JP3342416B2 - 水素精製膜及び水素製造方法 - Google Patents
水素精製膜及び水素製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高効率で水素を精
製する水素精製膜、及びこの水素精製膜を用いた水素製
造方法に関する。
製する水素精製膜、及びこの水素精製膜を用いた水素製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の水素精製装置では、図２に示すよ
うに、未精製水素ガス容器１と連結した精製水素ガス容
器２内にＰｄ又はＰｄ−ＡｇのようなＰｄの合金製膜３
を水素精製膜として用いて、４００〜５００℃の条件で
作動している。そして、水素精製膜の片側から未精製水
素ガスを通じて、反対側で膜を透過してきた高純度の水
素を取り出すことで水素を精製している。
うに、未精製水素ガス容器１と連結した精製水素ガス容
器２内にＰｄ又はＰｄ−ＡｇのようなＰｄの合金製膜３
を水素精製膜として用いて、４００〜５００℃の条件で
作動している。そして、水素精製膜の片側から未精製水
素ガスを通じて、反対側で膜を透過してきた高純度の水
素を取り出すことで水素を精製している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の水素
精製膜では、精製膜中で水素を透過しやすくするため
に、作業温度を高く保つ必要があった。しかし、水素の
透過のしやすさを表す指標である水素の拡散定数が作業
温度５００℃で１．６×１０-4ｃｍ2 ／ｓにどとまって
おり、効率よく水素を精製できなかった。
精製膜では、精製膜中で水素を透過しやすくするため
に、作業温度を高く保つ必要があった。しかし、水素の
透過のしやすさを表す指標である水素の拡散定数が作業
温度５００℃で１．６×１０-4ｃｍ2 ／ｓにどとまって
おり、効率よく水素を精製できなかった。
【０００４】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、Ｐｄ又はその合金からなる基板上に形成された
ＣａＯ又はＣａＯ−Ｐｄ混合からなる被覆層、Ｐｄ層を
順次形成した構成とすることにより、水素の精製効率を
高めるだけでなく、室温のような低温においても効率よ
く水素を精製可能な水素精製膜を提供することを目的と
する。
もので、Ｐｄ又はその合金からなる基板上に形成された
ＣａＯ又はＣａＯ−Ｐｄ混合からなる被覆層、Ｐｄ層を
順次形成した構成とすることにより、水素の精製効率を
高めるだけでなく、室温のような低温においても効率よ
く水素を精製可能な水素精製膜を提供することを目的と
する。
【０００５】また、本発明は、前記水素精製膜に未精製
水素ガスを通じて、反対側を未精製水素ガスの吸蔵側よ
り低圧状態に保つことにより、水素の精製効率を高める
だけでなく、室温のような低温においても効率よく水素
を精製可能な水素製造方法を提供することを目的とす
る。
水素ガスを通じて、反対側を未精製水素ガスの吸蔵側よ
り低圧状態に保つことにより、水素の精製効率を高める
だけでなく、室温のような低温においても効率よく水素
を精製可能な水素製造方法を提供することを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、Ｐｄ
又はその合金からなる基板と、この基板上に形成された
ＣａＯ又はＣａＯ−Ｐｄ混合からなる被覆層と、この被
覆層上に形成されたＰｄ層とを具備することを特徴とす
る水素精製膜である。
又はその合金からなる基板と、この基板上に形成された
ＣａＯ又はＣａＯ−Ｐｄ混合からなる被覆層と、この被
覆層上に形成されたＰｄ層とを具備することを特徴とす
る水素精製膜である。
【０００７】第１の発明において、前記被覆層及びＰｄ
層の厚みは、それぞれ１μｍ以下であることが好まし
い。
層の厚みは、それぞれ１μｍ以下であることが好まし
い。
【０００８】本願第２の発明は、前記水素精製膜に未精
製水素ガスを通じて、反対側を未精製水素ガスの吸蔵側
より低圧状態に保つことを特徴とする水素製造方法であ
る。
製水素ガスを通じて、反対側を未精製水素ガスの吸蔵側
より低圧状態に保つことを特徴とする水素製造方法であ
る。
【０００９】図１は、本発明に係る水素精製膜の説明図
を示す。図中の付番11は、Ｐｄ又はその合金からなる基
板である。この基板11上に形成されたＣａＯ又はＣａＯ
−Ｐｄ混合からなる被覆層12が形成され、この被覆層12
上にＰｄ層13が形成されている。こうした構成の水素精
製膜のＰｄ層13側は水素圧力が高い領域14となってお
り、その反対側は水素圧力が低い領域15となっている。
水素圧力が高い領域14側から水素圧力が低い領域15側に
向って水素の流れ16がある。
を示す。図中の付番11は、Ｐｄ又はその合金からなる基
板である。この基板11上に形成されたＣａＯ又はＣａＯ
−Ｐｄ混合からなる被覆層12が形成され、この被覆層12
上にＰｄ層13が形成されている。こうした構成の水素精
製膜のＰｄ層13側は水素圧力が高い領域14となってお
り、その反対側は水素圧力が低い領域15となっている。
水素圧力が高い領域14側から水素圧力が低い領域15側に
向って水素の流れ16がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例に係る水
素精製膜を図４を参照して説明する。
素精製膜を図４を参照して説明する。
【００１１】図中の付番16は、Ｐｄからなる基板であ
る。この基板16上には、厚さ９０ｎｍのＣａＯ−Ｐｄ混
合層（被覆層）17，厚さ４０ｎｍのＰｄ層18が順次形成
されている。かかる構成の水素精製膜は、基板16を表面
不純物の除去のため王水でエッチングした後、基板16の
片側にイオンビームスパッタ法で前記ＣａＯ−Ｐｄ混合
層17を被覆し、更にその上に前記Ｐｄ層18を被覆するこ
とにより形成する。
る。この基板16上には、厚さ９０ｎｍのＣａＯ−Ｐｄ混
合層（被覆層）17，厚さ４０ｎｍのＰｄ層18が順次形成
されている。かかる構成の水素精製膜は、基板16を表面
不純物の除去のため王水でエッチングした後、基板16の
片側にイオンビームスパッタ法で前記ＣａＯ−Ｐｄ混合
層17を被覆し、更にその上に前記Ｐｄ層18を被覆するこ
とにより形成する。
【００１２】図３は、本実験例で用いた水素精製装置の
構成を示す説明図である。なお、実際に水素を精製する
際には従来方式の水素精製装置を用いる。
構成を示す説明図である。なお、実際に水素を精製する
際には従来方式の水素精製装置を用いる。
【００１３】図中の付番21は試料としての水素精製膜で
あり、この水素精製膜21の被覆を施した側に水素吸蔵容
器22が配置され、反対側に真空容器23が配置されてい
る。ここで、前記水素吸蔵容器22と真空容器23と水素精
製膜21との間は気密的に閉じてあり、水素精製膜21の部
分のみで水素が透過できるようになっている。前記水素
吸蔵容器22には、第１バルブ24ａを介装した配管25ａを
介して原料ガス容器26が連結されている。前記真空容器
23には質量分析器27が設けられている。前記真空容器23
には、第２バルブ24ｂを介装した配管25ｂを介して精製
ガス容器28が連結されている。前記水素吸蔵容器22に
は、第３バルブ24ｃを介装した配管25ｃを介して真空排
気用ポンプ29が連結されている。この真空排気用ポンプ
29と前記真空容器23とは、第４のバルブ24ｄを介装した
配管25ｄにより連結されている。
あり、この水素精製膜21の被覆を施した側に水素吸蔵容
器22が配置され、反対側に真空容器23が配置されてい
る。ここで、前記水素吸蔵容器22と真空容器23と水素精
製膜21との間は気密的に閉じてあり、水素精製膜21の部
分のみで水素が透過できるようになっている。前記水素
吸蔵容器22には、第１バルブ24ａを介装した配管25ａを
介して原料ガス容器26が連結されている。前記真空容器
23には質量分析器27が設けられている。前記真空容器23
には、第２バルブ24ｂを介装した配管25ｂを介して精製
ガス容器28が連結されている。前記水素吸蔵容器22に
は、第３バルブ24ｃを介装した配管25ｃを介して真空排
気用ポンプ29が連結されている。この真空排気用ポンプ
29と前記真空容器23とは、第４のバルブ24ｄを介装した
配管25ｄにより連結されている。
【００１４】こうした構成の水素精製装置を用いて水素
を製造する場合は、次のようにして行なう。
を製造する場合は、次のようにして行なう。
【００１５】(1) まず、第２のバルブ24ｂ，第３のバル
ブ24ｃ，第４のバルブ24ｄを開け、水素吸蔵容器22，真
空容器23及び精製ガス容器28を真空排気しておく。
ブ24ｃ，第４のバルブ24ｄを開け、水素吸蔵容器22，真
空容器23及び精製ガス容器28を真空排気しておく。
【００１６】次に、第３のバルブ24ｃ及び第４のバルブ
24ｄを閉じ、第１のバルブ24ａを開けて、原料ガス容器
26から未精製の水素ガスを水素吸蔵容器22に導入して、
水素吸蔵容器22側の水素圧力を高くする。真空容器23内
は水素圧力が低くなっているので、水素精製膜21内を水
素が拡散して真空容器23側に透過する。未精製水素ガス
中の水素以外のガスは水素精製膜21内を拡散できないの
で、水素精製膜21を通すことにより、未精製水素ガスを
精製することができる。そして、水素精製膜21を透過し
た水素ガスを精製ガス容器28で回収する。
24ｄを閉じ、第１のバルブ24ａを開けて、原料ガス容器
26から未精製の水素ガスを水素吸蔵容器22に導入して、
水素吸蔵容器22側の水素圧力を高くする。真空容器23内
は水素圧力が低くなっているので、水素精製膜21内を水
素が拡散して真空容器23側に透過する。未精製水素ガス
中の水素以外のガスは水素精製膜21内を拡散できないの
で、水素精製膜21を通すことにより、未精製水素ガスを
精製することができる。そして、水素精製膜21を透過し
た水素ガスを精製ガス容器28で回収する。
【００１７】(2) 水素を精製する際は水素吸蔵容器22内
の水素圧力を高くし、水素吸蔵容器22と真空容器23との
間に水素圧力差さえ生じれば、水素を精製することはで
きるが、本実験例では水素精製膜21の水素透過速度を評
価するために、真空容器23内を真空排気用ポンプ29で排
気して実験を行った。
の水素圧力を高くし、水素吸蔵容器22と真空容器23との
間に水素圧力差さえ生じれば、水素を精製することはで
きるが、本実験例では水素精製膜21の水素透過速度を評
価するために、真空容器23内を真空排気用ポンプ29で排
気して実験を行った。
【００１８】真空排気用ポンプ29の排気速度が一定の場
合、質量分析器27を用いることにより、水素精製膜21を
透過して放出される水素ガス量を計測できるのでその時
間変化から水素精製膜21での水素透過速度を見積もっ
た。一方、水素吸蔵容器22内の水素の圧力は常に１ａｔ
ｍ（１．０１３×１０5 Ｐａ）としておき、水素精製膜
21の作動温度は２３℃（２９６Ｋ）で実験を行なった。
合、質量分析器27を用いることにより、水素精製膜21を
透過して放出される水素ガス量を計測できるのでその時
間変化から水素精製膜21での水素透過速度を見積もっ
た。一方、水素吸蔵容器22内の水素の圧力は常に１ａｔ
ｍ（１．０１３×１０5 Ｐａ）としておき、水素精製膜
21の作動温度は２３℃（２９６Ｋ）で実験を行なった。
【００１９】ところで、水素精製膜21の水素透過速度を
Ｊとすると、Ｊは下記数１に示す通りとなる。
Ｊとすると、Ｊは下記数１に示す通りとなる。
【数１】 透過速度は水素精製膜21中の水素の濃度勾配，即ち水素
精製膜21の水素圧力差に比例する。よって、本実験では
水素の透過のしやすさを表す指標として、水素圧力差に
依存しないような拡散定数を用いた。なお、拡散定数を
求める際は、水素は膜内部を水素吸蔵容器22側から真空
容器23側へ１次元的に透過すると仮定して求めた。この
前提条件で前記数１に示す方程式を解くと、下記数２と
なり、拡散定数が求まる。
精製膜21の水素圧力差に比例する。よって、本実験では
水素の透過のしやすさを表す指標として、水素圧力差に
依存しないような拡散定数を用いた。なお、拡散定数を
求める際は、水素は膜内部を水素吸蔵容器22側から真空
容器23側へ１次元的に透過すると仮定して求めた。この
前提条件で前記数１に示す方程式を解くと、下記数２と
なり、拡散定数が求まる。
【数２】 このように、上記実施例に係る水素精製膜は、Ｐｄから
なる基板16上に、厚さ９０ｎｍのＣａＯ−Ｐｄ混合層
（被覆層）17，厚さ４０ｎｍのＰｄ層18が順次形成され
た構成となっている。かかる構成の水素精製膜構造を用
いて水素を製造するときは、前記膜に未精製水素ガスを
通じて、反対側を未精製水素ガスの吸蔵側より低圧状態
に保つため、従来の水素精製膜より水素透過速度が早く
なり、効率よく水素を精製できる。
なる基板16上に、厚さ９０ｎｍのＣａＯ−Ｐｄ混合層
（被覆層）17，厚さ４０ｎｍのＰｄ層18が順次形成され
た構成となっている。かかる構成の水素精製膜構造を用
いて水素を製造するときは、前記膜に未精製水素ガスを
通じて、反対側を未精製水素ガスの吸蔵側より低圧状態
に保つため、従来の水素精製膜より水素透過速度が早く
なり、効率よく水素を精製できる。
【００２０】事実、水素製造膜として図４の試料を用い
た場合の、膜単位面積当たりの水素透過速度は図５に示
す通りである。図５において、横軸は未精製水素ガス導
入開始後の時間を示し、縦軸は膜単位面積当たりの水素
透過速度を示す。図５で示した水素ガスの放出特性よ
り、水素の拡散定数は２．６×１０-6ｃｍ2 ／ｓと求ま
る。この値は、従来の水素精製膜の２３℃における水素
の拡散定数６．８×１０ -7ｃｍ2 ／ｓと比べて約３．８
倍になっており、水素透過速度が速くなったことを表し
ている。
た場合の、膜単位面積当たりの水素透過速度は図５に示
す通りである。図５において、横軸は未精製水素ガス導
入開始後の時間を示し、縦軸は膜単位面積当たりの水素
透過速度を示す。図５で示した水素ガスの放出特性よ
り、水素の拡散定数は２．６×１０-6ｃｍ2 ／ｓと求ま
る。この値は、従来の水素精製膜の２３℃における水素
の拡散定数６．８×１０ -7ｃｍ2 ／ｓと比べて約３．８
倍になっており、水素透過速度が速くなったことを表し
ている。
【００２１】次に、本実験例で用いた水素精製膜の作業
温度５００℃での水素の拡散定数を考えてみる。パラジ
ウム中での水素の拡散定数Ｄは温度の関数として、 Ｄ＝２．５９×１０-3ｅｘｐ（−２１５２０（Ｊ）／Ｒ
Ｔ）（ｃｍ2 ／ｓ） 但し、Ｒ＝８．３１（Ｊ／ｋ）：気体定数、Ｔ（Ｋ）：
温度 となることが分かっている。よって、23℃での拡散定数
をＤRT，温度Ｔ1 （Ｋ）での拡散定数をＤT1とすると、
ＤT1／ＤRTは ＤT1／ＤRT＝ｅｘｐ（８．６３−２５９０（Ｋ）／
Ｔ1 ） となる。よって、前記試料を従来の水素精製法で行って
いるような、作業温度５００℃で用いた場合の水素の拡
散定数は５．１×１０-4ｃｍ2 ／ｓとなる。この値は、
作業温度５００℃における、従来の水素生成方法での水
素の拡散定数１．６×１０-4ｃｍ2 ／ｓと比べて３．２
倍になっており、水素透過速度が速くなったことを表し
ている。
温度５００℃での水素の拡散定数を考えてみる。パラジ
ウム中での水素の拡散定数Ｄは温度の関数として、 Ｄ＝２．５９×１０-3ｅｘｐ（−２１５２０（Ｊ）／Ｒ
Ｔ）（ｃｍ2 ／ｓ） 但し、Ｒ＝８．３１（Ｊ／ｋ）：気体定数、Ｔ（Ｋ）：
温度 となることが分かっている。よって、23℃での拡散定数
をＤRT，温度Ｔ1 （Ｋ）での拡散定数をＤT1とすると、
ＤT1／ＤRTは ＤT1／ＤRT＝ｅｘｐ（８．６３−２５９０（Ｋ）／
Ｔ1 ） となる。よって、前記試料を従来の水素精製法で行って
いるような、作業温度５００℃で用いた場合の水素の拡
散定数は５．１×１０-4ｃｍ2 ／ｓとなる。この値は、
作業温度５００℃における、従来の水素生成方法での水
素の拡散定数１．６×１０-4ｃｍ2 ／ｓと比べて３．２
倍になっており、水素透過速度が速くなったことを表し
ている。
【００２２】なお、上記実施例では、水素精製膜の一構
成である被覆層がＣａＯ−Ｐｄ混合層である場合につい
て述べたが、これに限定されず、ＣａＯ層でもよい。
成である被覆層がＣａＯ−Ｐｄ混合層である場合につい
て述べたが、これに限定されず、ＣａＯ層でもよい。
【００２３】
【発明の効果】以上詳述したように本発明の水素精製膜
によれば、Ｐｄ又はその合金からなる基板上に形成され
たＣａＯ又はＣａＯ−Ｐｄ混合からなる被覆層、Ｐｄ層
を順次形成した構成とすることにより、水素の精製効率
を高めるだけでなく、室温のような低温においても効率
よく水素を精製できる。
によれば、Ｐｄ又はその合金からなる基板上に形成され
たＣａＯ又はＣａＯ−Ｐｄ混合からなる被覆層、Ｐｄ層
を順次形成した構成とすることにより、水素の精製効率
を高めるだけでなく、室温のような低温においても効率
よく水素を精製できる。
【００２４】また、本発明の水素製造方法は、前記水素
精製膜に未精製水素ガスを通じて、反対側を未精製水素
ガスの吸蔵側より低圧状態に保つことにより、水素の精
製効率を高めるだけでなく、室温のような低温において
も効率よく水素を精製できる。
精製膜に未精製水素ガスを通じて、反対側を未精製水素
ガスの吸蔵側より低圧状態に保つことにより、水素の精
製効率を高めるだけでなく、室温のような低温において
も効率よく水素を精製できる。
【図１】本発明に係る水素精製膜の説明図。
【図２】従来方式の水素精製装置の説明図。
【図３】本発明に係る水素精製装置の説明図。
【図４】本発明の一実施例に係る水素精製膜の断面図。
【図５】図４の水素精製膜を用いた場合の時間と水素透
過速度の関係を示す特性図。
過速度の関係を示す特性図。
16…Ｐｄ基板、 17…ＣａＯ−Ｐｄ混合層、 18…Ｐｄ層、 21…水素精製膜、 22…水素吸蔵容器、 23…真空容器、 24ａ，24ｂ，24ｃ，24ｄ…バルブ、 26…原料ガス容器、 27…質量分析器、 28…精製ガス容器、 29…真空排気用ポンプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 71/02 500 B01D 53/22
Claims (3)
- 【請求項１】 Ｐｄ又はその合金からなる基板と、この
基板上に形成されたＣａＯ又はＣａＯ−Ｐｄ混合からな
る被覆層と、この被覆層上に形成されたＰｄ層とを具備
することを特徴とする水素精製膜。 - 【請求項２】 前記被覆層及びＰｄ層の厚みは、それぞ
れ１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の水
素精製膜。 - 【請求項３】 請求項１もしくは請求項２記載の水素精
製膜に未精製水素ガスを通じて、反対側を未精製水素ガ
スの吸蔵側より低圧状態に保つことを特徴とする水素製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21533798A JP3342416B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 水素精製膜及び水素製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21533798A JP3342416B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 水素精製膜及び水素製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000042388A JP2000042388A (ja) | 2000-02-15 |
| JP3342416B2 true JP3342416B2 (ja) | 2002-11-11 |
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ID=16670637
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21533798A Expired - Fee Related JP3342416B2 (ja) | 1998-07-30 | 1998-07-30 | 水素精製膜及び水素製造方法 |
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| JP (1) | JP3342416B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| US7727596B2 (en) * | 2004-07-21 | 2010-06-01 | Worcester Polytechnic Institute | Method for fabricating a composite gas separation module |
| KR20090110897A (ko) * | 2007-02-19 | 2009-10-23 | 미츠비시 가스 가가쿠 가부시키가이샤 | 수소 정제 방법, 수소 분리막 및 수소 정제 장치 |
| CN111094867B (zh) * | 2017-06-15 | 2022-01-25 | 绿净星球股份有限公司 | 发热装置及发热方法 |
| US20220026113A1 (en) * | 2018-12-11 | 2022-01-27 | Clean Planet Inc. | Heat utilization system and heat generating device |
-
1998
- 1998-07-30 JP JP21533798A patent/JP3342416B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JP2000042388A (ja) | 2000-02-15 |
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