JP2010240637A - Nb膜、周期律表5A族金属合金膜を使用した水素分離システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】室温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの室温且つ常圧の低水素濃度ガスからNb膜により水素を分離するシステムであって、(a)Nb膜と、(b)燃焼器からなる加熱手段と、(c)前記Nb膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、(d)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、(e)Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、Nb膜を300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。
【選択図】図1
Description
(a)Nb膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)前記Nb膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(d)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(e)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、Nb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)Nb膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(d)前記Nb膜の一次側に高温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(e)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(f)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱利用する加熱手段により、Nb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をボイラーにより発生する手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気を高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱により発生させる手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)Nb膜またはNb系合金膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)前記Nb膜またはNb系合金膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(d)前記Nb膜またはNb系合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(e)前記Nb膜またはNb系合金膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、Nb膜またはNb系合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)Nb膜またはNb系合金膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(d)前記Nb膜またはNb系合金膜の一次側に高温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(e)前記Nb膜またはNb系合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(f)前記Nb膜またはNb系合金膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱利用する加熱手段により、Nb膜またはNb系合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をボイラーにより発生する手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜またはNb系合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜またはNb系合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記Nb膜またはNb系合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜またはNb系合金膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜またはNb系合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気を高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱により発生させる手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜またはNb系合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜またはNb系合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記Nb膜またはNb系合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜またはNb系合金膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜またはNb系合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)周期律表5A族金属合金膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)前記5A族金属合金膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(d)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(e)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)周期律表5A族金属合金膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(d)前記5A族金属合金膜の一次側に高温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(e)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(f)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱利用する加熱手段により、5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をボイラーにより発生する手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面に5A族金属合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体の5A族金属合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及び5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気を高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱により発生させる手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面に5A族金属合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体の5A族金属合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及び5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システムである。
本発明(1)は、室温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、室温且つ常圧の低水素濃度ガスからNb膜により水素を分離するシステムである。そして、(a)Nb膜と、(b)燃焼器からなる加熱手段と、(c)前記Nb膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、(d)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(e)Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、Nb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明(2)は、高温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧の低水素濃度ガスからNb膜により水素を分離するシステムである。そして、
(a)Nb膜と、(b)燃焼器からなる加熱手段と、(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、(d)前記Nb膜の一次側に高温低水素濃度ガスを供給する手段と、(e)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(f)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱利用する加熱手段により、Nb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明(3)は、高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスからNb膜により水素を製造分離するシステムである。そして、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をボイラーにより発生する手段と、(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、(g)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明(4)は、高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスからNb膜により水素を製造分離するシステムである。そして、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をメタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱により発生させる手段と、(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、(g)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明(1)〜(4)において、Nb膜は一個とは限らず、その複数個を積層、あるいは併置して使用することができる。図5〜8はその態様例を説明する図であり、図6は図5中の水素分離装置11の内部、すなわち積層した角形平板状の部分を拡大して示した図である。多孔質支持体又は改質触媒兼支持体に支持したNb膜を角形平板状に構成し、その複数個を積層して構成した水素分離装置と、加熱装置である燃焼炉(=燃焼器)の配置、配管系などの概略を示している。
本発明(5)〜(8)は、低水素濃度ガス発生装置から発生するところの高温且つ常圧の低水素濃度ガスから、周期律表5A族金属合金膜により水素を分離するシステムである。周期律表5A族金属の合金膜の例としては、NbにWを添加して合金化したNb−W系合金膜、NbにW、Moを添加して合金化したNb−W−Mo系合金膜、VにWを添加して合金化したV−W系合金膜、TaにWを添加して合金化したTa−W系合金膜、NbにTaを添加して合金化したNb−Ta系合金膜、NbにTa、Wを添加して合金化したNb−Ta−W系合金膜等が挙げられるが、これらに限定されない。
本発明(5)は、室温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、室温且つ常圧の低水素濃度ガスから周期律表5A族金属合金膜により水素を分離するシステムである。そして、
(a)周期律表5A族金属合金膜と、(b)燃焼器からなる加熱手段と、(c)前記5A族金属合金膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、(d)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(e)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明(6)は、高温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧の低水素濃度ガスから周期律表5A族金属合金膜により水素を分離するシステムである。そして、
(a)周期律表5A族金属合金膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(d)前記5A族金属合金膜の一次側に高温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(e)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(f)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱利用する加熱手段により、5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明(7)は、高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスから5A族金属合金膜により水素を製造分離するシステムである。そして、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をボイラーにより発生する手段と、(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面に5A族金属合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、(f)前記改質触媒兼支持体の5A族金属合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、(g)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及び5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明(8)は、 高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスから5A族金属合金膜により水素を製造分離するシステムである。そして、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気を高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱により発生させる手段と、(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面に5A族金属合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、(f)前記改質触媒兼支持体の5A族金属合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、(g)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及び5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする。
本発明者らは、Nb膜は、H/M=0.26以下〔ここで、Mは金属原子数を表し、例えば、MをNbとすれば、H/Nbは当該Nbに対する固溶Hの原子数の比(=原子比)〕の領域では延性を示し、そのようなH/M=0.26以下という低固溶水素量であれば、水素分離膜として使用可能であることを見い出した。本発明においては、Nb膜を、H/M=0.26以下の条件下、300〜500℃の温度範囲で使用するものである。
以下、SP試験装置の構造および試験事項と、その操作法の概略を説明する。図13はSP試験装置、操作法を説明する図で、図13(a)は縦断面図、図13(b)は図13(a)中コア部分を拡大して示した図である。本SP試験装置は全体としては円筒状である。
導入水素貯留部32、導管33を経て供給する水素量を弁V1で調節することにより一次側の水素圧を調節し、導管34、導出水素貯留部35を経て導出する水素量を弁V2で調節することにより二次側の水素雰囲気の水素圧を調節する。これにより、後述膜試料50の一次側と二次側との水素雰囲気を同一の水素圧力に制御し、また異なる水素圧力に制御することができる。
50は膜試料、49は膜試料50を支持するガスケット(SUS鋼製)である。51は膜試料50の固定部材、54はパンチャー、55は鋼球もしくはSi3N4製の球である。固定部材51の下部は逆凹状に形成され、下端から上端に至る複数の貫通孔52を有している。当該逆凹状の底部面は膜試料の上面との間にスペースを保ち、複数の貫通孔52は水素雰囲気Yと連通している。
SP試験装置を使用して、縦横の長さ10mm、厚さ0.5mm(10mm×10mm×0.5mm=50mm3)のNb膜の試験片について、250〜550℃の範囲の各温度における固溶水素量C〔H/Nb(原子比、以下同じ。)〕に対する吸収エネルギーの変化を求めた。
ここで、吸収エネルギーとは、試験片の変形開始から破壊に至るまでに要した仕事量に対応(相当)している。パンチャー54により鋼球もしくはSi3N4製の球55を押し下げた圧力、つまり荷重(N)を変位量に対して積分する(=荷重−変位曲線の下の面積を計算する。)ことにより吸収エネルギーを算出する。図14においては当該吸収エネルギーを示している。
Nb膜に対する水素の固溶量は、ある所定温度におけるNb膜に対する水素の固溶量であり、Nbの原子数に対する固溶した水素の原子数で表される。例えば、固溶水素量C(H/Nb)=0.26とは、Nbの原子数100に対して固溶している水素の原子数が26であることを示している。
ここで、水素分離膜の水素透過性能は一般に、水素透過係数Φに係る式(1):Φ=J×d/(P1 1/2−P2 1/2)=D×Kを用いて評価されている。
ここで、PCT測定装置(JIS H 7201)とは、ある温度Tにおいて、物質が水素を吸蔵、放出するときの特性(圧力P、水素吸蔵量C)を測定する装置である。図15における固溶水素量Cは水素吸蔵量Cに相当している。
Nbについてシーベルツ則が成り立つとすると、図15中“C=K・P1/2”として示すとおり直線(以下“シーベルツ直線”と言う。)となる。しかし、図15中、純Nbとして示すとおり、Nbに対する固溶水素量がおおよそ0.06まではシーベルツ則の従うが、それ以上になるとシーベルツ直線から外れ、シーベルツ則に従わない領域があることを示している。
(2)Nb膜からなる水素分離膜を使用して水素含有ガスから水素を分離するに際して、Nb膜からなる水素分離膜を、温度500℃、Nbに対する固溶水素量C(H/Nb)0.09〜0.14(ΔH/Nb=0.05)、水素分圧差0.02〜0.01MPaの範囲で使用して水素含有ガスから水素を選択的に分離することができる。
(3)Nb膜からなる水素分離膜を使用して水素含有ガスから水素を分離するに際して、Nb膜からなる水素分離膜を、温度500℃、Nbに対する固溶水素量C(H/Nb)0.09〜0.19(ΔH/Nb=0.10)、水素分圧差0.01〜0.03MPaの範囲で使用して水素含有ガスから水素を選択的に分離することができる。
本SP試験装置は、V−W系合金膜に対して真空〜0.3MPaの水素圧力を負荷することができ、室温〜600℃の範囲で温度制御が可能であり、V−W系合金膜についてそれらの条件下における延性−脆性遷移を評価することが可能である。
SP試験装置を使用して、(1)V膜(=純V膜)の試験片、(2)V−5W合金膜(=VとWとの合計量中、Wが5モル%のV−W合金膜)の試験片について試験した。これらは、いずれも、アーク溶解法により製造した縦横の長さ10mm、厚さ0.5mm(10mm×10mm×0.5mm=50mm3)の試験片である。
また、0.001〜5.00MPaの各水素圧力とは、一次側水素雰囲気Yと二次側水素雰囲気Zは同一の水素圧力とし、V−5W合金膜の各試験片について当該水素圧力を所定水素圧力、例えば0.01MPaの一定水素圧力とし、試験が終了するまで同じ水素圧雰囲気で試験することを意味する。
図18に、純V膜のSP試験で得られた、温度300〜500℃におけるSP吸収エネルギーと固溶水素量の関係を示している。図18中、横軸は、V膜中の固溶水素量C〔H/M(ここではM=V)〕、縦軸は各V膜試料の固溶水素量に対する延性あるいは脆性破壊時の吸収エネルギーである。
“V−5W合金膜”についてのSP試験による水素脆性の定量評価は、以下のようにして行った。
PCT測定装置(JIS H 7201)による測定結果の例として、(1)の各試験片について400℃、(2)の各試験片について、400℃、450℃、500℃の温度における固溶水素量Cと水素圧力Pの関係を図19に示す。縦軸は水素圧力P(MPa)、横軸は固溶水素量C(H/M)である。PCT測定装置は、ある温度Tにおいて、物質が水素を吸蔵、放出するときの特性(圧力P、水素吸蔵量C)を測定する装置であり、図19における固溶水素量Cは水素吸蔵量Cに相当している。
水素透過速度試験の結果を図21に示した。図21には、V−5W合金膜とNb−5W合金膜のほかに、Pd−26Ag合金膜についての結果を示している。図21から、V−W系合金膜は、圧力条件如何によっては、Nb−W合金膜やPd−Ag合金膜と比較して高い水素透過速度を得ることが分かった。横軸は試験開始からの時間(min)、縦軸は単位時間(s)に単位面積(m2)を透過する水素の量を膜厚(m-1)で規格化した水素透過速度J・d(mol・m-1・s-1)である。
2 多孔質支持体
3 低水素濃度ガス供給層
4 水素回収層
21 改質触媒兼支持体
11 水素分離装置
12 低水素濃度ガス導入管
13 水素導出管
14 オフガス導出管
15 燃焼炉
16 バーナー
17 燃焼排ガス管
31 支持部材
39 蛇腹
42 支持部材31と相対する上部位置に置かれた上下動可能な上蓋部材
47 セラミックヒータ
50 膜試料
51 膜試料20の固定部材
52 貫通孔
55 鋼球もしくはSi3N4製の球
56 支持部材31の凸部
Claims (8)
- 室温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、室温且つ常圧の低水素濃度ガスからNb膜により水素を分離するシステムであって、
(a)Nb膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)前記Nb膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(d)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(e)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、Nb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。 - 高温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧の低水素濃度ガスからNb膜により水素を分離するシステムであって、
(a)Nb膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(d)前記Nb膜の一次側に高温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(e)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(f)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱利用する加熱手段により、Nb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。 - 高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスからNb膜により水素を製造分離するシステムであって、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をボイラーにより発生する手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。 - 高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスからNb膜により水素を製造分離するシステムであって、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気を高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱により発生させる手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面にNb膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体のNb膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記Nb膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記Nb膜の固溶水素量C(H/M)=0.26以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及びNb膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。 - 室温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、室温且つ常圧の低水素濃度ガスから周期律表5A族金属合金膜により水素を分離するシステムであって、
(a)周期律表5A族金属合金膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)前記5A族金属合金膜の一次側に室温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(d)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(e)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段により、5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。 - 高温低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧の低水素濃度ガスから周期律表5A族金属合金膜により水素を分離するシステムであって、
(a)周期律表5A族金属合金膜と、
(b)燃焼器からなる加熱手段と、
(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(d)前記5A族金属合金膜の一次側に高温低水素濃度ガスを供給する手段と、
(e)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(f)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(b)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(c)高温低水素濃度ガス発生装置の廃熱利用する加熱手段により、5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、低水素濃度ガスから水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。 - 高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスから5A族金属合金膜により水素を製造分離するシステムであって、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気をボイラーにより発生する手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面に5A族金属合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体の5A族金属合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及び5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。 - 高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置から発生するところの、高温且つ常圧のメタン含有低水素濃度ガスから5A族金属合金膜により水素を製造分離するシステムであって、
(a)燃焼器からなる加熱手段と、
(b)高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段と、
(c)メタン含有低水素濃度ガスに添加する水蒸気を高温メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱により発生させる手段と、
(d)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質触媒兼支持体に通してその中のメタンを水蒸気改質して水素を含む改質ガスを生成する手段と、
(e)前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを改質する改質触媒兼支持体の一面に5A族金属合金膜を配置してなるメタンを水蒸気改質し且つ水素を分離する手段と、
(f)前記改質触媒兼支持体の5A族金属合金膜と相対する側である一次側に前記水蒸気添加したメタン含有低水素濃度ガスを供給する手段と、
(g)前記5A族金属合金膜の二次側に水素を回収する手段と、を備え、
(h)前記5A族金属合金膜の固溶水素量C(H/M)が脆性−延性の境界値以下の条件下、前記(a)燃焼器からなる加熱手段及び/又は(b)メタン含有低水素濃度ガス発生装置の廃熱を利用する加熱手段により、前記改質触媒兼支持体及び5A族金属合金膜を温度=300〜500℃に加熱することにより、メタン含有低水素濃度ガスから水素を製造し、水素を選択的に分離するようにしてなることを特徴とする水素分離システム。
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