JP2023174210A

JP2023174210A - 水素透過フィルタ

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Publication number: JP2023174210A
Application number: JP2022086942A
Authority: JP
Inventors: 唯仲井; Yui Nakai; 昌紀笠原; Akitoshi Kasahara; 健史辻; Kenshi Tsuji; 哲也中畔; Tetsuya Nakaaze
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-12-07
Also published as: WO2023228832A1; TW202345956A

Abstract

【課題】脆化が起こりにくい水素透過フィルタを提供する。【解決手段】水素透過フィルタ１は、複数のタングステン線１０を用いて製織されたタングステンメッシュ２を備える。例えば、複数のタングステン線１０の各々の伸び率は、５％以上である。例えば、複数のタングステン線１０の各々の引張強度は、１６００ＭＰａ以上である。例えば、複数のタングステン線１０の各々の線径は、４０μｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、水素透過フィルタに関する。

特許文献１には、燃料電池用の水素透過フィルタとして、ステンレス鋼を用いて製造された筒型フィルタが開示されている。

特開２０１６－２２１５２３号公報

しかしながら、上記従来の筒型フィルタでは、脆化が起こりやすいという問題がある。

そこで、本発明は、脆化が起こりにくい水素透過フィルタを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る水素透過フィルタは、複数のタングステン線を用いて製織されたタングステンメッシュを備える。

本発明によれば、脆化が起こりにくい水素透過フィルタを提供することができる。

図１は、水素透過フィルタの外観及び一部を拡大して示す模式図である。図２は、水素透過フィルタが備えるタングステン線の製造方法を示すフローチャートである。図３は、実施例及び比較例に係るタングステン線の伸び率と引張強度との関係を示す散布図である。図４は、水素チャージ後のタングステン線の引張試験の結果を示す図である。図５は、水素チャージによる引張強度の変化を示す図である。図６は、実施の形態に係るタングステン線のコイリング試験の概要を示す図である。図７は、実施の形態に係るタングステン線を用いて製織された金属メッシュの断面図である。図８Ａは、コイリング試験後の実施例１６に係るタングステン線の外観を示す図である。図８Ｂは、図８Ａの一部を拡大した図である。図９Ａは、コイリング試験後の比較例１０に係るタングステン線の外観を示す図である。図９Ｂは、図９Ａの一部を拡大した図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る水素透過フィルタについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書において、要素間の関係性を示す用語、及び、円筒などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

（実施の形態）
［構成］
まず、本実施の形態に係る水素透過フィルタ１の概要について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る水素透過フィルタ１の外観及び一部を拡大して示す模式図である。

水素透過フィルタ１は、水素を透過させ、異物を除去するフィルタである。例えば、水素透過フィルタ１は、燃料電池に使用される。例えば、水素透過フィルタ１は、水素圧が１３５ＭＰａ以下の範囲で使用される。なお、１３５ＭＰａは、後述するＳＳＲＴ試験を実施可能な水素圧の上限の圧力である。

水素透過フィルタ１は、水素圧が１１０ＭＰａ以下の範囲で使用されてもよい。これにより、水素透過フィルタ１は、一般的な水素ステーションなどで利用することができる。また、水素透過フィルタ１は、水素圧が７０ＭＰａ以下の範囲で使用されてもよい。これにより、水素透過フィルタ１は、燃料電池を搭載する自動車、又は、水素燃料エンジンを搭載する自動車などに利用することができる。

図１に示されるように、水素透過フィルタ１は、複数のタングステン線１０を用いて製織されたタングステンメッシュ２を備える。具体的には、水素透過フィルタ１は、円筒形状のタングステンメッシュ２を１つ又は複数備える。例えば、水素透過フィルタ１は、２重に重ねられた円筒形状のタングステンメッシュ２を備える。複数のタングステンメッシュ２が重ねられることにより、１つのタングステンメッシュ２に破れが生じたとしても、濾過（フィルタ）性能を確保することができる。

なお、タングステンメッシュ２の形状は、角筒、円錐台又は角錐台形状であってもよく、底面を有する形状であってもよい。この場合の底面は、平面であってもよく、凹面又は凸面であってもよい。また、タングステンメッシュ２は、立体的な形状でなくてもよく、平面形状であってもよい。

タングステンメッシュ２は、複数のタングステン線１０をそれぞれタテ糸及びヨコ糸として備える。タングステンメッシュ２の織組織は、畳織である。畳織は、例えば綾畳織又は平畳織である。複数のタングステン線１０がタテ糸及びヨコ糸として用いられて畳織されることで、タングステンメッシュ２が製造される。

畳織は、メッシュの開口を小さくすることができる織組織である。このため、畳織のタングステンメッシュ２を備える水素透過フィルタ１は、フィルタ性能が高い。また、タングステン線１０は脆化しにくい（詳細については後述する）ので、耐久性に優れた水素透過フィルタ１を実現することができる。

［タングステン線］
次に、タングステン線１０の構成について説明する。

タングステン線１０は、タングステン（Ｗ）と、タングステンとは異なる少なくとも１種類の金属元素（以下、合金元素と記載）との合金からなる合金線である。タングステン線１０に含まれるタングステンの含有量は、例えば９０ｗｔ％以上である。ここで、含有量は、タングステン線１０の質量に対する金属元素（例えばタングステン）の質量の割合である。タングステンの含有量は、９５ｗｔ％以上であってもよく、９９ｗｔ％以上であってもよく、９９．９ｗｔ％以上であってもよい。

少なくとも１種類の合金元素はそれぞれ、周期表の第７族又は第８族に含まれる金属元素である。具体的には、合金元素は、第７族のレニウム（Ｒｅ）、又は、第８族のルテニウム（Ｒｕ）である。例えば、タングステン線１０は、タングステンとレニウムとの合金線（以下、レニウムタングステン合金線と記載）である。あるいは、タングステン線１０は、タングステンとルテニウムとの合金線（以下、ルテニウムタングステン合金線と記載）である。なお、タングステン線１０は、タングステンとレニウムとルテニウムとの合金線のように、タングステンと２種類以上の合金元素との合金線であってもよい。

レニウムタングステン合金線の場合、レニウムの含有量は、例えば、０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下である。レニウムの含有量は、０．５ｗｔ％以上９ｗｔ％以下であってもよく、３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であってもよい。ルテニウムタングステン合金線の場合、ルテニウムの含有量は、例えば、０．０５ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下である。ルテニウムの含有量は、０．１ｗｔ％以上０．２ｗｔ％以下であってもよい。

レニウム及び／又はルテニウムの含有量が多い程、タングステン線１０の伸び率及び引張強度が高められる。ただし、引張強度が高くなると、伸び率が高くなりにくいという問題が生じる。また、レニウム及び／又はルテニウムの含有量が多い程、タングステン線１０の細径化が難しい。本実施の形態では、本願発明者らの鋭意検討により、合金元素の含有量及び細径化の加工工程を工夫することで、細くて伸び率が高く、かつ、引張強度が高いタングステン線１０を実現している。具体的なタングステン線１０の製造方法については、後で説明する。

タングステン線１０の線径は、４０μｍ以下である。タングステン線１０の線径は、３０μｍ以下であってもよく、２０μｍ以下であってもよい。例えば、タングステン線１０の線径は、１８μｍ以下であってもよく、１５μｍ以下であってもよく、１２μｍ以下であってもよく、１０μｍ以下であってもよい。タングステン線１０の線径は、加工限界（例えば、５μｍ）まで小さくてもよい。

本実施の形態に係るタングステン線１０の伸び率は、５％以上である。これにより、タングステン線１０をタングステンメッシュ２のタテ糸及びヨコ糸として用いた場合に、製織加工時及びタングステンメッシュ２の使用時において、タングステン線１０の破断が抑制される。タングステン線１０の伸び率は、７％以上であってもよく、９％以上であってもよく、１１％以上であってもよく、１３％以上であってもよく、１６％以上であってもよい。伸び率が高い程、タングステン線１０の破断の抑制効果が高まる。

また、伸び率が５％以上に高くなることで、タングステン線１０を用いた畳織が可能になる。伸び率が３％のタングステン線１０では、畳織を行うことができずに、織り加工中に断線した。なお、伸び率が５％未満のタングステン線１０であっても、平織などの織組織でタングステンメッシュ２を製造することができる。

なお、伸び率とは、破断時全伸びに対応しており、伸び計によって計測される。具体的には、タングステン線１０の全伸びは、タングステン線１０の破断時の全伸びであり、伸び計の弾性伸びと塑性伸びとを合わせたものであり、伸び計標点距離に対する百分率で表した値である。簡単に言えば、伸び率は、伸びる前の長さに対する、伸びた後の長さと伸びる前の長さとの差分の割合を示している。伸び率が正の値である場合、線が伸びたことを意味し、伸び率が負の値である場合、線が縮んだことを意味する。

タングステン線１０の引張強度は、１６００ＭＰａ（＝Ｎ／ｍｍ^２）以上２４００ＭＰａ以下である。これにより、タングステン線１０をタングステンメッシュ２のタテ糸及びヨコ糸として用いた場合に、タングステンメッシュ２の製造時及び使用時において、タングステン線１０の破断が抑制される。タングステン線１０の引張強度は、１７００ＭＰａ以上であってもよく、１８００ＭＰａ以上であってもよく、２０００ＭＰａ以上であってもよく、２１００ＭＰａ以上であってもよい。引張強度が高い程、タングステン線１０の破断の抑制効果が高まる。また、引張強度が高いタングステン線１０を用いて製織されたタングステンメッシュ２の耐久性を高めることができる。

本実施の形態に係るタングステン線１０では、５％以上の伸び率と、１６００ＭＰａ以上の引張強度とを両立しているが、これに限定されない。例えば、タングステン線１０の引張強度は、２４００ＭＰａ以上であってもよく、４８００ＭＰａ以上であってもよい。この場合において、タングステン線１０の伸び率が５％未満であってもよい。また、タングステン線１０の線径は、４０μｍより大きくてもよい。

［製造方法］
続いて、本実施の形態に係るタングステン線１０の製造方法について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係るタングステン線１０の製造方法の一例を示すフローチャートである。

図２に示されるように、まず、金属のインゴットを準備する（Ｓ１０）。具体的にはまず、タングステン粉末と、合金金属からなる粉末（例えば、レニウム粉末又はルテニウム粉末）とを所定の割合で混合した混合物を準備する。粉末の平均粒径は、例えば３μｍ以上４μｍ以下の範囲であるが、これに限らない。準備した混合物に対してプレス及び焼結（シンター）を行うことで、タングステン合金のインゴットを作成する。インゴットは、例えば断面の直径が約１５ｍｍの棒状のインゴットである。

次に、インゴットに対してスエージング加工を行う（Ｓ１１）。具体的には、インゴットを周囲から鍛造圧縮して伸展させることで、ワイヤー状のタングステン線に成形する。スエージング加工の代わりに圧延加工でもよい。スエージング加工（Ｓ１１）は、アニール（Ｓ１３）とともに繰り返し行われる。

具体的には、スエージング加工が繰り返されることで、インゴットの径が１３．６ｍｍ、１０．６ｍｍ、８ｍｍ、６．５ｍｍ、３．３ｍｍと順に小さくなる。インゴットの径がこれらの径の場合に（Ｓ１２でＹｅｓ）、アニールを行う（Ｓ１３）。アニール温度は、例えば２４００℃である。径が３．３ｍｍになった後、アニール及びスエージング加工が
行われることで、径が３ｍｍになる。

次に、スエージング加工後の径が３ｍｍのタングステン線を９００℃で加熱する（Ｓ１４）。具体的には、バーナーなどで直接的にタングステン線を加熱する。タングステン線を加熱することで、以降の加熱線引きで加工中に断線しないようにタングステン線の表面に酸化物層を形成する。

次に、加熱線引きを行う（Ｓ１５）。具体的には、１つ以上の伸線ダイスを用いてタングステン線の線引き、すなわち、タングステン線の伸線（細径化）を加熱しながら行う。加熱温度は、例えば１０００℃である。なお、加熱温度が高い程、タングステン線の加工性が高められるので、容易に線引きを行うことができる。加熱線引きは、伸線ダイスを交換しながら繰り返し行われる。１つの伸線ダイスを用いた１回の線引きによるタングステン線の断面減少率は、例えば１０％以上４０％以下である。加熱線引き工程において、黒鉛を水に分散させた潤滑剤を用いてもよい。

次に、線引き後のタングステン線に対して、中間再結晶処理を行う（Ｓ１６）。具体的には、１２００℃以上の温度でタングステン線を加熱することで、タングステン線に含まれる結晶を再結晶させる。線引き工程が最後の１回になるまで（Ｓ１７でＮｏ）、加熱線引きと中間再結晶処理とが繰り返し行われる。このときの繰り返し回数（すなわち、中間再結晶処理の回数）は、例えば５回以上１０回以下である。

加熱線引きの繰り返しにおいては、直前の線引きで用いた伸線ダイスよりも孔径が小さい伸線ダイスが用いられる。また、加熱線引きの繰り返しにおいて、直前の線引き時の加熱温度よりも低い加熱温度でタングステン線は加熱される。例えば、最後の線引き工程の直前の線引き工程での加熱温度は、それまでの加熱温度より低く、例えば４００℃である。

線引き工程が最後の１回になった場合（Ｓ１７でＹｅｓ）、最後の線引きとして加熱線引きを行う（Ｓ１８）。これにより、線径が約４０μｍ未満のタングステン線が得られる。

次に、線引き後のタングステン線に対して電解研磨を行う（Ｓ１９）。電解研磨は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液などの電解液に、タングステン線と対向電極とを浸した状態で、タングステン線と対向電極との間に電位差が生じることで電解研磨が行われる。電解研磨によって、タングステン線の線径を微調整することができる。

電解研磨の後、タングステン線に対して最終熱処理を行う（Ｓ２０）。最終熱処理の温度は、例えば、１２００℃以上１７００℃以下である。

以上の工程を経て、本実施の形態に係るタングステン線１０が製造される。上記製造工程を経ることで製造直後のタングステン線１０の長さは、例えば５０ｋｍ以上の長さであり工業的に利用できる。タングステン線１０は、使用される態様に応じて適切な長さに切断され、タングステンメッシュ２の製織などに利用される。このように、本実施の形態では、タングステン線１０の大量生産が工業的に可能であり、水素透過フィルタ１に利用することが可能になる。

なお、タングステン線１０の製造方法に示される各工程は、例えばインラインで行われる。具体的には、ステップＳ１５で使用される複数の伸線ダイスは、生産ライン上で孔径が小さくなる順で配置される。また、各伸線ダイス間にはバーナーなどの加熱装置が配置されている。加熱装置は、加熱線引き用及び中間再結晶処理用に配置されている。また、ステップＳ１５で使用される伸線ダイスの下流側（後工程側）に、ステップＳ１８で使用される複数の伸線ダイスが、孔径が小さくなる順で配置され、最も孔径が小さい伸線ダイスの下流側に電解研磨装置と最終熱処理用の加熱装置とが配置される。なお、各工程は、個別に行われてもよい。

［実施例］
続いて、上述した製造方法に従って製造されたタングステン線１０の実施例と比較例とについて説明する。以下に示す実施例１～１５及び比較例１～８に係るタングステン線１０は、製造方法における各種パラメータ（具体的には、線径、添加物の種類、添加量、最終熱処理温度及び中間再結晶処理回数）を適宜異ならせたものである。具体的には、以下の表１及び表２に示される通りである。

図３は、実施例及び比較例に係るタングステン線１０の伸び率と引張強度との関係を示す散布図である。図３において、横軸はタングステン線１０の伸び率（単位：％）を表し、縦軸はタングステン線１０の引張強度（単位：ＭＰａ）を表している。

実施例１～１５に係るタングステン線１０はいずれも、線径が４０μｍ未満である。また、図３に示されるように、各実施例に係るタングステン線１０はいずれも、引張強度が１６００ＭＰａ以上２４００ＭＰａ以下であり、かつ、伸び率が５％以上１６％以下であるという範囲内に含まれている。なお、図３には、引張強度及び伸び率の上記範囲を破線で表している。これに対して、比較例１～８に係るタングステン線１０は、図３の破線で表される範囲外に位置している。

以下では、実施例と比較例との差異の要因と想定されるタングステン線１０の製造方法におけるパラメータについての検討結果について説明する。

＜添加物＞
まず、添加物である合金元素の種類と添加量（タングステン線１０における含有量）とについて説明する。表１から、合金元素の添加量を増やすと伸び率が増加する傾向があることが分かる。

また、表１の実施例５と実施例９とは、線径（３５μｍ）、添加物（Ｒｅ）、最終熱処理温度（１６００℃）、中間再結晶処理回数（６回）であり、Ｒｅの添加量以外のパラメータが同じである。実施例５と実施例９とを比較することで、Ｒｅの添加量が多い実施例９の方が実施例５に比べて、伸び率が高く、かつ、引張強度が低いことが分かる。

このことから、合金元素の添加量を増やした場合には、引張強度が１６００ＭＰａ以上で確保しながら、伸び率をより高くすることができる。逆に、合金元素の添加量を減らした場合には、伸び率が５％以上で確保しながら、引張強度をより高くすることができる。

なお、実施例１１のように、添加物としてＲｕを使用した場合には、Ｒｅの場合の添加量よりも約一桁小さい添加量でも伸び率及び引張強度の両方を高く確保することができる。

＜最終熱処理温度＞
次に、最終熱処理温度について説明する。表１から、最終熱処理温度が高くなると伸び率が増加する傾向があることが分かる。

また、表１の実施例１と実施例２とは、線径（１１μｍ）、添加物（Ｒｅ）、添加量（５ｗｔ％）、中間再結晶処理回数（８回）であり、最終熱処理温度以外のパラメータが同じである。実施例１と実施例２とを比較することで、最終熱処理温度が高い実施例２の方が実施例１に比べて、伸び率が高く、かつ、引張強度が低いことが分かる。実施例５と実施例６とも、最終熱処理温度以外のパラメータが同じであり、同様の傾向が現れている。実施例７～９、実施例１２及び１３、並びに、実施例１４及び１５の各々についても、最終熱処理温度以外のパラメータが同じであり、同様の傾向が現れている。線径が１１μｍの場合（実施例１及び２）、及び、３５μｍの場合（実施例５など）のいずれにおいても、同様の傾向が現れている。

これらのことから、タングステン線１０の線径の大小によらず、最終熱処理温度を高くした場合には、引張強度が１６００ＭＰａ以上で確保しながら、伸び率をより高くすることができる。逆に、タングステン線１０の線径の大小によらず、最終熱処理温度を低くした場合には、伸び率が５％以上で確保しながら、引張強度をより高くすることができる。

なお、表２の比較例１及び２は、表１の実施例１２及び１３と、最終熱処理温度以外のパラメータが同じである。しかしながら、最終熱処理温度が１４００℃以下である比較例１及び２は、伸び率が５％未満になっている。このことから、少なくとも線径が３５μｍで、Ｒｅを５ｗｔ％添加し、中間再結晶処理を５回行う場合には、最終熱処理温度が１４００℃より大きい温度、好ましくは１５００℃以上の温度で行うことで、伸び率を５％以上にすることができるといえる。

なお、実施例１１のように、添加物としてＲｕを使用した場合には、最終熱処理温度は１２００℃でも伸び率及び引張強度の両方を高く確保することができる。

＜中間再結晶処理回数＞
次に、中間再結晶処理回数について説明する。表１から、中間再結晶処理回数が多くなると伸び率が増加する傾向があることが分かる。具体的には、中間再結晶処理回数が５回以上であれば、伸び率を５％以上にすることができる。

また、表１の実施例６と実施例１０とは、線径（３５μｍ）、添加物（Ｒｅ）、添加量（３ｗｔ％）、最終熱処理温度（１７００℃）であり、中間再結晶処理回数以外のパラメータが同じである。実施例６と実施例１０とを比較することで、中間再結晶処理回数が多い実施例６の方が実施例１０と比べて、伸び率が高く、かつ、引張強度が低いことが分かる。逆に、中間再結晶処理回数を減らした場合には、伸び率を５％以上で確保しながら、引張強度をより高くすることができる。

なお、表２の比較例４も、表１の実施例６及び１０と、中間再結晶処理回数以外のパラメータが同じである。しかしながら、この場合、中間再結晶処理回数が５回以上である実施例６及び１０は、中間再結晶処理回数が３回である比較例４に比べて、伸び率及び引張強度のいずれも高くなっている。この点から、中間再結晶処理回数が３回以下では、伸び率を５％以上にすることができないことが分かる。

また、表１からは、線径の差異によって必要となる中間再結晶処理回数が異なることが分かる。具体的には、線径が１１μｍ以上１８μｍ以下の範囲では、中間再結晶処理回数が８回以上である場合に、タングステン線１０の伸び率が５％以上になっている。一方で、線径が３５μｍの場合には、中間再結晶処理回数が５回以上でタングステン線１０の伸び率が５％以上になっている。この点から、線径が細いタングステン線１０を得るためには、線径が太いタングステン線１０を得る場合よりも中間再結晶回数を増やせばよいと判断できる。

なお、再結晶処理とは、熱処理によって結晶の再配列を行うことである。再結晶処理によって、Ｒｅ又はＲｕなどの固溶元素の分散が促進され、タングステン線１０を細径化した場合の伸び率の増大に貢献する。このように、製造工程中に再結晶処理としてタングステン線１０に対して熱が加えられることによって、タングステン線１０中の合金元素（Ｒｅ又はＲｕ）の分散性が良くなる。これにより、合金元素が偏在するのを抑制することができるので、細いタングステン線１０において、引張強度の向上と伸び率の増大とを両立させることができる。

［脆化］
続いて、本実施の形態に係るタングステン線１０の脆化について説明する。以下では、主に水素に起因する脆化、すなわち、水素脆化について説明する。

本願発明者らは、上述した製造方法に基づいて製造したタングステン線１０に対して、水素チャージを行い、その前後で低歪速度引張遅れ破壊試験（ＳＳＲＴ：ＳｌｏｗＳｔｒａｉｎＲａｔｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅ）を行った。

水素チャージは、いわゆる陰極チャージ法によって行った。具体的には、所定の電解液中に、対象となるタングステン線１０を陰極として、プラチナを陽極として配置し、陽極－陰極間に通電することにより行った。電解液としては、亜ヒ酸ナトリウムと塩化ナトリウムとの混合液を利用した。

低歪速度引張遅れ破壊試験では、対象となるタングステン線１０を所定の変位速度で引き伸ばし、断線に至るまでの伸び量（ストローク）と荷重とを測定した。

図４は、水素チャージ後のタングステン線１０の引張試験の結果を示す図である。図４において、横軸は、引っ張られたタングステン線１０の伸び量であるストローク（単位：ｍｍ）を表している。縦軸は、引っ張られたタングステン線１０に加わる荷重（単位：Ｎ）である。

図４では、タングステン線１０の引っ張りの速度（変位速度）毎に、ストロークに対する荷重の変化を示すグラフを表している。図４に示されるように、いずれの変位速度においても、ストロークが増加するに従って荷重も増加し、荷重の増加が飽和した後、所定のストロークに達した場合に、タングステン線１０が耐えきれずに断線し、荷重が０になる。

図４に示されるように、変位速度が速い程、タングステン線１０に加わる荷重の最大値が大きい。例えば、図４には比較例として、水素チャージを行わなかったタングステン線の荷重の変化も示しているが、変位速度が０．３ｍｍ／ｍｉｎの場合、水素チャージを行ったタングステン線１０の荷重の変化は、水素チャージを行わなかったタングステン線の荷重の変化とほぼ同じであった。すなわち、変位速度が速い場合には、水素脆化による荷重の変化（引張強度の変化）を正しく測定できていないことが分かる。

変位速度が遅い程、タングステン線１０に加わる荷重の最大値が小さくなる。これは、変位速度が遅い程、タングステン線１０内にチャージされた水素が局所的に集まりやすく、水素脆化が起こりやすくなって断線に至りやすくなるためと推定される。

変位速度が０．００５ｍｍ／ｍｉｎになると、変位速度が０．０１ｍｍ／ｍｉｎの場合と荷重の最大値は約２２０Ｎでほぼ同じになっている。すなわち、変位速度が０．００５ｍｍ／ｍｉｎでは、荷重の最大値の減少が抑制されていることが分かる。このため、０．００５ｍｍ／ｍｉｎの変位速度で引張試験を行うことで、タングステン線１０の水素脆化による引張強度の低下を正確に測定することができる。

図５は、水素チャージ前後でのタングステン線１０の引張強度の変化を示す図である。図５において、横軸は引張強度（単位：ＭＰａ）を表し、縦軸は引張強度の変化率を表している。引張強度の変化率は、水素チャージ前の引張強度に対する水素チャージ後の引張強度の比率である。変化率が１である場合、水素チャージ後の引張強度の変化がないことを表している。変化率が１未満である場合、水素チャージ後の引張強度の低下があることを表している。変化率が１未満で、かつ、小さな値になる程、水素チャージ後の引張強度の低下量が大きいことを表している。

また、表３は、水素チャージ前後の引張強度の変化を示している。表３には、比較例としてステンレスを用いた例も表している。図５に示される各プロットは、表３の比較例及び実施例Ａ～Ｃに対応している。

表３及び図５から分かるように、水素チャージの前後において、ステンレス線に比べてタングステン線の引張強度の低下量が少ない。また、タングステン線は、ステンレスに比べて引張強度の絶対値が高い。すなわち、タングステン線は、ステンレス線に比べて、高い引張強度を実現でき、かつ、水素脆化が発生しにくいといえる。

タングステンは、耐熱性に優れ、９００℃又は１０００℃程度まで機械的特性の変化がない。特に、伸びが５％以上のタングステン線１０においては、タングステン線１０が製造された時点で１２００℃以上１７００℃以下の温度で熱処理されている。このため、使用前又は使用時に１７００℃以下の熱影響を受けたとしても、機械的特性及び結晶状態は全く変化しない。空気中又は酸素雰囲気においても、２００℃、３００℃又は４００℃などの熱影響を受けても、表面が僅かに酸化する程度で、水素透過フィルタ１のフィルタ性能を維持することができる。

［タングステン線の曲げ性］
続いて、タングステン線１０の曲げ性について説明する。

図１に示したように、タングステン線１０は、タングステンメッシュ２のタテ糸及びヨコ糸に使用されるので、所定の曲率以上の曲げに耐えうることが求められる。そこで、本願発明者らは、タングステン線１０の曲げ性を確認するためにコイリング試験を行った。以下に、コイリング試験の内容とその結果とを説明する。

図６は、実施の形態に係るタングステン線１０のコイリング試験の概要を示す図である。コイリング試験では、断面形状が円形で均一な径の棒状の芯材２０に対して、タングステン線１０を巻き付け、タングステン線１０の破断又は表面剥離が生じるか否かを確認した。コイリング試験に用いる芯材２０の断面の径Ｒ及びタングステン線１０の径φは、例えば、タングステンメッシュ２の仕様に応じて定められる。

図７は、本実施の形態に係るタングステン線１０を用いて製織されたタングステンメッシュ２を示す断面図である。タングステンメッシュ２は、タングステン線１０をタテ糸及びヨコ糸として用いて製織された金属メッシュである。ここでは、タングステンメッシュ２の一例として、径が１２μｍのタングステン線１０を用いて９００メッシュの平織のタングステンメッシュ２を製造する場合を想定する。水素透過フィルタ１として利用するためには、タングステンメッシュ２のメッシュ数は、例えば６００以上である。これにより、水素透過フィルタ１のフィルタ性能を高めることができる。なお、ここでのメッシュ（メッシュ数）は、２５．４ｍｍ（１インチ）間にある線の数を意味する。この場合、隣り合う２本のタングステン線１０間の距離であるピッチは、２８．２μｍ（＝２５．４ｍｍ÷９００）になる。

この場合、図７に示されるように、タングステン線１０の曲率半径Ｒｃは、１９．６μｍになる。なお、曲率半径Ｒｃは、タングステン線１０の中心軸線（図中の破線）に基づいて定義される。また、タングステン線１０の内側曲率半径Ｒｉは、１３．６μｍになる。内側曲率半径Ｒｉは、タングステン線１０の曲がりの内側の表面に基づいて定義される。つまり、タングステン線１０は、曲率半径Ｒｃが１９．６μｍ以下で、かつ、内側曲率半径Ｒｉが１３．６μｍ以下である状態にした場合に、破断せず、表面剥離が発生しなければ、タングステンメッシュ２のタテ糸及びヨコ糸として利用可能である。

コイリング試験では、タングステンメッシュ２として製織可能な限界を超えた条件で行った。製織可能な限界を超えた条件で行ったコイリング試験の結果、タングステン線１０の破断（断線）又は表面剥離が発生しなかった場合に、試験に用いたタングステン線１０を用いてタングステンメッシュ２を安定して製造することができる。

例えば、径が１２μｍのタングステン線１０同士が接触する条件は、１２２２メッシュの場合である。つまり、１２２２メッシュ以上のメッシュ数のタングステンメッシュ２を製造することはできない。コイリング試験の条件として、１２μｍのタングステン線１０で１３２４メッシュのタングステンメッシュ２を想定する。

なお、タングステン線１０の断線は、タングステン線１０を構成する材料の歪みによって発生するので、線径が異なるタングステン線１０を用いて検討可能である。例えば、１２μｍで１３２４メッシュの条件を３５μｍのタングステン線１０に換算すると、４５４メッシュ（＝１３２４メッシュ×１２μｍ÷３５μｍ）となる。この条件では、曲率半径Ｒｃが３１μｍであり、内側曲率半径Ｒｉが１３．５μｍである。

本願発明者らは、コイリング試験において、径Ｒ＝２７μｍの芯材２０と、径φ＝３５μｍのタングステン線１０とを用いた。この芯材２０に巻き付けられたタングステン線１０は、内側曲率半径Ｒｉが１３．５μｍ（＝Ｒ÷２）になり、かつ、曲率半径Ｒｃが３１．０μｍ（＝Ｒｉ＋φ÷２）になる。したがって、この条件の下でのコイリング試験において、破断又は表面剥離が発生しなかった場合、１２μｍのタングステン線１０を用いて９００メッシュのタングステンメッシュ２を製造することができることを意味する。

以下の表４に、上述した比較例９及び１０、並びに、実施例１６について、コイリング試験を行った結果を示す。なお、いずれも線径は３５μｍであり、添加物である合金元素はＲｅであり、添加量は５ｗｔ％である。また、いずれも中間再結晶処理回数は６回であった。

図８Ａは、コイリング試験後の実施例１６に係るタングステン線の外観を示す図である。図８Ｂは、図８Ａの一部を拡大した図である。図８Ａ及び図８Ｂに示されるように、実施例１６では、タングステン線１０の破断もなく、表面剥離も発生しなかった。

図９Ａは、コイリング試験後の比較例１０に係るタングステン線の外観を示す図である。図９Ｂは、図９Ａの一部を拡大した図である。図９Ａ及び図９Ｂに示されるように、比較例１０では、タングステン線の破断はなかったが、表面剥離が僅かながら発生している。したがって、伸び率が４％の場合でも、タングステンメッシュ２の製造は可能であるが、より質の高いタングステンメッシュ２の製造には、伸び率が５％以上であることが望ましい。

なお、タングステン線１０の線径及びメッシュのピッチは、上記例に限定されない。

［効果など］
従来の水素透過フィルタでは、複数のステンレス線が金属メッシュを構成していることによって、複数のステンレス線の各々に曲げ応力が加わっている。この状態で水素透過フィルタが水素に曝されると、曲げ応力が加わっている部分に水素原子が溜まって脆化が起こり、最終的に断線が発生する。すなわち、金属メッシュの破れが発生するので、フィルタ性能が低下する。従来は、金属メッシュを４重又はそれ以上に重ねて設けることにより、破れが発生したとしてもフィルタ性能の低下を抑制しようとしている。また、脆化は、熱に起因して起きる場合もある。

これに対して、本実施の形態に係る水素透過フィルタ１は、複数のタングステン線１０を用いて製織されたタングステンメッシュ２を備える。

これにより、タングステン線１０はステンレス線に比べて脆化が起こりにくいので、脆化が起こりにくい水素透過フィルタ１を実現することができる。例えば、タングステン線１０は、水素又は熱に起因する脆化がステンレス線に比べて起こりにくい。このため、耐久性に優れた水素透過フィルタ１を実現することができる。タングステンメッシュ２の破れが発生しにくいため、タングステンメッシュ２を重ねる数が少なくてもよく、あるいは、１つのタングステンメッシュ２のみでもフィルタ性能の高い水素透過フィルタ１を実現することができる。

また、例えば、複数のタングステン線１０の各々の伸び率は、５％以上である。

これにより、伸び率が高いタングステン線１０を利用することで、複雑な織り加工又は編み加工を行うことができる。開口が小さくて精細なタングステンメッシュ２が実現できるので、水素透過フィルタ１のフィルタ性能を高めることができる。

また、例えば、タングステンメッシュ２のメッシュ数は、６００以上である。

これにより、開口が小さくて精細なタングステンメッシュ２が実現できるので、水素透過フィルタ１のフィルタ性能を高めることができる。

また、例えば、複数のタングステン線１０の各々の引張強度は、１６００ＭＰａ以上である。

これにより、タングステンメッシュ２の製造時、及び、水素透過フィルタ１の使用時の断線の発生を抑制することができる。このため、信頼性の高い水素透過フィルタ１を実現することができる。

また、例えば、複数のタングステン線１０の各々の引張強度は、２４００ＭＰａ以上であってもよい。

これにより、信頼性がより高い水素透過フィルタ１を実現することができる。

また、例えば、複数のタングステン線１０の各々の引張強度は、４８００ＭＰａ以上であってもよい。

これにより、信頼性がより一層高い水素透過フィルタ１を実現することができる。

また、例えば、複数のタングステン線１０の各々の線径は、４０μｍ以下である。

また、例えば、タングステンメッシュ２の織組織は、畳織である。

また、例えば、水素透過フィルタ１は、水素圧が１３５ＭＰａ以下の範囲で使用される。また、水素透過フィルタ１は、水素圧が１１０ＭＰａ以下の範囲で使用されてもよい。あるいは、水素透過フィルタ１は、水素圧が７０ＭＰａ以下の範囲で使用されてもよい。

これにより、実験環境、水素ステーション、又は、燃料電池若しくは水素燃料エンジンを搭載する自動車などの様々な用途で水素透過フィルタ１を十分に利用することができる。

（その他）
以上、本発明に係る水素透過フィルタについて、上記の実施の形態などに基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、タングステンメッシュ２の織組織は、平織、綾織又は繻子織であってもよい。タングステンメッシュ２は、複数のタングステン線１０を編糸として用いて、所定のゲージ数でメリヤス編みなどの編み加工を施すことで製造されてもよい。

また、例えば、本発明は、水素透過フィルタ１を備える燃料電池、及び、当該燃料電池を備える自動車などとして実現されてもよい。なお、水素透過フィルタ１は、燃料電池に限定されるものではなく、水素を利用する様々な環境下で利用することができる。

例えば、水素透過フィルタ１は、水素ステーションで水素を液化する水素冷凍機のフィルタに利用することができる。水素冷凍機のコンプレッサーは、３００℃程の温度になることがあり、耐熱性に優れるタングステンメッシュ２を用いることで、耐熱性フィルタとして利用することができる。

また、タングステンメッシュ２は、水素透過フィルタ１に限らず、他の用途にも利用することができる。上述の通り、本発明によれば、伸び率が高いタングステン線１０を利用することで、開口が小さくて精細なタングステンメッシュ２が実現できる。そのため、タングステンメッシュ２は、微細な濾過粒度を必要とする濾過フィルタ又は印刷用のスクリーンメッシュなどに利用できる。他にも、タングステンメッシュ２は、水素透過フィルタ１ではない耐熱性フィルタ、メッシュヒータ、電磁波などを遮蔽する機能性フィルタとして利用することもできる。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１水素透過フィルタ
２タングステンメッシュ
１０タングステン線

Claims

複数のタングステン線を用いて製織されたタングステンメッシュを備える、
水素透過フィルタ。
前記複数のタングステン線の各々の伸び率は、５％以上である、
請求項１に記載の水素透過フィルタ。
前記タングステンメッシュのメッシュ数は、６００以上である、
請求項２に記載の水素透過フィルタ。
前記複数のタングステン線の各々の引張強度は、１６００ＭＰａ以上である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の水素透過フィルタ。
前記複数のタングステン線の各々の引張強度は、２４００ＭＰａ以上である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の水素透過フィルタ。
前記複数のタングステン線の各々の引張強度は、４８００ＭＰａ以上である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の水素透過フィルタ。
前記複数のタングステン線の各々の線径は、４０μｍ以下である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の水素透過フィルタ。
前記タングステンメッシュの織組織は、畳織である、
請求項１又は２に記載の水素透過フィルタ。
水素圧が１３５ＭＰａ以下の範囲で使用される、
請求項１～３のいずれか１項に記載の水素透過フィルタ。