mm or less.

圧延は、板厚が0.5mm程度までは、例えば2段あるいは4段式小型ロール圧延機を用いて、所定の厚さとなるまで繰り返す。圧下が困難になれば、途中で焼鈍を行う。焼鈍は電気炉でたとえば500℃、1時間行うことができる。板厚が0.5mm以下になれば、例えば20段式小型ロール圧延機を用い、最終の膜厚である20μm以下まで圧延する。圧延材は長さが1m以上に長くなるため、ロールに巻き取り、連続供給する。途中焼鈍は同様に実施する。最終的な膜厚が20μm以下、好ましくは10μm以下になるまで圧延することが好ましい。膜厚が薄いほど水素透過性能が高く、所定の水素分離膜一枚につき、高価なPd合金の使用量を減らすことができるためである。その後、必要に応じて、適切な大きさに整えることで、水素分離膜を得ることができる。   Rolling is repeated until the sheet thickness reaches a predetermined thickness, for example, using a two-stage or four-stage small roll mill until the sheet thickness is about 0.5 mm. If the reduction becomes difficult, annealing is performed halfway. Annealing can be performed in an electric furnace at, for example, 500 ° C. for 1 hour. When the plate thickness is 0.5 mm or less, for example, a 20-stage small roll mill is used to roll to a final film thickness of 20 μm or less. Since the length of the rolled material becomes longer than 1 m, it is wound around a roll and continuously supplied. Intermediate annealing is performed similarly. It is preferable to roll until the final film thickness is 20 μm or less, preferably 10 μm or less. This is because the thinner the film thickness, the higher the hydrogen permeation performance, and the amount of expensive Pd alloy used can be reduced per predetermined hydrogen separation membrane. Then, a hydrogen separation membrane can be obtained by adjusting to an appropriate size as necessary.

このようにして得られたPd合金からなる水素分離膜は、膜厚が20μm以下、好ましくは10μm以下で、例えば0.01m2の面積単位でピンホールがなく、歩留り70%以上で得られる。そして、本発明により得られる水素分離膜の水素透過性能は、単位面積、単位圧力差あたりの水素透過流量が、5×10-3mol/m2/s/Pa1/2以上、水素純度は6N以上であり、燃料電池システム向けあるいは半導体工場向けの水素製造装置に適用するのに、十分な特性である。 The hydrogen separation membrane made of the Pd alloy thus obtained has a film thickness of 20 μm or less, preferably 10 μm or less, and has no pinhole in an area unit of 0.01 m 2 , for example, and can be obtained with a yield of 70% or more. The hydrogen permeation performance of the hydrogen separation membrane obtained by the present invention is such that the hydrogen permeation flow rate per unit area and unit pressure difference is 5 × 10 −3 mol / m 2 / s / Pa 1/2 or more, and the hydrogen purity is It is 6N or more, and is a sufficient characteristic to be applied to a hydrogen production apparatus for a fuel cell system or a semiconductor factory.

本実施形態による浮揚型コールドクルーシブル溶解法によれば、特に、Pd合金を浮揚溶解することができるため、従来技術において生じていたるつぼ等溶解用容器由来の不純物がPd合金に混入することを避けることができる。また、Pd合金を溶解後、型に鋳込むことなくそのまま凝固させることで、浮揚型コールドクルーシブル溶解において溶融金属の外周部に排出した介在物が再度、金属内部に移動したり、偏ったりするのを防止し、介在物を金属の外周部に集積させ、効果的に除去することができる。そして、このようなPd合金インゴットを圧延することでPd合金の高純度化を達成することができる。さらに、浮揚型コールドクルーシブル溶解法によれば、溶解に用いるるつぼを使い捨てすることなく、繰り返して使用することができる。   According to the levitated cold crucible melting method according to the present embodiment, in particular, since the Pd alloy can be levitated and melted, it is avoided that impurities derived from a melting container such as a crucible that has occurred in the prior art are mixed into the Pd alloy. be able to. Also, by melting the Pd alloy and solidifying it as it is without casting it, the inclusions discharged to the outer periphery of the molten metal in the floating type cold crucible melting are moved again inside the metal or biased. And the inclusions can be accumulated on the outer periphery of the metal and effectively removed. And the high purity of Pd alloy can be achieved by rolling such a Pd alloy ingot. Furthermore, according to the floating type cold crucible melting method, the crucible used for melting can be repeatedly used without being disposable.

一方、別の実施形態として、同様に浮揚型コールドクルーシブル溶解を行い、そのまま凝固させたインゴットの外周を削除した後、もう一度浮揚型コールドクルーシブル溶解を行い、そのまま鋳型に鋳造することもできる。このとき、二度目の浮揚型コールドクルーシブル溶解も、同様の溶解条件で行うことができる。この方法では、鋳型形状を平板形状とすることで、その後の鍛造成形を省略し、簡易な機械加工の後圧延を行うことができ、工程が短縮できる。この場合も、1回目の浮揚型コールドクルーシブル溶解、インゴット外周の削除により、酸化物等介在物が除去され、20μm以下の圧延により、水素分離膜が大きく、ピンホールのない水素分離膜とすることができる。   On the other hand, as another embodiment, the floating type cold crucible melting is similarly performed, and after removing the outer periphery of the solidified ingot as it is, the floating type cold crucible melting is performed once again and cast into a mold as it is. At this time, the second flotation type cold crucible dissolution can be performed under the same dissolution conditions. In this method, since the mold shape is a flat plate shape, subsequent forging can be omitted, simple post-rolling can be performed, and the process can be shortened. Also in this case, inclusions such as oxides are removed by the first floating-type cold crucible melting and deletion of the outer periphery of the ingot, and a hydrogen separation membrane having a large hydrogen separation membrane and no pinholes is obtained by rolling to 20 μm or less. Can do.

本発明の実施例1を以下に示す。
原材料として、2〜10mm塊状純Pd(純度99.9%)を760g、2〜10mm塊状純Ag(純度99.9%)を240g用意した。
図1に示す、市販のコールドクルーシブル溶解装置を用いて溶解を行った。コールドクルーシブル溶解装置1は、るつぼ2と、ターン数5の上部誘導コイル3と、ターン数3の下部誘導コイル4と、それらを覆う雰囲気を制御する容器7とから構成される。るつぼ2は、銅製、内径60mm、高さ80mmで、内部が水冷される構造となっている。るつぼ2は、周方向に16分割されるように幅0.1mmのスリットが入っている。るつぼ内に原材料を投入し、容器7内を真空ポンプで1Pa以下に真空排気した後、純度が99.99%の純アルゴンガスを導入し、容器内圧力を5×104Paとした。この真空排気、アルゴンガス置換操作を3回繰返した。次に、上部誘導コイル3に周波数50kHzの高周波電力を90kW、下部誘導コイル4に周波数3kHzの高周波電力を40kW印加した。投入したPd−Ag合金は溶解して浮揚した。溶解時間は30分とし、その後投入電力を切断し、急冷させた。溶融金属は凝固し、約3分で500℃以下となった。
Example 1 of the present invention is shown below.
As raw materials, 2 to 10 mm massive pure Pd (purity 99.9%) was prepared in 760 g, and 2 to 10 mm massive pure Ag (purity 99.9%) in 240 g.
Dissolution was performed using a commercially available cold crucible dissolution apparatus shown in FIG. The cold crucible melting apparatus 1 includes a crucible 2, an upper induction coil 3 having 5 turns, a lower induction coil 4 having 3 turns, and a container 7 for controlling the atmosphere covering them. The crucible 2 is made of copper, has an inner diameter of 60 mm, a height of 80 mm, and has a structure in which the inside is water-cooled. The crucible 2 has a slit with a width of 0.1 mm so as to be divided into 16 pieces in the circumferential direction. The raw material was put into the crucible, and the inside of the container 7 was evacuated to 1 Pa or less with a vacuum pump. Then, pure argon gas having a purity of 99.99% was introduced, and the internal pressure of the container was set to 5 × 10 4 Pa. This evacuation and argon gas replacement operation was repeated three times. Next, 90 kW of high frequency power with a frequency of 50 kHz was applied to the upper induction coil 3, and 40 kW of high frequency power with a frequency of 3 kHz was applied to the lower induction coil 4. The charged Pd—Ag alloy melted and floated. The melting time was 30 minutes, and then the input power was cut off and quenched. The molten metal solidified and became 500 ° C. or less in about 3 minutes.

続いて室温にまで冷却し、Pd−Ag合金インゴットを取出した。形状はおよそ直径60mm、厚さ29mmの円盤状に近いものであった。次にひけすなどの鋳造欠陥、介在物集積部を切削削除した。同じ条件で作製したPd−Agインゴットを事前に光学顕微鏡および断面観察の結果から、粒径が2μm以上の介在物の頻度が断面積1mm2につき、1個以上ある部分が、インゴット上面で約2mm、側面および底面で約1mmあったため、上面はひけすの最下部からさらに3mm、側面および底面を2mm切削加工により除去した。切削加工は市販の旋盤およびフライス盤を用いた。切削加工時に排出される切子は、回収して溶解精製し、純Pdとして再利用した。上記操作により得られた、粒径が2μm以上の介在物の頻度が大幅に低減された直径約56mm、厚さ約19mmの円盤状Pd−Ag合金インゴットは、次いで、鍛造成形した。鍛造は、Arガスを流量10L/minで炉内に流通させた電気炉内でPd合金インゴットを600℃で加熱し、炉から取出して鍛造機(油圧プレス機)により加圧することを繰り返して、板幅約50mm、長さ約47mm厚さ約20mmの直方体に近い形状とした。これは後工程である圧延をしやすい形状とするためである。 Then, it cooled to room temperature and took out the Pd-Ag alloy ingot. The shape was almost a disk shape with a diameter of 60 mm and a thickness of 29 mm. Next, cutting defects such as sink marks and inclusion inclusions were removed by cutting. Based on the results of optical microscope and cross-sectional observation of a Pd-Ag ingot produced under the same conditions, the frequency of inclusions having a particle size of 2 μm or more per cross-sectional area of 1 mm 2 is about 2 mm on the top surface of the ingot. Since the side and bottom surfaces were about 1 mm, the top surface was further removed by 3 mm from the bottom of the sink, and the side and bottom surfaces were removed by 2 mm. For the cutting process, a commercially available lathe and milling machine were used. The facets discharged at the time of cutting were recovered, dissolved and purified, and reused as pure Pd. The disk-shaped Pd—Ag alloy ingot having a diameter of about 56 mm and a thickness of about 19 mm, in which the frequency of inclusions having a particle diameter of 2 μm or more obtained by the above operation was significantly reduced, was then forged. Forging is repeated by heating the Pd alloy ingot at 600 ° C. in an electric furnace in which Ar gas is circulated at a flow rate of 10 L / min, taking out from the furnace and pressurizing with a forging machine (hydraulic press machine), The plate was approximately 50 mm long, approximately 47 mm long, and approximately 20 mm thick. This is for making it easy to roll in the subsequent process.

次に圧延を行った。鍛造成形したPd−Ag合金インゴットを、2段式小型ロール圧延機(ロール径150mm)を用いて、圧延前20mmの板厚が0.5mmとなるまでの繰り返し圧延を行った。途中4回焼鈍を行った。焼鈍はArガスを流量10L/minで炉内に流通させた電気炉内でPd合金インゴットを600℃、1時間加熱し炉冷した。その結果、幅約50mm、長さ約1.8m、板厚0.5mmのPd合金板が得られた。次に20段式小型ロール圧延機(圧延ロール径12mm)を用い、最終膜厚である5μmまで圧延した。圧延材は長さが2m以上に長くなるため、ロールに巻取り、巻取りロール間を連続供給しながら圧延機を通すことにより圧延した。ただし。圧延機と巻き取りロール間は幅50mのステンレス箔をPd合金板に継ぎ足した。また途中で焼鈍を3回実施した。焼鈍は、巻き取りロール間で連続的に供給し、巻き取りロール間に設置した電気炉内を通過させることにより行った。その際Pd合金板の任意の部分が700℃で10分以上加熱されるようにした。   Next, rolling was performed. The forged Pd—Ag alloy ingot was repeatedly rolled using a two-stage small roll mill (roll diameter: 150 mm) until the plate thickness of 20 mm before rolling reached 0.5 mm. In the middle, annealing was performed four times. For annealing, the Pd alloy ingot was heated at 600 ° C. for 1 hour in an electric furnace in which Ar gas was circulated at a flow rate of 10 L / min to cool the furnace. As a result, a Pd alloy plate having a width of about 50 mm, a length of about 1.8 m, and a plate thickness of 0.5 mm was obtained. Next, using a 20-stage small roll mill (rolling roll diameter: 12 mm), the film was rolled to a final film thickness of 5 μm. Since the rolled material has a length of 2 m or longer, the rolled material was rolled by rolling and passing through a rolling mill while continuously feeding the winding rolls. However. A stainless steel foil having a width of 50 m was added to the Pd alloy plate between the rolling mill and the take-up roll. Further, annealing was performed three times along the way. The annealing was performed by continuously supplying between the winding rolls and passing through an electric furnace installed between the winding rolls. At that time, an arbitrary portion of the Pd alloy plate was heated at 700 ° C. for 10 minutes or more.

以上の工程で得られた幅50mm、厚さ5μm、長さ約180mのPd−Ag合金水素分離膜からその一部を長さ200mmに切断した。
次に、図2に示すとおり、支持板10を製作した。図2(A)は、支持板10の正面図であり、図2(B)は、側面図である。支持板10は、幅50mm×長さ200mm×厚さ0.1mmのステンレス製板であって、縁部幅5mmを残して中央部に多数貫通穴加工101を施した。さらに、幅50mm×長さ200mmで、厚さが0.3mmおよび0.5mmの支持板を同様に製作した。これら3枚とPd合金水素分離膜とを重ね合わせ、拡散接合により接合することで接合体12を得た。拡散接合は500℃に加熱した真空炉内で2kg/mm2の面圧をかけ、1時間維持することにより行った。
A part of the Pd—Ag alloy hydrogen separation membrane having a width of 50 mm, a thickness of 5 μm, and a length of about 180 m obtained by the above steps was cut into a length of 200 mm.
Next, as shown in FIG. 2, a support plate 10 was manufactured. 2A is a front view of the support plate 10, and FIG. 2B is a side view. The support plate 10 is a stainless steel plate having a width of 50 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 0.1 mm, and a large number of through-holes 101 are provided in the central portion leaving an edge width of 5 mm. Further, support plates having a width of 50 mm × a length of 200 mm and thicknesses of 0.3 mm and 0.5 mm were similarly manufactured. These three sheets and the Pd alloy hydrogen separation membrane were superposed and joined by diffusion bonding to obtain a joined body 12. Diffusion bonding was performed by applying a surface pressure of 2 kg / mm 2 in a vacuum furnace heated to 500 ° C. and maintaining for 1 hour.

次に、図3に示す幅54mm、厚さ10mm、長さ210mmのベース板11(片面側のみに縁部を除く幅40mm、長さ180mmの部分で、深さ6mmの段加工が行われており、この段加工部は、長手方向端部で貫通穴により外部にパイプ111により接続されている)に、接合体12をその周囲を溶接して張り付け、図4に示す水素分離膜の構造体13を得た。   Next, a base plate 11 having a width of 54 mm, a thickness of 10 mm, and a length of 210 mm shown in FIG. 3 (a step of 6 mm in depth is performed at a portion having a width of 40 mm and a length of 180 mm excluding the edge on only one side). The stepped portion is connected to the outside by a pipe 111 at the end in the longitudinal direction by a pipe 111), and the joined body 12 is welded to the periphery thereof, and the structure of the hydrogen separation membrane shown in FIG. 13 was obtained.

溶接欠陥がないことをPT試験により確認した後、図5に示すように、膜/支持板/ベース板の構造体13を、内径70mm、長さ350mmの加圧容器14内に入れて、室温で、窒素ガスで2MPaに容器内を加圧し、膜/支持板を通過してベース板パイプ111より漏れ出るガス量を測定することにより、膜のリーク量を測定した。検査判定しきい値として、漏れガス流量を0.1cc/minに設定し、これ未満の漏れ量の試験体を合格とした。以上の手順で20体の試験体を製作し評価した結果、15本が合格し歩留り75%が得られた。   After confirming that there is no welding defect by PT test, as shown in FIG. 5, the membrane / support plate / base plate structure 13 is placed in a pressurized container 14 having an inner diameter of 70 mm and a length of 350 mm. Then, the inside of the container was pressurized to 2 MPa with nitrogen gas, and the amount of gas leaking from the base plate pipe 111 through the membrane / support plate was measured, thereby measuring the amount of leakage of the membrane. As the inspection determination threshold value, the leakage gas flow rate was set to 0.1 cc / min, and a specimen having a leakage amount less than this was regarded as acceptable. As a result of producing and evaluating 20 specimens by the above procedure, 15 specimens passed and a yield of 75% was obtained.

次に判定で合格した構造体13のうちの1体を図6に示すように、内径60mm、長さ250mmの別の容器14aに入れ、容器を管状炉で500℃に加熱し、容器内に0.2MPaの水素ガスを充填させ、Pd合金水素分離膜を通過してベース板パイプから流出する水素ガス流量を測定した。水素取り出しパイプ側の圧力は0.1MPaとした。透過水素量を時間、膜面積および水素分圧差の平方根で割ることにより、単位時間、単位面積、単位圧力差あたりの水素透過流量を算出した。その結果、水素透過流量は5.3×10-3mol/m2/s/Pa1/2であり、燃料電池システム向けあるいは半導体工場向けの水素製造装置に適用するのに、十分な特性であった。 Next, as shown in FIG. 6, one of the structures 13 that passed the determination is placed in another container 14a having an inner diameter of 60 mm and a length of 250 mm, and the container is heated to 500 ° C. in a tubular furnace. A hydrogen gas flow of 0.2 MPa was charged, and the flow rate of hydrogen gas flowing out of the base plate pipe through the Pd alloy hydrogen separation membrane was measured. The pressure on the hydrogen take-out pipe side was set to 0.1 MPa. The hydrogen permeation flow rate per unit time, unit area, and unit pressure difference was calculated by dividing the amount of permeated hydrogen by the square root of time, membrane area, and hydrogen partial pressure difference. As a result, the hydrogen permeation flow rate is 5.3 × 10 −3 mol / m 2 / s / Pa 1/2, which has sufficient characteristics to be applied to hydrogen production equipment for fuel cell systems or semiconductor factories. there were.

本発明の実施例2を以下に示す。
素材として、2〜10mm塊状純Pd(純度99.9%)を4500g、2〜10mm塊状純Ce(純度99.9%)を500g用意した。
図1に示す市販のコールドクルーシブル溶解装置を用いて溶解を行った。るつぼ2は、銅製、内径100mm、高さ100mmで、内部が水冷される構造となっており、周方向に24分割されるように幅0.1mmのスリットが入っていた。るつぼ底面の中心には直径10mmの孔があけてあり、孔は直径9.8mmの水冷銅製のふたが設置されていた。
Example 2 of the present invention is shown below.
As a raw material, 4500 g of 2 to 10 mm lump pure Pd (purity 99.9%) and 500 g of 2 to 10 mm lump pure Ce (purity 99.9%) were prepared.
Dissolution was performed using a commercially available cold crucible dissolution apparatus shown in FIG. The crucible 2 was made of copper, had an inner diameter of 100 mm, a height of 100 mm, and had a structure in which the inside was water-cooled, and had a slit with a width of 0.1 mm so as to be divided into 24 in the circumferential direction. A hole with a diameter of 10 mm was formed at the center of the bottom of the crucible, and a water-cooled copper lid with a diameter of 9.8 mm was installed in the hole.

るつぼ内に素材を投入し、容器7内を真空ポンプで1Pa以下に真空排気した後、純度4Nアルゴンベース3体積%水素混合ガスを導入し、容器内圧力を5×104Paとした。この真空排気、アルゴン水素混合ガス置換操作を3回繰返した。次に上部誘導コイル3に周波数50kHzの高周波電力を180kW、下部誘導コイル4に周波数3kHzの高周波電力を70kW印加した。投入したPd−Ce合金は溶融して浮遊した。溶解時間は30分とし、その後投入電力を切断し、急冷させた。溶融金属は凝固し、約3分で500℃以下となった。 The raw material was put into the crucible, and the inside of the container 7 was evacuated to 1 Pa or less with a vacuum pump. Then, a 4N argon base 3% by volume hydrogen mixed gas was introduced, and the inside pressure of the container was set to 5 × 10 4 Pa. This evacuation and argon-hydrogen mixed gas replacement operation was repeated three times. Next, high frequency power with a frequency of 50 kHz was applied to the upper induction coil 3 at 180 kW, and high frequency power at a frequency of 3 kHz was applied to the lower induction coil 4 at 70 kW. The charged Pd—Ce alloy melted and floated. The melting time was 30 minutes, and then the input power was cut off and quenched. The molten metal solidified and became 500 ° C. or less in about 3 minutes.

続いて、Pd−Ce合金を室温にまで冷却し、Pd−Ce合金インゴットを取出した。Pd−Ce合金インゴットの形状は、およそ直径100mm、厚さ52mmの円盤状に近いものであった。次に、ひけすなどの鋳造欠陥、介在物集積部を切削削除した。同じ条件で作製したPd−Agインゴットを事前に光学顕微鏡および断面観察した結果から、粒径が2μm以上の介在物の頻度が断面積1mm2につき、1個以上ある部分が、インゴット上面で約3mm、側面および底面で約2mmあったため、上面はひけすの最下部からさらに4mm、側面および底面を3mm切削加工により除去した。切削加工は市販の旋盤およびフライス盤を用いた。 Subsequently, the Pd—Ce alloy was cooled to room temperature, and the Pd—Ce alloy ingot was taken out. The shape of the Pd—Ce alloy ingot was almost a disk shape having a diameter of 100 mm and a thickness of 52 mm. Next, casting defects such as sink marks and inclusion accumulation portions were removed by cutting. From the result of the optical microscope and cross-sectional observation of the Pd-Ag ingot produced under the same conditions in advance, the frequency of inclusions having a particle size of 2 μm or more per cross-sectional area of 1 mm 2 is about 3 mm on the top surface of the ingot. Since the side and bottom surfaces were about 2 mm, the top surface was further removed by 4 mm from the bottom of the sink, and the side and bottom surfaces were removed by 3 mm cutting. For the cutting process, a commercially available lathe and milling machine were used.

上記操作により得られた、粒径が2μm以上の介在物の頻度が大幅に低減された直径約94mm、厚さ約39mmの円盤状Pd−Ce合金インゴットを、もう一度コールドクルーシブル溶解装置に投入した。次に、容器7内を真空ポンプで1Pa以下に真空排気した後、純度4Nアルゴンベース3体積%水素混合ガスを導入し、容器内圧力を5×104Paとした。この真空排気、アルゴン水素混合ガス置換操作を3回繰返した。次に上部誘導コイル3に周波数50kHzの高周波電力を180kW、下部誘導コイル4に周波数3kHzの高周波電力を70kW印加した。投入したPd−Ce合金は再び溶融して浮遊した。溶解時間は30分とし、その後投入電力はそのままにして、るつぼ底部のふたを引き抜く操作を行った。溶融したPd−Ce合金は、その下に設置したグラファイト製鋳型に注がれ、鋳型内で凝固させた。鋳型内寸は、幅120mm、奥行き20mm、高さ200mmで、Pd−Ce合金は幅約120mm、厚さ約20mm、長さ約110mmの板状となった。 The disc-shaped Pd—Ce alloy ingot obtained by the above operation and having a diameter of about 94 mm and a thickness of about 39 mm, in which the frequency of inclusions having a particle size of 2 μm or more was significantly reduced, was once again put into a cold-crucible melting apparatus. Next, after the inside of the container 7 was evacuated to 1 Pa or less with a vacuum pump, a 4N argon base 3% by volume hydrogen mixed gas was introduced, and the internal pressure of the container was set to 5 × 10 4 Pa. This evacuation and argon-hydrogen mixed gas replacement operation was repeated three times. Next, high frequency power with a frequency of 50 kHz was applied to the upper induction coil 3 at 180 kW, and high frequency power at a frequency of 3 kHz was applied to the lower induction coil 4 at 70 kW. The charged Pd—Ce alloy melted again and floated. The melting time was 30 minutes, and then the operation of pulling out the lid at the bottom of the crucible was carried out with the input power kept unchanged. The molten Pd—Ce alloy was poured into a graphite mold placed thereunder and solidified in the mold. The inner dimensions of the mold were 120 mm in width, 20 mm in depth, and 200 mm in height, and the Pd—Ce alloy was a plate having a width of about 120 mm, a thickness of about 20 mm, and a length of about 110 mm.

次に板状のPd−Ce合金板の表裏面を深さ2mm、幅方向を、両端部を深さ5mm、長手方向両端部を20mmフライス加工およびエンドミル加工により除去し、幅110mm、厚さ16mm、長さ70mmの板状とした。   Next, the front and back surfaces of the plate-like Pd—Ce alloy plate are 2 mm deep, the width direction is 5 mm deep at both ends, and the both longitudinal ends are removed by milling and end milling, the width is 110 mm, and the thickness is 16 mm. The plate was 70 mm long.

次にPd−Ce合金板材の圧延を行った。まず2段式小型ロール圧延機(ロール径150mm)を用いて、圧延前16mmの板厚が0.5mmとなるまでの繰り返し圧延を行った。途中4回焼鈍を行った。焼鈍はArガスを流量10L/minで炉内に流通させた電気炉内でPd−Ce合金インゴットを600℃、1時間加熱し炉冷した。その結果、幅約110mm、長さ約2.2m、板厚0.5mmのPd合金板が得られた。次に20段式小型ロール圧延機(圧延ロール径12mm)を用い、最終膜厚である5μmまで圧延した。圧延材は長さが2m以上に長くなるため、ロールに巻取り、巻取りロール間を連続供給しながら圧延機を通すことにより圧延した。ただし、圧延機と巻き取りロール間は幅50mのステンレス箔をPd合金板に継ぎ足した。また途中で焼鈍を3回実施した。焼鈍は、巻き取りロール間で連続的に供給し、巻き取りロール間に設置した電気炉内を通過させることにより行った。その際Pd合金板の任意の部分が700℃で10分以上加熱されるようにした。   Next, the Pd—Ce alloy sheet was rolled. First, using a two-stage small roll mill (roll diameter: 150 mm), repeated rolling was performed until the plate thickness of 16 mm before rolling became 0.5 mm. In the middle, annealing was performed four times. In the annealing, the Pd—Ce alloy ingot was heated at 600 ° C. for 1 hour in an electric furnace in which Ar gas was circulated at a flow rate of 10 L / min to cool the furnace. As a result, a Pd alloy plate having a width of about 110 mm, a length of about 2.2 m, and a plate thickness of 0.5 mm was obtained. Next, using a 20-stage small roll mill (rolling roll diameter: 12 mm), the film was rolled to a final film thickness of 5 μm. Since the rolled material has a length of 2 m or longer, the rolled material was rolled by rolling and passing through a rolling mill while continuously feeding the winding rolls. However, a stainless steel foil having a width of 50 m was added to the Pd alloy plate between the rolling mill and the take-up roll. Further, annealing was performed three times along the way. The annealing was performed by continuously supplying between the winding rolls and passing through an electric furnace installed between the winding rolls. At that time, an arbitrary portion of the Pd alloy plate was heated at 700 ° C. for 10 minutes or more.

以上の工程で得られた幅110mm、厚さ5μm、長さ約220mのPd−Ag合金水素分離膜の一部から幅50mm、長さ200mmのPd−Ce合金水素分離膜を200枚切出した。
次に、実施例1と同様に支持板10との接合、ベース板11への溶接を行い、200体の構造体13を製作し、これらすべてのリーク量の測定を行った結果、162本が合格となった。合格率は80%で、実施例1を上回った。この理由はコールドクルーシブル溶解時に雰囲気に水素ガスを混合することにより、容器壁面などに吸着した水蒸気などによる雰囲気中の酸素ポテンシャルが下がり、溶融金属中の酸化しやすいCeおよびAl、Si等の不可避不純物の酸化の進行が抑制され、浮揚型コールドクルーシブル溶解による酸化物粒子排出効果との相乗効果で、合金中に残留する酸化物介在物が更に低減できたためと考えられる。
200 Pd—Ce alloy hydrogen separation membranes having a width of 50 mm and a length of 200 mm were cut out from a part of the Pd—Ag alloy hydrogen separation membrane having a width of 110 mm, a thickness of 5 μm, and a length of about 220 m obtained in the above steps.
Next, joining to the support plate 10 and welding to the base plate 11 were performed in the same manner as in Example 1, 200 structural bodies 13 were produced, and all these leaks were measured. Passed. The pass rate was 80%, which exceeded Example 1. The reason for this is that by mixing hydrogen gas into the atmosphere during cold crucible dissolution, the oxygen potential in the atmosphere due to water vapor adsorbed on the vessel wall surface etc. is lowered, and inevitable impurities such as Ce, Al, and Si that are easily oxidized in the molten metal This is thought to be because the progress of the oxidation of the metal was suppressed, and the oxide inclusions remaining in the alloy could be further reduced by a synergistic effect with the oxide particle discharge effect by the floating type cold crucible dissolution.

次に判定で合格した構造体13のうち4体を実施例1と同様に水素ガス流量を測定した。この結果、4体の平均水素透過流量は1.2×10-2mol/m2/s/Pa1/2であり、燃料電池システム向けあるいは半導体工場向けの水素製造装置に適用するのに、十分な特性であった。 Next, the hydrogen gas flow rate was measured for four of the structures 13 that passed the determination in the same manner as in Example 1. As a result, the average hydrogen permeation flow rate of the four bodies is 1.2 × 10 −2 mol / m 2 / s / Pa 1/2, which is applicable to a hydrogen production apparatus for a fuel cell system or a semiconductor factory. It was sufficient characteristics.

比較例1Comparative Example 1

本発明の比較例1を以下に示す。
素材として、2〜10mm塊状純Pd(純度99.9%)を760g、同純Ag(純度99.9%)を240g用意した。
図7に示す、市販の従来の高周波溶解装置を用いて溶解を行った。高周波溶解装置100は、るつぼ102と、ターン数5の高周波コイル103、鋳型106、それらを覆う雰囲気を制御する容器107から構成される。るつぼ102は、アルミナ製で、内径60mm、高さ80mmであり、るつぼ102は中心付近を軸に上下方向に180度傾けることが可能な構造とした。るつぼ102の下方にグラファイト製鋳型106を設置した。鋳型106内寸は幅55mm、奥行き20mm、高さ200mmとした。るつぼ102内にPd合金材料105を投入し、容器107内を真空ポンプで1Pa以下に真空排気した。その後、純度99.99%の純アルゴンガスを導入し、容器107内圧力を5×104Paとした。この真空排気、アルゴンガス置換操作を3回繰返した。次に高周波コイル103に周波数50kHzの高周波電力を60kW、印加した。投入したPd−Ag合金は溶解した。溶解時間は25分とし、その後投入電力を切断し、るつぼ102を傾けて溶融金属を鋳型106内に流し込んだ。
Comparative Example 1 of the present invention is shown below.
As materials, 760 g of 2 to 10 mm lump pure Pd (purity 99.9%) and 240 g of the same pure Ag (purity 99.9%) were prepared.
Dissolution was performed using a commercially available conventional high-frequency dissolution apparatus shown in FIG. The high-frequency melting apparatus 100 includes a crucible 102, a high-frequency coil 103 having 5 turns, a mold 106, and a container 107 for controlling the atmosphere covering them. The crucible 102 is made of alumina and has an inner diameter of 60 mm and a height of 80 mm. The crucible 102 has a structure that can be tilted 180 degrees in the vertical direction around the center. A graphite mold 106 was installed below the crucible 102. The inner dimension of the mold 106 was 55 mm in width, 20 mm in depth, and 200 mm in height. The Pd alloy material 105 was put into the crucible 102, and the inside of the container 107 was evacuated to 1 Pa or less with a vacuum pump. Thereafter, pure argon gas having a purity of 99.99% was introduced, and the internal pressure of the container 107 was set to 5 × 10 4 Pa. This evacuation and argon gas replacement operation was repeated three times. Next, 60 kW of high frequency power having a frequency of 50 kHz was applied to the high frequency coil 103. The charged Pd—Ag alloy was dissolved. The melting time was 25 minutes, and then the input power was cut off, and the crucible 102 was tilted to flow the molten metal into the mold 106.

そのまま室温にまで冷却し、Pd−Ag合金インゴットを取出した。形状はおよそ幅55mm、奥行き20mm、高さ75mmの直方体であった。直方体インゴットの幅方向および奥行き方向の表面から2mmをエンドミル加工、フライス加工により切削削除し、高さ方向には上部20mm、下部5mmを切断した。以上により、幅50mm厚さ16mm、長さ50mmのPd−Ag合金板材となった。   It was cooled to room temperature as it was, and the Pd—Ag alloy ingot was taken out. The shape was a rectangular parallelepiped having a width of 55 mm, a depth of 20 mm, and a height of 75 mm. 2 mm from the surface in the width direction and depth direction of the rectangular parallelepiped ingot was cut and removed by end milling and milling, and the upper part 20 mm and the lower part 5 mm were cut in the height direction. As a result, a Pd—Ag alloy sheet having a width of 50 mm, a thickness of 16 mm, and a length of 50 mm was obtained.

次に、Pd−Ag合金板材の圧延を行った。Pd−Ag合金板材を、2段式小型ロール圧延機(ロール径150mm)を用いて、圧延前16mmの板厚が0.5mmとなるまでの繰り返し圧延を行った。途中4回焼鈍を行った。焼鈍はArガスを流量10L/minで炉内に流通させた電気炉内でPd合金インゴットを600℃、1時間加熱し炉冷した。その結果、幅約50mm、長さ約1.6m、板厚0.5mmのPd合金板が得られた。次に、20段式小型ロール圧延機(圧延ロール径12mm)を用い、最終膜厚である5μmまで圧延した。最終的に幅約50mm、長さ約160m、膜厚5μmとなった。圧延材は長さが2m以上に長くなるため、ロールに巻取り、巻取りロール間を連続供給しながら圧延機を通すことにより圧延した。ただし、圧延機と巻き取りロール間は幅50mのステンレス箔をPd合金板に継ぎ足した。また途中で焼鈍を3回実施した。焼鈍は、巻き取りロール間で連続的に供給し、巻き取りロール間に設置した電気炉内を通過させることにより行った。その際Pd合金板の任意の部分が700℃10分以上加熱されるようにした。   Next, the Pd—Ag alloy sheet was rolled. The Pd—Ag alloy sheet was repeatedly rolled using a two-stage small roll mill (roll diameter: 150 mm) until the plate thickness of 16 mm before rolling reached 0.5 mm. In the middle, annealing was performed four times. For annealing, the Pd alloy ingot was heated at 600 ° C. for 1 hour in an electric furnace in which Ar gas was circulated at a flow rate of 10 L / min to cool the furnace. As a result, a Pd alloy plate having a width of about 50 mm, a length of about 1.6 m, and a plate thickness of 0.5 mm was obtained. Next, it rolled to 5 micrometers which is a final film thickness using the 20-stage type small roll mill (rolling roll diameter 12mm). Finally, the width was about 50 mm, the length was about 160 m, and the film thickness was 5 μm. Since the rolled material has a length of 2 m or longer, the rolled material was rolled by rolling and passing through a rolling mill while continuously feeding the winding rolls. However, a stainless steel foil having a width of 50 m was added to the Pd alloy plate between the rolling mill and the take-up roll. Further, annealing was performed three times along the way. The annealing was performed by continuously supplying between the winding rolls and passing through an electric furnace installed between the winding rolls. At that time, an arbitrary part of the Pd alloy plate was heated at 700 ° C. for 10 minutes or more.

以下、実施例1と同様に、Pd−Ag合金水素分離膜の切出し、支持板10との接合、ベース板11への溶接を行い、溶接欠陥がないことをPT試験により確認した後、膜のリーク量を測定した。その結果、20体の試験体すべてが0.1cc/min以上の漏れ示し、合格品が得られなかった。   Thereafter, similarly to Example 1, the Pd—Ag alloy hydrogen separation membrane was cut out, joined to the support plate 10, welded to the base plate 11, and it was confirmed by the PT test that there was no welding defect. The amount of leak was measured. As a result, all 20 specimens showed leakage of 0.1 cc / min or more, and no acceptable product was obtained.

リーク部を特定して、詳細な観察、成分分析を行った結果、膜中に直径が5μm〜20μmのアルミ酸化物、シリコン酸化物、アルミシリコン複合酸化物粒子が膜を貫通する形で存在し、その周囲からリークが生じていることが明らかになった。酸化物粒子は投入素材中の不純物および溶解るつぼ材の混入が主な侵入経路と考えられる。   As a result of conducting detailed observation and component analysis by specifying the leak portion, aluminum oxide, silicon oxide, and aluminum silicon composite oxide particles having a diameter of 5 μm to 20 μm exist in the film in a form penetrating the film. It was revealed that there was a leak from its surroundings. Oxide particles are considered to be mainly intruded through impurities in the input material and mixing of the melting crucible.

比較例2Comparative Example 2

本発明の比較例2を以下に示す。
比較例1と同様に高周波溶解、鋳造および加工により、幅50mm厚さ16mm、長さ50mmのPd−Ag合金板材となった。
Comparative Example 2 of the present invention is shown below.
As in Comparative Example 1, a Pd—Ag alloy plate material having a width of 50 mm, a thickness of 16 mm, and a length of 50 mm was obtained by high-frequency melting, casting, and processing.

次に比較例1と同様に圧延を行った。ただし、比較例2では、最終板厚を20μmとした。その結果、幅50mm、厚さ20μm、長さ約40mとなった。その後、実施例1と同様に、Pd−Ag合金の切出し、支持板10との接合、ベース板11への溶接を行い、溶接欠陥がないことをPT試験により確認した。このような構造体13を20体作製した。これらの構造体13の膜のリーク量を測定した結果、16体の試験体が0.1cc/min以下の漏れ示し、合格品となった。   Next, rolling was performed in the same manner as in Comparative Example 1. However, in Comparative Example 2, the final plate thickness was 20 μm. As a result, the width was 50 mm, the thickness was 20 μm, and the length was about 40 m. Thereafter, similarly to Example 1, the Pd—Ag alloy was cut out, joined to the support plate 10, and welded to the base plate 11, and it was confirmed by the PT test that there was no welding defect. Twenty such structural bodies 13 were produced. As a result of measuring the amount of leakage of the film of these structural bodies 13, 16 specimens showed leakage of 0.1 cc / min or less, resulting in acceptable products.

合格した試験体を実施例1と同様にして水素透過量を測定した結果、単位時間、単位膜面積、単位水素分圧差あたりの水素透過流量は1.2×10-3mol/m2/s/Pa1/2であり、実施例1の1/4以下の透過流量であり、不十分であった。 As a result of measuring the hydrogen permeation amount of the passed specimen in the same manner as in Example 1, the hydrogen permeation flow rate per unit time, unit membrane area, and unit hydrogen partial pressure difference was 1.2 × 10 −3 mol / m 2 / s. / Pa 1/2, which is a permeation flow rate equal to or less than ¼ of Example 1, and was insufficient.

本発明の活用例として、燃料電池システムに含まれる水素製造装置に適用することができる。   As an application example of the present invention, it can be applied to a hydrogen production apparatus included in a fuel cell system.

図1は、本発明の方法に用いることができるコールドクルーシブル溶解装置の一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing an example of a cold crucible dissolving apparatus that can be used in the method of the present invention. 図2は、支持板の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of the support plate. 図3は、ベース板の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of the base plate. 図4は、水素分離膜、支持板、ベース板からなる水素分離膜の構造体の概略図である。FIG. 4 is a schematic view of a structure of a hydrogen separation membrane comprising a hydrogen separation membrane, a support plate, and a base plate. 図5は、水素分離膜におけるガスのリーク量の測定方法を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view showing a method for measuring the amount of gas leakage in the hydrogen separation membrane. 図6は、水素分離膜における水素透過流量の測定方法を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing a method for measuring the hydrogen permeation flow rate in the hydrogen separation membrane. 図7は、従来の高周波溶解装置の一例を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic view showing an example of a conventional high-frequency melting apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 コールドクルーシブル溶解装置
2 るつぼ
3 上部誘導コイル
31 電源
4 下部誘導コイル
41 電源
5 金属
6 鋳型
7 容器
10 支持板
101 貫通孔加工部
11 ベース板
111 パイプ
12 膜/支持板の接合体
13 構造体
14、14a 加圧容器
100 高周波溶解装置
102 るつぼ
103 高周波コイル
104 高周波電源
105 Pd合金材料
106 鋳型
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cold crucible melter 2 Crucible 3 Upper induction coil 31 Power supply 4 Lower induction coil 41 Power supply 5 Metal 6 Mold 7 Container 10 Support plate 101 Through-hole processing part 11 Base plate 111 Pipe 12 Membrane / support plate assembly 13 Structure 14 , 14a Pressurized container 100 High-frequency melting apparatus 102 Crucible 103 High-frequency coil 104 High-frequency power source 105 Pd alloy material 106 Mold

Claims (5)

Pd合金を浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解し、インゴットを得るステップと、
該インゴットの介在物集積部を除去するステップと、
該介在物集積部が除去されたインゴットを鍛造し、圧延するステップと
を含む、水素分離膜の製造方法。
Melting a Pd alloy by a floating cold crucible melting method to obtain an ingot;
Removing inclusion inclusions of the ingot;
Forging and rolling the ingot from which the inclusion accumulation part has been removed.
Pd合金を浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解し、インゴットを得るステップと、
該インゴットの介在物集積部を除去するステップと、
該介在物集積部が除去されたインゴットを再び浮揚型コールドクルーシブル溶解法により溶解するステップと、
溶解されたPd合金を、鋳型に鋳造するステップと、
鋳造されたPd合金を成形、圧延するステップと
を含む、水素分離膜の製造方法。
Melting a Pd alloy by a floating cold crucible melting method to obtain an ingot;
Removing inclusion inclusions of the ingot;
Dissolving the ingot from which the inclusion accumulation portion has been removed again by a floating-type cold crucible melting method;
Casting the molten Pd alloy into a mold;
Forming and rolling a cast Pd alloy. A method for producing a hydrogen separation membrane.
前記浮揚型コールドクルーシブル溶解において、溶解雰囲気をアルゴン雰囲気またはアルゴンベース水素混合雰囲気とする、請求項1または2に記載の水素分離膜の製造方法。 3. The method for producing a hydrogen separation membrane according to claim 1, wherein in the levitation type cold crucible melting, a melting atmosphere is an argon atmosphere or an argon-based hydrogen mixed atmosphere. 前記介在物集積部が除去されたインゴットを圧延するステップにおいて、該インゴットを20μm以下にまで圧延する、請求項1から3のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein in the step of rolling the ingot from which the inclusion accumulation portion has been removed, the ingot is rolled to 20 μm or less. 請求項1から4のいずれかに記載の方法により製造された水素分離膜。 A hydrogen separation membrane produced by the method according to claim 1.
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