JP3882089B1 - Crystalline double phase hydrogen permeable alloy and hydrogen permeable alloy membrane - Google Patents

Crystalline double phase hydrogen permeable alloy and hydrogen permeable alloy membrane Download PDF

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Abstract

【課題】水素透過性と耐水素脆化性とを有し、473K以上で使用可能な結晶質の複相水素透過合金を提供することを目的とする。
【解決手段】複合相からなり、前記複合相が、Nbを固溶したCoTi相とCoを固溶したTiNb相との共晶(CoTi+TiNb)が初晶として生成する前記TiNb相を囲んでいる構造を有し、Co−Ti−Nb3元状態図上で、Co20Ti30Nb50、Co20Ti10Nb70、Co10Ti10Nb80およびCo10Ti30Nb60(ただし、合金組成はすべて原子%)で囲まれた領域内とCo20Ti30Nb50、Co20Ti10Nb70(ただし、合金組成はすべて原子%)を結んだ線上の合金組成を有する複相Co−Ti−Nb系の結晶質複相水素透過合金である。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide a crystalline multiphase hydrogen permeable alloy having hydrogen permeability and hydrogen embrittlement resistance and usable at 473 K or higher.
A structure comprising a composite phase, wherein the composite phase surrounds the TiNb phase in which a eutectic (CoTi + TiNb) of a CoTi phase in which Nb is dissolved and a TiNb phase in which Co is dissolved is formed as an initial crystal. In the Co-Ti-Nb ternary phase diagram, Co 20 Ti 30 Nb 50 , Co 20 Ti 10 Nb 70 , Co 10 Ti 10 Nb 80 and Co 10 Ti 30 Nb 60 (however, the alloy composition is all atoms) %)) And an alloy composition on a line connecting Co 20 Ti 30 Nb 50 and Co 20 Ti 10 Nb 70 (all alloy compositions are atomic%). It is a crystalline multiphase hydrogen permeable alloy.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、結晶質水素透過合金並びに水素透過合金膜に関するものである。   The present invention relates to a crystalline hydrogen permeable alloy and a hydrogen permeable alloy film.

高純度水素は、半導体や光ファイバ、薬品などの製造に使用されており、その使用量は、年々増加している。また、最近では、燃料電池での燃料としても水素が注目され、将来本格的に燃料電池が使用されることになれば、高純度の水素が大量に必要とされる。したがって、高純度の水素を低コストで大量に生産可能な方法の開発が望まれている。   High-purity hydrogen is used in the manufacture of semiconductors, optical fibers, chemicals, etc., and the amount of use is increasing year by year. Recently, hydrogen has attracted attention as a fuel for fuel cells, and if fuel cells are to be used in earnest in the future, a large amount of high-purity hydrogen is required. Therefore, development of a method capable of producing high-purity hydrogen in large quantities at low cost is desired.

水素の大量生産の方法としては、(1)非化石資源を利用する水の電気分解による方法と、(2)化石資源を利用する炭化水素の改質による方法とがある。(1)の電気分解法では、電力源として太陽光発電で得た電気を用いて行う水の電気分解が研究されているが、現在の技術レベルでは実用化はコスト的に困難である。したがって、当面は(2)の炭化水素の水蒸気改質で水素を製造することが現実的である。   As a method for mass production of hydrogen, there are (1) a method by electrolysis of water using non-fossil resources and (2) a method by reforming hydrocarbons using fossil resources. In the electrolysis method (1), water electrolysis using electricity obtained by solar power generation as a power source has been studied, but practical application is difficult in terms of cost at the current technical level. Therefore, for the time being, it is realistic to produce hydrogen by (2) steam reforming of hydrocarbons.

前述したように、水素の大量生産のためには炭化水素の改質が適している。例えば、CHにHOを加えた反応系において、次式(1)〜(3)の反応式に従って大量の水素が発生する。 As described above, hydrocarbon reforming is suitable for mass production of hydrogen. For example, in a reaction system in which H 2 O is added to CH 4 , a large amount of hydrogen is generated according to the following reaction formulas (1) to (3).

(化1)     (Chemical formula 1)

CH+HO⇔CO+3H [ガス化反応(吸熱反応)](1) CH 4 + H 2 O⇔CO + 3H 2 [gasification reaction (endothermic reaction)] (1)

(化2)     (Chemical formula 2)

CO+HO⇔CO+H [シフト反応(発熱反応)](2) CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 [shift reaction (exothermic reaction)] (2)

(1)+(2)=(3)       (1) + (2) = (3)

(化3)     (Chemical formula 3)

CH+2HO⇔CO+4H [吸熱反応](3) CH 4 + 2H 2 O⇔CO 2 + 4H 2 [endothermic reaction] (3)

反応は、式(1)と(2)に従って起こり、最終的には式(3)の反応が生じることになる。反応系内には、大量の水素の他にCO、CO、HO、CH等の不純物ガスが含まれる。水素を燃料電池への供給原料として利用するには、水素をこれら不純物から分離・精製しなければならない。また、精製水素中のCO含量を10ppm以下にしないと、燃料電池のPt電極の損傷が発生する。すなわち、水素の燃料電池への利用のためには、精製して、高純度化することが条件となる。 The reaction takes place according to formulas (1) and (2), and eventually the reaction of formula (3) occurs. The reaction system contains impurities such as CO, CO 2 , H 2 O, and CH 4 in addition to a large amount of hydrogen. In order to use hydrogen as a fuel cell feedstock, it must be separated and purified from these impurities. Further, unless the CO content in the purified hydrogen is 10 ppm or less, the Pt electrode of the fuel cell is damaged. In other words, in order to use hydrogen in a fuel cell, it is necessary to purify and purify it.

水素の精製法には、吸収法、深冷分離法、吸着法、膜分離法がある。これらの中で、膜分離法が実用化されている。膜分離法は、膜を透過するガスの速度の違いを利用するものであり、膜としては高分子膜や金属膜が利用されている。   Hydrogen purification methods include an absorption method, a cryogenic separation method, an adsorption method, and a membrane separation method. Among these, the membrane separation method has been put into practical use. The membrane separation method uses the difference in the speed of gas passing through the membrane, and a polymer membrane or a metal membrane is used as the membrane.

高分子膜による膜分離法では、細孔を通過する気体分子の拡散速度の違いから水素の分離・精製がなされる。この膜分離法では、高純度の水素は得られないが、システムの大型化が可能であるという特徴がある。   In the membrane separation method using a polymer membrane, hydrogen is separated and purified from the difference in diffusion rate of gas molecules passing through pores. In this membrane separation method, high-purity hydrogen cannot be obtained, but the system can be enlarged.

一方、金属膜では高分子膜にある細孔は存在せず、水素の透過機構は次の通りである。金属膜を挟んで水素の圧力差があるとき、高圧力側では水素分子(H)が金属表面で原子(H)に解離して金属に固溶し、侵入・拡散する。この水素原子は、金属膜を透過して低圧力側表面でHに再結合して飛び出し、その結果水素の精製が行われる。金属膜による水素の精製は、分離係数と透過係数が極めて大きいことが特徴である。金属膜を用いる水素の精製では、例えば、99%程度の水素を99.99999%程度に純化することが可能である。したがって、燃料電池用高純度水素の精製には、金属膜による膜分離法が適しているといえる。 On the other hand, in the metal film, there are no pores in the polymer film, and the hydrogen permeation mechanism is as follows. When there is a hydrogen pressure difference across the metal film, on the high pressure side, hydrogen molecules (H 2 ) dissociate into atoms (H) on the metal surface, dissolve in the metal, and enter and diffuse. The hydrogen atoms permeate the metal film, recombine with H 2 on the low pressure side surface, and jump out. As a result, the hydrogen is purified. Hydrogen purification using a metal membrane is characterized by extremely high separation and permeation coefficients. In the purification of hydrogen using a metal film, for example, about 99% of hydrogen can be purified to about 99.99999%. Therefore, it can be said that a membrane separation method using a metal membrane is suitable for purification of high purity hydrogen for fuel cells.

水素透過膜に用いる水素透過性金属膜として、Pdを主体とする合金、例えばPd−Ag合金、Pd−Ti合金等が知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a hydrogen permeable metal film used for the hydrogen permeable film, an alloy mainly composed of Pd, such as a Pd—Ag alloy, a Pd—Ti alloy, or the like is known (for example, see Patent Document 1).

ところで、水素の透過用金属膜としては、Pd−Ag合金膜が実用化されている。しかし、燃料電池の使用が本格化して大量の水素が必要となれば、それに応じて水素の透過用金属膜としてのPd−Ag合金の需要が増すことになる。そうなれば、高価で資源的にも少ないPdが制約となって、Pd−Ag合金膜では対応不可能と推測され、それに替わる金属膜の材料開発が急務となる。   By the way, a Pd—Ag alloy film has been put to practical use as a hydrogen permeable metal film. However, if the use of fuel cells becomes full-scale and a large amount of hydrogen is required, the demand for Pd—Ag alloys as hydrogen permeable metal films will increase accordingly. If this is the case, Pd, which is expensive and less resource-intensive, is considered to be a limitation, and it is assumed that the Pd—Ag alloy film cannot cope with it, and the development of a metal film material to replace it is urgent.

水素透過合金は、水素吸蔵合金と同様に「水素を吸蔵する」という特性を有することが不可欠である。しかし、それぞれの材料に要求される材料特性は表1に示すように全く異なり、水素吸蔵合金の開発指針に基づいて実現することはできない。

Figure 0003882089
It is indispensable that the hydrogen permeable alloy has the property of “occluding hydrogen” in the same manner as the hydrogen storage alloy. However, the material properties required for each material are completely different as shown in Table 1, and cannot be realized based on the development guidelines for hydrogen storage alloys.
Figure 0003882089

水素吸蔵合金は、水素を繰り返し容易に吸蔵放出できる合金である。水素吸蔵量が増大しても水素圧力が一定となる、つまり圧力プラトーが生じる原理を利用している。圧力プラトーはギブスの相律によって説明されるように、金属に水素が固溶した状態(以下水素固溶体とする)と水素化物が共存すると生じる。水素化物が生成しなければ、圧力プラトーが生成しないため水素吸蔵合金として効率的に使用することはできない。   A hydrogen storage alloy is an alloy that can easily store and release hydrogen repeatedly. The principle is that the hydrogen pressure remains constant even when the hydrogen storage amount increases, that is, a pressure plateau occurs. As explained by Gibbs' phase law, the pressure plateau occurs when hydrogen is in solid solution (hereinafter referred to as hydrogen solid solution) and hydride coexists. If a hydride is not generated, a pressure plateau is not generated, and therefore it cannot be used efficiently as a hydrogen storage alloy.

水素化物は例外なく脆いが、それは水素吸蔵合金には障害とはならず、むしろ利点である。例えば、水素吸蔵前の合金が脆くても何ら問題ない。何故ならば、水素吸蔵により合金は容易に自己粉砕し、水素と反応する比表面積の増大により水素吸蔵・放出速度が大になり、水素吸蔵合金として好都合だからである。   Although hydrides are brittle without exception, it is not an obstacle to hydrogen storage alloys, but rather an advantage. For example, there is no problem even if the alloy before hydrogen storage is brittle. This is because the alloy is easily self-pulverized by hydrogen storage, and the hydrogen storage / release rate is increased by increasing the specific surface area that reacts with hydrogen, which is advantageous as a hydrogen storage alloy.

また、水素吸蔵合金は粉末状で用いられ、板状または膜状で使用されることはない。使用温度が上昇、または水素圧力が低下すると水素化物生成が困難になり、水素吸蔵合金としての特性が低下するので、室温〜150℃での温度かつ0.5MPa以上の水素下での使用が求められている。   Further, the hydrogen storage alloy is used in a powder form and is not used in a plate form or a film form. When the operating temperature rises or the hydrogen pressure decreases, hydride formation becomes difficult and the properties as a hydrogen storage alloy deteriorate. Therefore, it is required to use at temperatures from room temperature to 150 ° C and under hydrogen of 0.5 MPa or more. It has been.

一方、水素透過合金は、水素分子(H)が金属表面で水素原子(H)に解離して金属中に進入して、吸蔵されるところまでは水素吸蔵合金と同じである。 On the other hand, the hydrogen permeable alloy is the same as the hydrogen occluding alloy until the hydrogen molecules (H 2 ) dissociate into hydrogen atoms (H) on the metal surface and enter the metal to be occluded.

しかし、水素透過合金では不純物を含んだ水素を高圧側とし、金属膜の透過により精製された水素を低圧側として、合金の両側に圧力差、つまり水素の濃度勾配を生じさせ、それを水素透過の駆動力としている。合金の両面に圧力差をつけることが必須であるから、粉末状態での使用は不可能であり、板または膜として使用される。   However, in hydrogen-permeable alloys, hydrogen containing impurities is on the high-pressure side, hydrogen purified by permeation of the metal film is on the low-pressure side, and a pressure difference, that is, a hydrogen concentration gradient is generated on both sides of the alloy. Driving power. Since it is essential to make a pressure difference on both sides of the alloy, it cannot be used in a powder state and is used as a plate or a film.

材料は水素を吸蔵すると一般に脆くなる性質がある。水素固溶体ではそれほど脆くはならないが、水素化物が生成すると決定的に脆くなり、自己粉砕が生じる。そのため、水素透過合金では水素化物の生成を絶対に避けなければならない。また、温度が低下、または水素圧力が上昇すると水素化物の生成が容易になるため、水素透過合金は200℃(473K)以上での温度かつ0.5MPa以下の水素下で使用される。   The material generally has a property of becoming brittle when hydrogen is occluded. The hydrogen solid solution does not become so brittle, but when hydride is formed, it becomes brittle and self-pulverization occurs. Therefore, the formation of hydride must be avoided in hydrogen permeable alloys. In addition, when the temperature is lowered or the hydrogen pressure is increased, hydride formation is facilitated. Therefore, the hydrogen permeable alloy is used at a temperature of 200 ° C. (473 K) or more and under 0.5 MPa of hydrogen.

以上のように、両材料の合金設計の考え方は180度異なり、水素吸蔵合金を水素透過合金として使用することは不可能であり、またその逆も同様である。水素透過合金では水素脆化を抑えなければならず、そのためには水素吸蔵前に延性を示し、水素化物が生成しないようにしなければならない。   As described above, the concept of alloy design of both materials is 180 degrees different, and it is impossible to use a hydrogen storage alloy as a hydrogen permeable alloy, and vice versa. In hydrogen permeable alloys, hydrogen embrittlement must be suppressed, and for this purpose, ductility must be exhibited before hydrogen storage and hydrides should not be produced.

一般に、水素透過材料は水素固溶体を形成する領域で使用され、そのような場合には、単位時間、単位面積当たりに合金膜を透過する水素量J(molH−2−1)と水素透過係数Φ(molH−1−1Pa−0.5)との間には次式で示す関係がある。 In general, the hydrogen permeable material is used in a region where a hydrogen solid solution is formed. In such a case, hydrogen amount J (molH 2 m −2 s −1 ) and hydrogen permeating the alloy film per unit time and unit area are used. There is a relationship represented by the following equation with the transmission coefficient Φ (molH 2 m −1 s −1 Pa −0.5 ).

J=Φ(P 0.5−P 0.5)/L (4) J = Φ (P u 0.5 −P d 0.5 ) / L (4)

上式中、PおよびP(Pa)は、それぞれ上流側および下流側の水素圧力であり、Lは水素透過合金膜の厚さ(m)である。 In the above formula, P u and P d (Pa) are the hydrogen pressure on the upstream side and the downstream side, respectively, and L is the thickness (m) of the hydrogen permeable alloy film.

水素透過量Jを増大させるには、水素透過係数Φの大きい合金を用いることの他に、薄い膜をより高い圧力差をつけて使用することが要求される。そのため、合金膜の機械的性質が優れていることが不可欠である。何故ならば、如何に水素透過係数が大きい材料であろうと、水素脆化により破壊するなら水素透過合金膜として実現することはできないからである。純Pdより100倍以上水素透過係数が高い純Nbが水素透過合金膜として使用されない理由は、Nbの耐水素脆性が低いからである。現在、水素透過合金の最大の開発課題は、如何に水素脆化を抑制するかである。   In order to increase the hydrogen permeation amount J, it is required to use a thin membrane with a higher pressure difference in addition to using an alloy having a large hydrogen permeation coefficient Φ. Therefore, it is essential that the mechanical properties of the alloy film are excellent. This is because a material having a high hydrogen permeability coefficient cannot be realized as a hydrogen-permeable alloy film if it is destroyed by hydrogen embrittlement. The reason why pure Nb having a hydrogen permeability coefficient 100 times higher than that of pure Pd is not used as a hydrogen permeable alloy film is that Nb has low hydrogen embrittlement resistance. Currently, the biggest development issue for hydrogen permeable alloys is how to suppress hydrogen embrittlement.

水素透過合金膜は、例えば、V、Nb、TaとTi、Zr、Ni、Coとの合金が適していることが知られている(例えば特許文献2参照)。この文献での合金設計指針は、水素透過性能の優れたV、Nb、Taに水素吸蔵能のあるTi、Zr、Hfと触媒作用のあるNi、Coから水素透過合金を作製しようとするものである。しかし、この文献には、水素透過性のみならず水素脆化については全く記述がない。また、このような指針に基いて合金を作製しても、水素脆化により合金は破壊するため、水素透過合金としては使用できない。   As the hydrogen permeable alloy film, it is known that, for example, an alloy of V, Nb, Ta and Ti, Zr, Ni, Co is suitable (see, for example, Patent Document 2). The alloy design guideline in this document is to make a hydrogen permeable alloy from Ti, Zr, Hf which has hydrogen storage ability in V, Nb, Ta excellent in hydrogen permeability and Ni, Co which has catalytic action. is there. However, this document does not describe hydrogen embrittlement as well as hydrogen permeability. Further, even if an alloy is produced based on such guidelines, the alloy is broken by hydrogen embrittlement and cannot be used as a hydrogen permeable alloy.

また、同様の文献(特許文献3参照)にもNb系水素透過合金について記載されているが、その水素透過特性はPdのそれより低下している。これらの合金は、単一相を想定しているが、単一相に水素透過性と耐水素脆性という矛盾する特性を担わせることは困難である。これらの合金で水素脆化を抑制しようとすると、水素固溶量を低下せざるを得ず、水素透過性低下の原因となる。   A similar document (see Patent Document 3) also describes an Nb-based hydrogen permeable alloy, but its hydrogen permeability is lower than that of Pd. These alloys assume a single phase, but it is difficult for the single phase to have contradictory properties of hydrogen permeability and hydrogen embrittlement resistance. If it is going to suppress hydrogen embrittlement with these alloys, the amount of hydrogen solid solution must be reduced, which causes a decrease in hydrogen permeability.

さらに、水素脆化を抑制するために、合金の構造をアモルファス化することが知られている(例えば特許文献4参照)。しかし、アモルファス合金中における水素の拡散係数は一般的に結晶材料中のそれより低いため、高い水素透過性は得られない。また、アモルファス材料は温度を上昇させると結晶化するため、使用温度に制約が生じる。特に、水素透過用に作製されたアモルファス合金は、水素との結合力が高い元素を含むため、水素中では結晶化がより低温で起こる。   Furthermore, in order to suppress hydrogen embrittlement, it is known to make an alloy structure amorphous (see, for example, Patent Document 4). However, since the diffusion coefficient of hydrogen in an amorphous alloy is generally lower than that in a crystalline material, high hydrogen permeability cannot be obtained. Further, since the amorphous material is crystallized when the temperature is increased, the use temperature is restricted. In particular, since an amorphous alloy produced for hydrogen permeation contains an element having a high binding force with hydrogen, crystallization occurs in hydrogen at a lower temperature.

このような問題を解決するために、合金の複相化が効果的であることが提案されている(非特許文献1参照)。材料の諸特性は合金の組織に強く影響を受けるが、組織は合金組成に強く依存する。したがって、材料の特性について議論する場合は、合金組成、組織と特性の関係を明示しなければ意味がない。ところが、この文献では合金組成については特定されていない。また、合金組成、組織、特性の関係について何ら言及されていない。   In order to solve such a problem, it has been proposed that the alloy is effective in making a double phase (see Non-Patent Document 1). The material properties are strongly influenced by the structure of the alloy, but the structure is strongly dependent on the alloy composition. Therefore, when discussing the characteristics of the material, it is meaningless unless the relationship between the alloy composition, structure, and characteristics is clearly indicated. However, this document does not specify the alloy composition. Moreover, nothing is mentioned about the relationship between alloy composition, structure, and properties.

つまり、水素透過合金として使用可能な複相合金は、以下に示すような様々な条件を満たす必要があるので、複相であれば優れた水素透過合金になるわけではない。   In other words, a multiphase alloy that can be used as a hydrogen permeable alloy needs to satisfy various conditions as shown below. Therefore, if it is a multiphase, it does not become an excellent hydrogen permeable alloy.

まず、Co−Ti−Nb系においては、Nbを固溶したCoTi相とCoを固溶したTiNb相以外の相は、鋳造状態で合金を脆くする、あるいは/および多量の水素を吸蔵して脆い水素化物を生成する作用があるため、この2相以外の第三相が生成すると、試料作製の段階で破壊したり、水素透過試験中に水素脆化により破壊する。したがって、第三相ができるだけ生成しない合金組成を選定することが不可欠である。   First, in the Co—Ti—Nb system, the phases other than the CoTi phase in which Nb is dissolved and the TiNb phase in which Co is dissolved make the alloy brittle in the cast state and / or are brittle due to occlusion of a large amount of hydrogen. Due to the action of generating hydride, if a third phase other than these two phases is generated, it will be destroyed at the stage of sample preparation or by hydrogen embrittlement during the hydrogen permeation test. Therefore, it is essential to select an alloy composition that does not produce the third phase as much as possible.

たとえ合金が前記CoTi相と前記TiNb相の2相で構成されていたとしても、初晶として生成する相の種類とその体積比の制御が不可欠である。CoTi相の水素透過性および延性はTiNb相のそれらより低いため、CoTi相が初晶として生成する合金では、水素透過性が小さく、また脆化および水素脆化が生じやすい。したがって、水素透過が可能であっても優れた水素透過特性は望めない。TiNb相が初晶として生成する合金組成が必須である。   Even if the alloy is composed of two phases of the CoTi phase and the TiNb phase, it is indispensable to control the type of the phase generated as the primary crystal and the volume ratio thereof. Since the hydrogen permeability and ductility of the CoTi phase are lower than those of the TiNb phase, an alloy in which the CoTi phase is formed as a primary crystal has low hydrogen permeability and is susceptible to embrittlement and hydrogen embrittlement. Therefore, even if hydrogen permeation is possible, excellent hydrogen permeation characteristics cannot be expected. An alloy composition in which the TiNb phase is formed as a primary crystal is essential.

また、本複相水素透過合金の水素透過性は主にTiNb相が担っているので、TiNb相の体積比が大きくなるような合金組成を選定すべきである。しかし、過剰のTiNb相は水素脆化の原因となる。   In addition, since the hydrogen permeability of the present multiphase hydrogen permeable alloy is mainly borne by the TiNb phase, an alloy composition that increases the volume ratio of the TiNb phase should be selected. However, an excessive TiNb phase causes hydrogen embrittlement.

さらに、TiNb相の水素透過性は主にNbが担っていると考えられる、そのため、TiNb相中のNb濃度が高くなるような合金組成を選定すべきである。また、合金中のTi濃度が高いと、TiNb相中のTi濃度が高くなるため、TiH等の水素化物が生成し、複相である場合でも破壊が起こる。したがって、初晶中のTi濃度が過度にならないようにするため、合金中のTi濃度は25原子%以下であることが望ましい。 Furthermore, it is considered that Nb is mainly responsible for the hydrogen permeability of the TiNb phase. Therefore, an alloy composition that increases the Nb concentration in the TiNb phase should be selected. Further, when the Ti concentration in the alloy is high, the Ti concentration in the TiNb phase increases, so that a hydride such as TiH 2 is generated, and destruction occurs even in the case of multiple phases. Therefore, in order to prevent the Ti concentration in the primary crystal from becoming excessive, the Ti concentration in the alloy is desirably 25 atomic% or less.

以上のように、水素脆化を抑制しつつ最大限の水素透過特性を得るには、合金組成の細かい制御が不可欠である。   As described above, in order to obtain the maximum hydrogen permeation characteristics while suppressing hydrogen embrittlement, fine control of the alloy composition is indispensable.

Ni−Ti−Nb系において、生成する相の種類とその体積比を制御することによって、複相水素透過合金が作製できることが知られている(特許文献5参照)。しかし、合金系によって相平衡が異なるため、前記複相水素透過合金として必要な条件は、合金系によって異なる。したがって、周期律表上の類似性からCo−Ti−Nb合金の特性をNi−Ti−Nb合金で得られた知見から単純に予測することはできない。   In the Ni—Ti—Nb system, it is known that a multiphase hydrogen permeable alloy can be produced by controlling the type of phase to be generated and its volume ratio (see Patent Document 5). However, since the phase equilibrium differs depending on the alloy system, the necessary conditions for the multiphase hydrogen permeable alloy differ depending on the alloy system. Therefore, the characteristics of the Co—Ti—Nb alloy cannot be simply predicted from the knowledge obtained with the Ni—Ti—Nb alloy from the similarity in the periodic table.

Co−Ti−Nb系においても、生成する相の種類とその体積比を制御することによって、複相水素透過合金が作製できることが知られている(特許文献6参照)。   It is known that even in the Co—Ti—Nb system, a multi-phase hydrogen permeable alloy can be produced by controlling the kind of phase to be generated and its volume ratio (see Patent Document 6).

しかし、この特許文献6に記載の技術では、Co35Ti35Nb30(原子%)合金が最大の水素透過係数を示すが、その値は2.64×10−8(molH−1−1Pa−0.5)にとどまるために、実用上の点からはさらなる検討、考察を行う余地がある。この合金系では、Nbの濃度が高くすると、初晶TiNb相の体積率が増加し、水素透過係数の増加が予想されるが、この文献中では、Nb濃度が増加すると水素透過係数が低下している。これは、合金組成の選定が悪く、共晶組織の一部が崩れ、CoTi相やその他の相が粒状に生成しているためである。これらの相は水素透過に悪影響を及ぼす。初晶TiNb相が共晶(CoTi+TiNb)に囲まれた組織から構成される合金を作製できれば、高Nb化により水素透過係数の改善が期待できる。
特開平8−215551号公報(段落0006) 特開平11−276866号公報(段落0014) 特開2000−159503号公報(段落0006) 特開2004−042017号公報(段落0005、0009) 特開2005−232491号公報(段落0029) 特許第3749952号公報(段落0039) 橋邦彦ら、「Co−Ti−Nb合金の水素透過特性」、日本金属学会概要、VOL133、P.427
However, in the technique described in Patent Document 6, the Co 35 Ti 35 Nb 30 (atomic%) alloy exhibits the maximum hydrogen permeation coefficient, but the value is 2.64 × 10 −8 (molH 2 m −1 s). −1 Pa −0.5 ), there is room for further study and consideration from a practical point of view. In this alloy system, as the Nb concentration increases, the volume fraction of the primary TiNb phase increases and the hydrogen permeability coefficient is expected to increase, but in this document, the hydrogen permeability coefficient decreases as the Nb concentration increases. ing. This is because the alloy composition is poorly selected, a part of the eutectic structure collapses, and the CoTi phase and other phases are generated in granular form. These phases adversely affect hydrogen permeation. If an alloy composed of a structure in which the primary TiNb phase is surrounded by a eutectic (CoTi + TiNb) can be produced, an improvement in the hydrogen permeability coefficient can be expected by increasing the Nb content.
JP-A-8-215551 (paragraph 0006) Japanese Patent Laid-Open No. 11-276866 (paragraph 0014) JP 2000-159503 A (paragraph 0006) Japanese Patent Laying-Open No. 2004-042017 (paragraphs 0005 and 0009) Japanese Patent Laying-Open No. 2005-232491 (paragraph 0029) Japanese Patent No. 3749995 (paragraph 0039) Kunihiko Hashi et al., “Hydrogen Permeation Properties of Co—Ti—Nb Alloy”, Outline of the Japan Institute of Metals, VOL133, P.A. 427

このようなことから、合金組成、組織、水素透過性の関係について明らかにし、水素透過性と耐水素脆化性とを異なる相に担わせ、473K以上で使用可能な結晶質の高性能な複相水素透過合金の実現が要望されている。   For this reason, the relationship between the alloy composition, structure, and hydrogen permeability is clarified, the hydrogen permeability and hydrogen embrittlement resistance are assigned to different phases, and a high-performance crystalline composite that can be used at 473K or higher is used. Realization of a phase hydrogen permeable alloy is desired.

そこで、本発明は、水素透過性と耐水素脆化性とを有し、473K以上で使用可能な結晶質の複相水素透過合金および結晶質複相水素透過合金膜を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a crystalline multi-phase hydrogen permeable alloy and a crystalline multi-phase hydrogen permeable alloy film that have hydrogen permeability and hydrogen embrittlement resistance and can be used at 473 K or higher. To do.

上記課題は、本発明者らが、Co−Ti−Nb系合金の、Coを固溶したTiNb相(以下TiNb相と記す)とNbを固溶したCoTi相(以下CoTi相と記す)との共晶(CoTi+TiNb)から構成される合金において、合金組成を初晶組成と共晶組成を結んだ線上の組成近傍に限定することにより、初晶TiNb相が共晶(CoTi+TiNb)に囲まれた構造の合金が作製でき、初晶TiNb相の体積比を増大しても耐水素脆化性を維持できることを見いだしたことにより解決できた。   The above-mentioned problem is that the present inventors have made a Co-Ti-Nb alloy with a TiNb phase in which Co is dissolved (hereinafter referred to as TiNb phase) and a CoTi phase in which Nb is dissolved (hereinafter referred to as CoTi phase). In an alloy composed of eutectic (CoTi + TiNb), by limiting the alloy composition to the vicinity of the composition on the line connecting the primary crystal composition and the eutectic composition, the primary crystal TiNb phase becomes eutectic (CoTi + TiNb). This was solved by finding that an alloy having an enclosed structure could be produced and that hydrogen embrittlement resistance could be maintained even when the volume ratio of the primary TiNb phase was increased.

本発明の複相Co−Ti−Nb系結晶質水素透過合金は、水素透過性を担う相と耐水素脆化性を担う相との複合相からなることを特徴とする。   The multiphase Co—Ti—Nb-based crystalline hydrogen permeable alloy of the present invention is characterized by comprising a composite phase of a phase responsible for hydrogen permeability and a phase responsible for hydrogen embrittlement resistance.

複相Co−Ti−Nb合金においては、共晶(CoTi+TiNb)が初相TiNb相を囲んでいる構造を有する。これにより、初晶TiNb相の体積比を増大しても耐水素脆化性を維持した複相水素透過合金の作製が可能になり、効率よく水素を透過することができる。   The multiphase Co—Ti—Nb alloy has a structure in which a eutectic (CoTi + TiNb) surrounds the initial phase TiNb phase. Thereby, even if the volume ratio of the primary TiNb phase is increased, it becomes possible to produce a multi-phase hydrogen permeable alloy that maintains hydrogen embrittlement resistance, and hydrogen can permeate efficiently.

前記Co−Ti−Nb系合金が、Co−Ti−Nb3元状態図上で、点A(Co20Ti30Nb50)、点B(Co20Ti10Nb70),点C(Co10Ti10Nb80)および点D(Co10Ti30Nb60)(ただし、合金組成はすべて原子%)で囲まれた領域内の合金組成であるとともに、Co−Ti−Nb3元状態図上で、点P(Co35Ti35Nb30)と点Q(CoTiNb87)(ただし、合金組成は全て原子%)を結んだ線分PQを含んだ領域内であって、かつ初晶および共晶のみからなる合金組成である、ことを特徴とする。この範囲よりNb量が多いと水素脆化が著しく、水素透過合金として適さない。この範囲よりNb量が少ないと水素透過係数が極めて小さくなるため、前述した課題を解決し得る水素透過合金としては適さない。一方、Ti量またはCo量がこの範囲を外れると、初晶TiNb相と共晶(CoTi+TiNb)の構造が崩れる、或いはTiNb相やCoTi相以外の第3相が生成し、水素透過係数や耐水素脆化性が低下するため、水素透過合金として適さない。 The Co-Ti-Nb based alloy, Co-Ti-Nb3 on the diagram yuan state, the point A (Co 20 Ti 30 Nb 50 ), point B (Co 20 Ti 10 Nb 70 ), point C (Co 10 Ti 10 Nb 80 ) and point D (Co 10 Ti 30 Nb 60 ) (where the alloy composition is all atomic%), and the point P on the Co—Ti—Nb ternary phase diagram It is in a region including a line segment PQ connecting (Co 35 Ti 35 Nb 30 ) and point Q (Co 5 Ti 8 Nb 87 ) (wherein the alloy composition is all atomic%), and the primary crystal and eutectic crystal It is the alloy composition which consists of only. If the amount of Nb is larger than this range, hydrogen embrittlement is remarkable and it is not suitable as a hydrogen permeable alloy. If the amount of Nb is less than this range, the hydrogen permeation coefficient becomes extremely small, so that it is not suitable as a hydrogen permeation alloy that can solve the aforementioned problems. On the other hand, if the Ti content or Co content is out of this range, the primary TiNb phase and the eutectic (CoTi + TiNb) structure are destroyed, or a third phase other than the TiNb phase and the CoTi phase is generated, and the hydrogen permeability coefficient and hydrogen resistance Since the embrittlement property is lowered, it is not suitable as a hydrogen permeable alloy.

本発明の前記合金から作製された金属膜は、その厚さが0.01〜3mmであることを特徴とする。厚さが3mmを超えると、水素透過束(量)が小さくなり、水素透過効率が悪くなる。また、厚さが0.01mm未満であると、機械的強度が弱くなり、実用的でなくなる。   The metal film produced from the alloy of the present invention has a thickness of 0.01 to 3 mm. When the thickness exceeds 3 mm, the hydrogen permeation flux (amount) becomes small, and the hydrogen permeation efficiency is deteriorated. On the other hand, if the thickness is less than 0.01 mm, the mechanical strength becomes weak and impractical.

前記金属膜の両面(つまり被処理原料を流す側と精製水素を取り出す側)にさらにPd膜またはPd合金膜が形成され、このPd膜またはPd合金膜の厚さが50〜400nmであることを特徴とする。このように合金材を挟んで、被処理原料ガス側(上流、高圧側)と精製水素側(下流、低圧水素側)との両側に所定の厚さのPd膜またはPd合金膜を形成すれば、当該合金膜の酸化、窒化等を防止でき、また水素の解離と再結合が容易に行われ得る。この範囲を外れると、薄い場合にはPd膜またはPd合金膜の剥離が生じ、厚い場合には不経済になる。   A Pd film or a Pd alloy film is further formed on both surfaces of the metal film (that is, a side where the raw material to be treated is supplied and a side where purified hydrogen is extracted), and the thickness of the Pd film or the Pd alloy film is 50 to 400 nm. Features. If a Pd film or a Pd alloy film having a predetermined thickness is formed on both sides of the raw material gas side (upstream, high-pressure side) and the purified hydrogen side (downstream, low-pressure hydrogen side) with the alloy material sandwiched in this way In addition, oxidation, nitridation, and the like of the alloy film can be prevented, and hydrogen can be easily dissociated and recombined. Outside this range, the Pd film or Pd alloy film peels off when it is thin, and becomes uneconomical when it is thick.

本究明によれば、特定の組成を有するCo−Ti−Nb系複相合金を用いることにより、473K以上で極めて優れた水素透過性と耐水素脆化性とを両立して達成することができるという効果を奏する。   According to this study, by using a Co—Ti—Nb-based multiphase alloy having a specific composition, it is possible to achieve both excellent hydrogen permeability and resistance to hydrogen embrittlement at 473 K or higher. There is an effect.

本発明者らは、まず、鋳造状態で共晶(CoTi+TiNb)と初晶TiNb相からなるCo30Ti30Nb40(原子%)合金において、初晶TiNb相の組成と共晶(CoTi+TiNb)の組成をそれぞれ決定した。次に、Co−Ti−Nb系3元状態図上で前記両組成を結んだ線上付近の組成を有する合金が、初晶TiNb相と共晶(CoTi+TiNb)から構成され、初晶の体積比を増大しても耐水素脆化性を維持できることから、前述した課題を解決し得る水素透過用金属膜として有用である可能性を見いだし、水素透過実験により確かめた。 First, in the Co 30 Ti 30 Nb 40 (atomic%) alloy composed of a eutectic (CoTi + TiNb) and a primary TiNb phase in a cast state, the inventors of the present invention have the composition of the primary TiNb phase and the composition of the eutectic (CoTi + TiNb). Respectively. Next, on the Co-Ti-Nb ternary phase diagram, an alloy having a composition near the line connecting the two compositions is composed of a primary TiNb phase and a eutectic (CoTi + TiNb). Since the hydrogen embrittlement resistance can be maintained even if it is increased, the possibility of being useful as a metal film for hydrogen permeation that can solve the above-mentioned problems was found and confirmed by hydrogen permeation experiments.

本発明の実施の形態によれば、水素透過金属膜としてCo−Ti−Nb系合金からなる膜を用いるものであり、この金属膜は、初晶TiNb相と共晶(CoTi+TiNb)からなる。すなわち、Co−Ti−Nb系合金材の組成をCo−Ti−Nb3元状態図上で、点A(Co20Ti30Nb50)、点B(Co20Ti10Nb70),点C(Co10Ti10Nb80)および点D(Co10Ti30Nb60)(ただし、合金組成はすべて原子%)で囲まれた領域内の合金組成であるとともに、Co−Ti−Nb3元状態図上で、点P(Co35Ti35Nb30)と点Q(CoTiNb87)(ただし、合金組成は全て原子%)を結んだ線分PQを含んだ領域内であって、かつ初晶および共晶のみからなる合金組成とすることにより、初晶TiNb相が共晶(CoTi+TiNb)に囲まれた構造を有する複相合金材を提供することができ、この複相合金材の例えば鋳造合金材から金属膜を提供できる。この複相合金材は、水素透過性と耐水素脆性との両特性に優れており、水素透過のための金属膜を構成するのに適している。この複相合金の水素透過係数は組成により異なるが、現在水素精製用金属膜として実用化しているPd合金膜を大きく上回る水素透過性を示す。 According to the embodiment of the present invention, a film made of a Co—Ti—Nb-based alloy is used as the hydrogen permeable metal film, and this metal film is made of a primary TiNb phase and a eutectic (CoTi + TiNb). That is, the composition of the Co—Ti—Nb alloy material is represented by point A (Co 20 Ti 30 Nb 50 ), point B (Co 20 Ti 10 Nb 70 ), point C (Co 10 Ti 10 Nb 80 ) and point D (Co 10 Ti 30 Nb 60 ) (wherein the alloy composition is all atomic%), and on the Co—Ti—Nb ternary phase diagram , In a region including a line segment PQ connecting point P (Co 35 Ti 35 Nb 30 ) and point Q (Co 5 Ti 8 Nb 87 ) (wherein the alloy composition is all atomic%), and the primary crystal And an alloy composition consisting only of eutectic can provide a multiphase alloy material having a structure in which the primary crystal TiNb phase is surrounded by eutectic (CoTi + TiNb). Cast alloy material to gold A metal membrane can be provided. This multiphase alloy material is excellent in both properties of hydrogen permeability and hydrogen embrittlement resistance, and is suitable for forming a metal film for hydrogen permeation. Although the hydrogen permeability coefficient of this multiphase alloy varies depending on the composition, it shows a hydrogen permeability far exceeding that of a Pd alloy film currently in practical use as a metal film for hydrogen purification.

本発明の複相合金からなる金属膜は、Pd合金膜に比ベ1/4〜1/8の費用で作製可能のため低コストであり、また、将来懸念されるPdの資源枯渇の際の代替品として適用できる材料といえる。   The metal film made of the multi-phase alloy of the present invention is low in cost because it can be produced at a cost of 1/4 to 1/8 of that of the Pd alloy film. It can be said that it is a material that can be applied as an alternative.

本発明の合金材の作製方法は特に限定されないが、原料金属を所定の組成になるように配合後、Ar等の不活性ガス雰囲気中のアーク溶解、Ar等の不活性ガス雰囲気中若しくは真空中の高周波誘導加熱溶解、Ar等の不活性ガス雰囲気中若しくは真空中の電気炉中溶解、真空中の電子ビーム溶解、またはレーザ加熱溶解等の溶解法等により作製される。   The method for producing the alloy material of the present invention is not particularly limited, but after blending the raw metal so as to have a predetermined composition, arc melting in an inert gas atmosphere such as Ar, or in an inert gas atmosphere such as Ar or in vacuum These are prepared by melting methods such as high-frequency induction heating melting, melting in an inert gas atmosphere such as Ar or in an electric furnace in vacuum, electron beam melting in vacuum, or laser heating melting.

または、上記溶解法により作製した合金を粉砕後に、Ar等の不活性ガス雰囲気中でメカニカルグラインディングを施した合金粉末、あるいはそれぞれの原料金属粉末を所定の組成になるように配合後に、Ar等の不活性ガス雰囲気中でメカニカルアロイングを施した粉末等を固化成型する粉末冶金法等により作製される。   Or, after pulverizing the alloy prepared by the above melting method, alloy powder subjected to mechanical grinding in an inert gas atmosphere such as Ar, or after blending each raw metal powder to have a predetermined composition, Ar or the like It is produced by a powder metallurgy method for solidifying and molding a powder subjected to mechanical alloying in an inert gas atmosphere.

多数の組成についての実験結果から、図1に示す点A、B、CおよびDで囲まれた破線内のもの(本発明に係る水素透過合金)が特に有用である。図1の■印は鋳造状態で脆化することを示し、◆印は水素透過測定時に脆化するものを示し、また、破線領域外の△印は延性は優れているが水素透過係数が小さいものを示し、これらは全て水素透過用合金膜には適していない。○印は水素透過合金として使用可能であるが、その水素透過係数はそれほど高くはない。そして、◎印は前述した点A、B、CおよびDで囲まれた破線内の水素透過合金に含まれるものである。   From the experimental results for a number of compositions, the one in the broken line surrounded by points A, B, C and D shown in FIG. 1 (hydrogen permeable alloy according to the present invention) is particularly useful. In FIG. 1, the ■ mark indicates embrittlement in the cast state, the ♦ mark indicates that it becomes brittle during hydrogen permeation measurement, and the Δ mark outside the broken line area has excellent ductility but a small hydrogen permeation coefficient. These are all not suitable for hydrogen permeable alloy membranes. The ○ mark can be used as a hydrogen permeable alloy, but its hydrogen permeability coefficient is not so high. The ◎ marks are included in the hydrogen permeable alloy within the broken line surrounded by the points A, B, C and D described above.

水素透過用金属膜の厚さが薄いほど水素透過束(量)が大きくなり、水素透過効率が良くなる。しかし、金属膜の厚さが薄くなれば横械的強度が弱くなる。そのためこれら合金系の場合、合金膜の厚さは0.01〜3mmであることが好ましい。   The thinner the metal membrane for hydrogen permeation, the greater the hydrogen permeation flux (amount) and the better the hydrogen permeation efficiency. However, as the thickness of the metal film is reduced, the mechanical strength is reduced. Therefore, in the case of these alloy systems, the thickness of the alloy film is preferably 0.01 to 3 mm.

これら合金材を水素透過用金属膜として利用するためには、その合金材の両面に、つまり合金材を挟んで原料ガス側(上流、高圧水素側)と精製水素側(下流、低圧水素側)とに、水素の解離と再結合のために、さらにPd膜またはPd合金膜をそれぞれ形成することが必要である。その厚さは、一般に50〜400nm、好ましくは100〜200nmである。   In order to use these alloy materials as metal membranes for hydrogen permeation, the source gas side (upstream, high-pressure hydrogen side) and the refined hydrogen side (downstream, low-pressure hydrogen side) sandwiching the alloy material on both sides of the alloy material In addition, it is necessary to further form a Pd film or a Pd alloy film for hydrogen dissociation and recombination, respectively. The thickness is generally 50 to 400 nm, preferably 100 to 200 nm.

水素の解離と再結合のために、当該合金膜の両側にPdまたはPd合金膜を形成する方法は特に制限されず、例えば、真空蒸着、スパックリング、イオンプレーティング、電解めっき、無電解めっき等のいずれで行ってもよい。   The method for forming Pd or Pd alloy film on both sides of the alloy film for hydrogen dissociation and recombination is not particularly limited. For example, vacuum deposition, spuck ring, ion plating, electrolytic plating, electroless plating, etc. Any of these may be used.

以下、本究明の実施例および比較例を説明する。   Hereinafter, examples and comparative examples of the present study will be described.

(実施例1)   Example 1

CoTiNb(100−x−y)合金材の組成がx=30原子%、y=30原子%になるように、Co(純度99・9%)、Ti(純度99.5%)、Nb(99.9%)の所定量を配合した。この配合物をアーク溶解炉に装填し、真空引きを行った。真空引きは、油回転ポンプと油拡散ポンプを用い、1.3×10−3Pa以下まで行った。真空引き完了後、360mmHgのアルゴンガスを導入しアーク溶解を行った。均一な合金を作製するため、溶解後の鋳塊を反転し再溶解を行った。鋳塊の反転−再溶解は6回行った。このようにして得られた鋳塊から、放電加工により直径12mm、厚さ0.6mmの円盤を切り出し、測定試料とした。 Co (purity 99.9%), Ti (purity 99.5%) so that the composition of the Co x Ti y Nb (100-xy) alloy material is x = 30 atomic% and y = 30 atomic%. A predetermined amount of Nb (99.9%) was blended. This blend was loaded into an arc melting furnace and evacuated. The evacuation was performed to 1.3 × 10 −3 Pa or less using an oil rotary pump and an oil diffusion pump. After completion of evacuation, 360 mmHg argon gas was introduced to perform arc melting. In order to produce a uniform alloy, the ingot after melting was inverted and remelted. The inversion-remelting of the ingot was performed 6 times. A disk having a diameter of 12 mm and a thickness of 0.6 mm was cut out from the ingot thus obtained by electric discharge machining to obtain a measurement sample.

試料の両側を紙ヤスリ、バフ、次いで、直径0.5μmのαアルミナで研磨した後、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた微小構造観察、エネルギー分散型X線分析装置(EDS)を用いた化学分析を行った。   After polishing both sides of the sample with a paper file, buff, and then α-alumina with a diameter of 0.5 μm, microstructure observation using a scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive X-ray analyzer (EDS) were used. Chemical analysis was performed.

図2にCo30Ti30Nb40合金材のSEM写真を示す。この合金材は、白色の初晶TiNb相が共晶(CoTi+TiNb)に囲まれた構造のみを有していることが分かる。化学分析の結果、共晶(CoTi+TiNb)相および初晶TiNb相の組成はそれぞれ、Co35Ti35Nb30(原子%)およびCoTiNb87(原子%)であった。これらの組成は図1上でそれぞれP点およびQ点で示される。 FIG. 2 shows an SEM photograph of the Co 30 Ti 30 Nb 40 alloy material. This alloy material has only a structure in which the white primary crystal TiNb phase is surrounded by eutectic (CoTi + TiNb). As a result of chemical analysis, the compositions of the eutectic (CoTi + TiNb) phase and the primary crystal TiNb phase were Co 35 Ti 35 Nb 30 (atomic%) and Co 5 Ti 8 Nb 87 (atomic%), respectively. These compositions are indicated by points P and Q on FIG.

次に、P点およびQ点を結んだ線上付近の組成を有するCo−Ti−Nb合金を複数作製し、水素透過試験を行った。   Next, a plurality of Co—Ti—Nb alloys having a composition near the line connecting the P point and the Q point were produced, and a hydrogen permeation test was performed.

CoTiNb(100−x−y)合金材の組成がx=17原子%、y=19原子%になるように、Co(純度99・9%)、Ti(純度99.5%)、Nb(99.9%)の所定量を配合し、上記方法により円盤試料を作製した。 Co (purity 99.9%), Ti (purity 99.5%) so that the composition of the Co x Ti y Nb (100-xy) alloy material is x = 17 atomic% and y = 19 atomic%. A predetermined amount of Nb (99.9%) was blended, and a disk sample was prepared by the above method.

試料の両側を紙ヤスリ、バフ、次いで、直径0.5μmのαアルミナで研磨した後、試料の微小構造観察には走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた。相の体積占有率は、パブリック・ドメインNIHイメージプログラムを使って、マッキントッシュ・コンピュータにより算出した。   Both sides of the sample were polished with a paper file, a buff, and then α-alumina having a diameter of 0.5 μm, and a scanning electron microscope (SEM) was used to observe the microstructure of the sample. The volume occupancy of the phase was calculated with a Macintosh computer using the public domain NIH image program.

このようにして得られたCo17Ti19Nb64合金材のSEM写真を図3に示す。初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されていることが分かる。白色相である初晶TiNbは、共晶に囲まれており、その体積比は65体積%であった。 An SEM photograph of the Co 17 Ti 19 Nb 64 alloy material thus obtained is shown in FIG. It can be seen that it is composed only of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb). The primary phase TiNb which is a white phase is surrounded by eutectic, and the volume ratio thereof is 65% by volume.

上記αアルミナで研磨した試料をアセトンで洗浄後、高周波マグネトロンスパッタ装置内にセットした。油回転ポンプ、クライオポンプを用いて、3×10−5Torrまで真空引きを行った。その後、試料表面に付着した酸化皮膜等を除去するため、RF電源を用いて10分間の逆スパッタを行った。次いで、試料をスパッタ装置内で350℃に加熱し、DC電源を用いて5分間Pdのスパッタを行った。この条件で被覆されるPd膜の厚さは190nmである。 The sample polished with α-alumina was washed with acetone and then set in a high-frequency magnetron sputtering apparatus. Using an oil rotary pump and a cryopump, vacuuming was performed up to 3 × 10 −5 Torr. Thereafter, reverse sputtering was performed for 10 minutes using an RF power source in order to remove the oxide film and the like adhering to the sample surface. Next, the sample was heated to 350 ° C. in the sputtering apparatus, and Pd sputtering was performed using a DC power source for 5 minutes. The thickness of the Pd film coated under these conditions is 190 nm.

水素透過測定は次のような流量法により実施した。先ず、Pd成膜した円盤試料をCuガスケットでシールした。次いで、円盤の両側を油拡散ポンプにより排気して3×10−3Pa以下の圧力にし、その後円盤を加熱して673Kにし、そのまま保持した。それから水素ガス(純度99.99999%)を下流側および上流側に、それぞれ0.1および0.2MPa導入し、その後水素透過測定を行った。上流側の水素圧力を0.2MPaから0.97MPaまで増大させ、また、温度は段階的に673Kから523Kまで50K間隔で下げた。一定温度に30分保持してから水素透過試験を開始した。水素透過束J(molH−2−1)はマスフローメータを用いて測定した。 Hydrogen permeation measurement was carried out by the following flow rate method. First, the disk sample on which the Pd film was formed was sealed with a Cu gasket. Next, both sides of the disk were evacuated with an oil diffusion pump to a pressure of 3 × 10 −3 Pa or less, and then the disk was heated to 673 K and held as it was. Then, hydrogen gas (purity: 99.99999%) was introduced into the downstream side and the upstream side, respectively, at 0.1 and 0.2 MPa, and then hydrogen permeation measurement was performed. The upstream hydrogen pressure was increased from 0.2 MPa to 0.97 MPa, and the temperature was decreased stepwise from 673 K to 523 K at 50 K intervals. After maintaining at a constant temperature for 30 minutes, the hydrogen permeation test was started. The hydrogen permeation flux J (molH 2 m −2 s −1 ) was measured using a mass flow meter.

数式(4)に示されるように、J×L対(Pu0.5−Pd0.5)プロットの傾きから水素透過係数Φが求められる。 As shown in Equation (4), the hydrogen permeation coefficient Φ is determined from the slope of the J × L vs. (Pu 0.5 −Pd 0.5 ) plot.

Co17Ti19Nb64合金材の673Kでの水素透過係数は、4.55×10−8(molH−1−1Pa−0.5)であり、純Pdのそれの3.5倍であった。 The hydrogen permeability coefficient at 673 K of the Co 17 Ti 19 Nb 64 alloy material is 4.55 × 10 −8 (molH 2 m −1 s −1 Pa −0.5 ), which is 3.5 of that of pure Pd. It was twice.

以上のように、共晶から構成される複相合金は、特に優れた水素透過係数、すなわち水素透過特性を示すことが分かり、水素透過用金属膜として使用可能であった。   As described above, it has been found that the multiphase alloy composed of eutectic exhibits a particularly excellent hydrogen permeation coefficient, that is, hydrogen permeation characteristics, and can be used as a metal film for hydrogen permeation.

(実施例2)   (Example 2)

Co−Ti−Nb系合金作製は、実施例1と同様にした。ただし、その組成は、x=19原子%、y=21原子%になるようにした。得られた鋳造状態のCo19Ti21Nb60合金材のSEM写真を図4に示す。この合金材は、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されていることが分かる。白色相である初晶TiNbは、共晶に囲まれており、その体積比は61体積%であった。この合金材の673Kでの水素透過係数は4.19×10−8(molH−1−1Pa−0.5)であり、水素透過用金属膜として使用可能であった。 The production of the Co—Ti—Nb alloy was carried out in the same manner as in Example 1. However, the composition was such that x = 19 atomic% and y = 21 atomic%. The SEM photograph of the obtained Co 19 Ti 21 Nb 60 alloy material in the cast state is shown in FIG. It can be seen that this alloy material is composed only of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb). The primary phase TiNb, which is a white phase, was surrounded by eutectic, and the volume ratio was 61% by volume. This alloy material had a hydrogen permeation coefficient at 673 K of 4.19 × 10 −8 (molH 2 m −1 s −1 Pa −0.5 ), and could be used as a hydrogen permeable metal film.

(比較例1)   (Comparative Example 1)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=21原子%、y=23原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 21 atomic% and y = 23 atomic%.

得られたCo21Ti23Nb56合金材は、その組成が図1において本発明に係る水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であったが、水素透過測定の可能な試料であった。この合金材は、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されており、初晶TiNb相の体積比は53体積%であった。この合金材の673Kでの水素透過係数は3.31×10−8(molH−1−1Pa−0.5)であった。 The obtained Co 21 Ti 23 Nb 56 alloy material has a composition outside of the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy formation region according to the present invention (enclosed by points A, B, C, and D in FIG. 1). Although it was out of the area, it was a sample capable of measuring hydrogen permeation. This alloy material was composed only of primary crystal TiNb and eutectic (CoTi + TiNb), and the volume ratio of the primary crystal TiNb phase was 53% by volume. Hydrogen permeation coefficient at 673K of this alloy was 3.31 × 10 -8 (molH 2 m -1 s -1 Pa -0.5).

(比較例2)   (Comparative Example 2)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=25.5原子%、y=26.5原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 25.5 atomic% and y = 26.5 atomic%.

得られたCo25.5Ti26.5Nb48合金材は、その組成が図1において本発明に係る水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であったが、水素透過測定の可能な試料であった。この合金材は、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されており、初晶TiNb相の体積比は39体積%であった。この合金材の673Kでの水素透過係数は2.72×10−8(molH−1−1Pa−0.5)であった。 The obtained Co 25.5 Ti 26.5 Nb 48 alloy material has a composition outside the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy formation region (points A, B, C and D) according to the present invention in FIG. It was a sample capable of measuring hydrogen permeation. This alloy material was composed only of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb), and the volume ratio of the primary TiNb phase was 39% by volume. The hydrogen permeation coefficient of this alloy material at 673 K was 2.72 × 10 −8 (molH 2 m −1 s −1 Pa −0.5 ).

(比較例3)   (Comparative Example 3)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=30原子%、y=30原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 30 atomic% and y = 30 atomic%.

得られたCo30Ti30Nb40合金材は、その組成が図1において本発明に係る水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であったが、水素透過測定の可能な試料であった。この合金材は、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されており、初晶TiNb相の体積比は24体積%であった。この合金材の673Kでの水素透過係数は2.45×10−8(molH−1−1Pa−0.5)であった。 The resulting Co 30 Ti 30 Nb 40 alloy material, surrounded by the composition of the hydrogen permeable for multi-phase Co-Ti-Nb alloy forming-area according to the present invention in FIG. 1 (point A, B, C and D Although it was out of the area, it was a sample capable of measuring hydrogen permeation. This alloy material was composed only of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb), and the volume ratio of the primary TiNb phase was 24% by volume. Hydrogen permeation coefficient at 673K of this alloy was 2.45 × 10 -8 (molH 2 m -1 s -1 Pa -0.5).

(比較例4)   (Comparative Example 4)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=35原子%、y=35原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 35 atomic% and y = 35 atomic%.

得られたCo35Ti35Nb30合金材は、共晶(CoTi+TiNb)相と同一組成である。その組成が図1において本発明に係る水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であったが、水素透過測定の可能な試料であった。この合金材は、共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されており、初晶TiNb相は生成していない。この合金材の673Kでの水素透過係数は2.32×10−8(molH−1−1Pa−0.5)であった。 The obtained Co 35 Ti 35 Nb 30 alloy material has the same composition as the eutectic (CoTi + TiNb) phase. In FIG. 1, the composition was outside the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy formation region (outside the region surrounded by points A, B, C, and D) according to the present invention, but hydrogen permeation measurement is possible. Sample. This alloy material is composed only of eutectic (CoTi + TiNb), and no primary crystal TiNb phase is generated. The hydrogen permeation coefficient of this alloy material at 673 K was 2.32 × 10 −8 (molH 2 m −1 s −1 Pa −0.5 ).

(比較例5)   (Comparative Example 5)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=5原子%、y=8原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 5 atomic% and y = 8 atomic%.

得られたCoTiNb87合金材は、初晶TiNb相と同一組成合金である。その組成は図1において本発明に係る水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)である。この合金材は、初晶TiNb単相合金(TiNb相の体積比は100%)であった。この合金は、水素吸蔵により脆化が生じたため、水素透過合金として使用できなかった。 The obtained Co 5 Ti 8 Nb 87 alloy material is an alloy having the same composition as the primary crystal TiNb phase. In FIG. 1, the composition is outside the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy formation region (outside the region surrounded by points A, B, C, and D) according to the present invention. This alloy material was a primary TiNb single phase alloy (volume ratio of TiNb phase was 100%). This alloy could not be used as a hydrogen permeable alloy because it became brittle due to hydrogen storage.

(比較例6)   (Comparative Example 6)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=10原子%、y=10原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 10 atomic% and y = 10 atomic%.

得られたCo10Ti10Nb80合金材は、その組成が図1において本発明に係る水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)である。この合金材は、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されており、初晶TiNb相の体積比は83体積%であった。この合金は、水素吸蔵により脆化が生じたため、水素透過合金として使用できなかった。 The obtained Co 10 Ti 10 Nb 80 alloy material has a composition surrounded by points A, B, C, and D outside the formation region of the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy according to the present invention in FIG. Out of area). This alloy material was composed only of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb), and the volume ratio of the primary TiNb phase was 83% by volume. This alloy could not be used as a hydrogen permeable alloy because it became brittle due to hydrogen storage.

以上より、P点およびQ点を結んだ線上の合金は、すべて初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されることが分かる。図5に、これら合金の初晶の体積比と水素透過係数の関係を示す。合金のNb濃度が小さいと、初晶TiNb相の体積比が小さくなり、水素透過係数が小さくなる(比較例1〜4)。したがって、前述した課題を解決し得る高性能な複相水素透過合金を得るには、初晶TiNb相の体積比を大きくする必要がある。逆に、初晶TiNb相の体積比が大きすぎると、水素吸蔵の際脆化するため、水素透過合金として使用できなくなる(比較例5、6)。そのため、Nb濃度には上限が存在する。その上限値は、58〜75体積%と考えられる。図1でA、B、CおよびDで囲まれた範囲の合金組成を選択することにより、水素吸蔵の際にも破壊せず、水素透過係数が特に高い合金が得られる。   From the above, it can be seen that all the alloys on the line connecting the P point and the Q point are composed only of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb). FIG. 5 shows the relationship between the volume ratio of primary crystals of these alloys and the hydrogen permeability coefficient. When the Nb concentration of the alloy is small, the volume ratio of the primary TiNb phase is small and the hydrogen permeability coefficient is small (Comparative Examples 1 to 4). Therefore, in order to obtain a high-performance dual-phase hydrogen permeable alloy that can solve the above-described problems, it is necessary to increase the volume ratio of the primary TiNb phase. On the other hand, if the volume ratio of the primary TiNb phase is too large, it becomes embrittled during hydrogen storage and cannot be used as a hydrogen permeable alloy (Comparative Examples 5 and 6). Therefore, there is an upper limit for the Nb concentration. The upper limit is considered to be 58 to 75% by volume. By selecting an alloy composition in a range surrounded by A, B, C, and D in FIG. 1, an alloy having a particularly high hydrogen permeability coefficient can be obtained without being destroyed during hydrogen storage.

(比較例7)   (Comparative Example 7)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=30原子%、y=20原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 30 atomic% and y = 20 atomic%.

得られたCo30Ti20Nb50合金は、その組成が図1における水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であったが、水素透過測定の可能な試料であった。この合金材は、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)および少量のCoTi相から構成されており、初晶TiNb相の体積比は28体積%であった。この合金材の673Kでの水素透過係数は1.54×10−8(molH−1−1Pa−0.5)であった。 The obtained Co 30 Ti 20 Nb 50 alloy had a composition outside the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy formation region (outside the region surrounded by points A, B, C and D) in FIG. However, it was a sample capable of measuring hydrogen permeation. This alloy material was composed of primary TiNb, eutectic (CoTi + TiNb) and a small amount of CoTi phase, and the volume ratio of primary TiNb phase was 28% by volume. The hydrogen permeation coefficient at 673 K of this alloy material was 1.54 × 10 −8 (molH 2 m −1 s −1 Pa −0.5 ).

(比較例8)   (Comparative Example 8)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=20原子%、y=20原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 20 atomic% and y = 20 atomic%.

得られたCo20Ti20Nb60合金は、その組成が図1における水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であり、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)および少量のCoTi相から構成されていた。初晶TiNb相の体積比は45体積%であった。この合金は、水素吸蔵により脆化が生じたため、水素透過合金として使用できなかった。 The obtained Co 20 Ti 20 Nb 60 alloy has a composition outside the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy forming region in FIG. 1 (outside the region surrounded by points A, B, C and D). Primary TiNb, eutectic (CoTi + TiNb) and a small amount of CoTi phase. The volume ratio of the primary TiNb phase was 45% by volume. This alloy could not be used as a hydrogen permeable alloy because it became brittle due to hydrogen storage.

実施例1、2および比較例8の結果より、次のことが考察される。PQ線上の合金組成を有し、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されているCo17Ti19Nb64合金(実施例1)およびCo19Ti21Nb60合金(実施例2)中の初晶TiNb相の体積比はそれぞれ65体積%、61体積%であり、初晶TiNb相の体積比が高いにも関わらず水素吸蔵により破壊せず、極めて高い水素透過係数を示した。一方、PQ線からずれた合金組成を有し、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のほかにCoTi相が生成しているCo20Ti20Nb60合金(比較例8)は、初晶TiNb相の体積比が45%と低いにも関わらず水素脆化により破壊した。以上のことより、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成され、その他の相が生成していない合金は、耐水素脆化性に優れていると考えられる。 From the results of Examples 1 and 2 and Comparative Example 8, the following is considered. Co 17 Ti 19 Nb 64 alloy (Example 1) and Co 19 Ti 21 Nb 60 alloy (Example 2) having an alloy composition on the PQ line and composed only of primary crystal TiNb and eutectic (CoTi + TiNb) The volume ratios of the primary TiNb phases were 65% by volume and 61% by volume, respectively, and despite the high volume ratios of the primary TiNb phases, they were not broken by hydrogen storage and exhibited extremely high hydrogen permeability coefficients. On the other hand, the Co 20 Ti 20 Nb 60 alloy (Comparative Example 8) having an alloy composition deviated from the PQ line and generating a CoTi phase in addition to primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb) has a primary TiNb phase. Although the volume ratio was as low as 45%, it was broken by hydrogen embrittlement. From the above, it is considered that an alloy composed only of primary crystal TiNb and eutectic (CoTi + TiNb) and having no other phases is excellent in hydrogen embrittlement resistance.

合金組成をPQ線上付近に限定することにより、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)から構成されている合金が作製できる。この組織を有する合金は、耐水素脆化性に優れているので、初晶TiNb相の体積比を増加しても破壊せず、水素透過性が極めて高い合金が得られる。   By limiting the alloy composition to the vicinity of the PQ line, an alloy composed of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb) can be produced. Since the alloy having this structure is excellent in hydrogen embrittlement resistance, it does not break even when the volume ratio of the primary TiNb phase is increased, and an alloy having extremely high hydrogen permeability can be obtained.

(比較例9)   (Comparative Example 9)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=20原子%、y=10原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 20 atomic% and y = 10 atomic%.

得られたCo20Ti10Nb70合金は、その組成が図1における水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であり、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)と脆いCoNb金属間化合物相から構成されていた。この合金は、水素吸蔵により脆化が生じたため、水素透過合金として使用できなかった。 The obtained Co 20 Ti 10 Nb 70 alloy has a composition outside the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy forming region in FIG. 1 (outside the region surrounded by points A, B, C and D). It was composed of primary crystal TiNb, eutectic (CoTi + TiNb) and a brittle CoNb intermetallic compound phase. This alloy could not be used as a hydrogen permeable alloy because it became brittle due to hydrogen storage.

(比較例10)   (Comparative Example 10)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=10原子%、y=30原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 10 atomic% and y = 30 atomic%.

得られたCo10Ti30Nb60合金は、その組成が図1における水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であり、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されていた。初晶TiNb相の体積比は80体積%であった。この合金は、水素吸蔵により脆化が生じたため、水素透過合金として使用できなかった。 Co 10 Ti 30 Nb 60 alloy obtained, its composition be for hydrogen permeation diploid Co-Ti-Nb alloy forming-area (point A, B, outside the area surrounded by the C and D) in FIG. 1 The primary crystal TiNb and the eutectic (CoTi + TiNb) alone. The volume ratio of the primary TiNb phase was 80% by volume. This alloy could not be used as a hydrogen permeable alloy because it became brittle due to hydrogen storage.

(比較例11)   (Comparative Example 11)

Co−Ti−Nb合金の作製方法は、実施例1と同様にした。その組成は、x=10原子%、y=20原子%になるようにした。   The method for producing the Co—Ti—Nb alloy was the same as in Example 1. The composition was such that x = 10 atomic% and y = 20 atomic%.

得られたCo10Ti20Nb70合金は、その組成が図1における水素透過用複相Co−Ti−Nb合金形成領域外(点A、B、CおよびDで囲まれた領域外)であり、初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されていた。この合金は、水素吸蔵により脆化が生じたため、水素透過合金として使用できなかった。 The obtained Co 10 Ti 20 Nb 70 alloy has a composition outside the hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb alloy formation region (outside the region surrounded by points A, B, C and D) in FIG. The primary crystal TiNb and the eutectic (CoTi + TiNb) alone. This alloy could not be used as a hydrogen permeable alloy because it became brittle due to hydrogen storage.

PQ線よりTi量が少ないと、脆いCoTi金属間化合物相が生成するため、水素透過合金として使用できない。一方、PQ線よりTiが過剰な場合は、たとえ合金が初晶TiNbと共晶(CoTi+TiNb)のみから構成されていたとしても、初晶のTi濃度が高くなり、水素吸蔵の際に脆化の原因となる。したがって、水素透過合金として使用可能な合金組成は、PQ線上付近に限られる。   When the amount of Ti is smaller than that of the PQ line, a brittle CoTi intermetallic compound phase is generated, and thus cannot be used as a hydrogen permeable alloy. On the other hand, when Ti is excessive from the PQ line, even if the alloy is composed only of primary TiNb and eutectic (CoTi + TiNb), the Ti concentration of the primary crystal becomes high, and embrittlement occurs during hydrogen storage. Cause. Therefore, the alloy composition that can be used as the hydrogen permeable alloy is limited to the vicinity of the PQ line.

本発明によれば、水素透過性を担う相と耐水素脆化性を担う相との複合合金である特定の組成を有するCo−Ti−Nb系結晶質複相合金を用いることにより、極めて優れた水素透過性と耐水素脆化性とを両立して達成することができる。そのため、極めて高い効率で水素の透過を行うことができので、得られた高純度水素を、燃料電池用の供給燃料や、半導体、光ファイバ、薬品等の製造分野に適用可能である。   According to the present invention, by using a Co—Ti—Nb crystalline double phase alloy having a specific composition which is a composite alloy of a phase responsible for hydrogen permeability and a phase responsible for hydrogen embrittlement resistance, Furthermore, both hydrogen permeability and hydrogen embrittlement resistance can be achieved. Therefore, since hydrogen can be permeated with extremely high efficiency, the obtained high-purity hydrogen can be applied to the manufacturing field of fuel for fuel cells, semiconductors, optical fibers, chemicals, and the like.

本発明の水素透過用複相Co−Ti−Nb系合金作製のための組成領域を示す3元状態図であり、○印の下に記した数値は673Kにおける水素透過係数を示す。点A、B、CおよびDで囲まれた破線領域内は、実施例1、2において本発明に係る複相水素透過合金が得られる合金組成である。FIG. 3 is a ternary phase diagram showing a composition region for producing a hydrogen-permeable multiphase Co—Ti—Nb-based alloy of the present invention, and the numerical values shown below the circles indicate the hydrogen permeation coefficient at 673K. The broken line region surrounded by points A, B, C, and D is an alloy composition in which the multiphase hydrogen permeable alloy according to the present invention is obtained in Examples 1 and 2. 共晶組成(図1のP点)および初晶組成(図1のQ点)を決定するために用いたCo30Ti30Nb40合金のSEM写真である。It is a SEM photograph of Co 30 Ti 30 Nb 40 alloy used to determine the eutectic composition (P point of Fig. 1) and the primary crystal composition of (Q point of Fig. 1). 実施例1におけるCo17Ti19Nb64合金のSEM写真である。2 is a SEM photograph of Co 17 Ti 19 Nb 64 alloy in Example 1. 実施例2におけるCo19Ti21Nb60合金のSEM写真である。4 is a SEM photograph of Co 19 Ti 21 Nb 60 alloy in Example 2. PQ線上の合金(実施例1、2、比較例1〜4)の初晶の体積比と673Kにおける水素透過係数の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the volume ratio of the primary crystal of the alloy (Example 1, 2 and Comparative Examples 1-4) on a PQ line | wire, and the hydrogen permeability coefficient in 673K.

Claims (3)

複合相からなり、前記複合相が、Nbを固溶したCoTi相とCoを固溶したTiNb相との共晶(CoTi+TiNb)が初晶として生成する前記TiNb相を囲んでいる構造を有し、
Co−Ti−Nb3元状態図上で、点A(Co20Ti30Nb50)、点B(Co20Ti10Nb70),点C(Co10Ti10Nb80)および点D(Co10Ti30Nb60)(ただし、合金組成はすべて原子%)で囲まれた領域内の合金組成であるとともに、
Co−Ti−Nb3元状態図上で、点P(Co 35 Ti 35 Nb 30 )と点Q(Co Ti Nb 87 )(ただし、合金組成は全て原子%)を結んだ線分PQを含んだ領域内であって、かつ初晶および共晶のみからなる合金組成である、
ことを特徴とする複相Co−Ti−Nb系の結晶質複相水素透過合金。
Comprising a composite phase, the composite phase surrounding the TiNb phase formed as a primary crystal of a co-crystal (CoTi + TiNb) of a CoTi phase in which Nb is dissolved and a TiNb phase in which Co is dissolved,
Co-Ti-Nb3 on the diagram yuan state, the point A (Co 20 Ti 30 Nb 50 ), point B (Co 20 Ti 10 Nb 70 ), point C (Co 10 Ti 10 Nb 80 ) and the point D (Co 10 Ti 30 Nb 60 ) (wherein the alloy composition is all atomic%), and the alloy composition in the region surrounded by
In the Co-Ti-Nb ternary phase diagram, a line segment PQ connecting point P (Co 35 Ti 35 Nb 30 ) and point Q (Co 5 Ti 8 Nb 87 ) (however, the alloy composition is all atomic%) is included. The alloy composition consisting of only primary crystals and eutectic crystals.
A double phase Co—Ti—Nb-based crystalline double phase hydrogen permeable alloy characterized in that
請求項1に記載の結晶質水素透過合金の構成元素のそれぞれを配合して作製され、複相合金の厚さが0.01〜3mmであることを特徴とする水素透過合金膜。   A hydrogen permeable alloy film produced by blending each of the constituent elements of the crystalline hydrogen permeable alloy according to claim 1, wherein the thickness of the multiphase alloy is 0.01 to 3 mm. 請求項2記載の水素透過合金膜の両面にPd膜またはPd合金膜が形成され、かつ当該Pd膜またはPd合金膜の厚さが50〜400nmの範囲内であることを特徴とする水素透過合金膜。   A hydrogen permeable alloy characterized in that a Pd film or a Pd alloy film is formed on both sides of the hydrogen permeable alloy film according to claim 2, and the thickness of the Pd film or Pd alloy film is in the range of 50 to 400 nm. film.
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