JP5085385B2 - Nb−W合金膜による水素分離法 - Google Patents
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(a)温度Tにおける、
(b)Nb−W合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力P、
(c)Nb−W合金膜に対する固溶水素量Cを測定し、
(d)温度T、水素圧力P、固溶水素量Cの実測データを基にこれら3要件を関連付けたPCT曲線を作成し、
前記PCT曲線を基に固溶水素量CとNb−W合金膜の脆性破壊との関係を求めて耐水素脆性に係る限界固溶水素量を評価することにより、水素分離膜としての使用温度、一次側、二次側の水素圧力条件を設定し、Nb−W合金膜を前記設定条件を基に使用して水素含有ガスから水素を分離することを特徴とするNb−W合金膜による水素分離法である。
(a)温度Tにおける、
(b)Nb−W−Ta合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力P、
(c)Nb−W−Ta合金膜に対する固溶水素量Cを測定し、
(d)温度T、水素圧力P、固溶水素量Cの実測データを基にこれら3要件を関連付けたPCT曲線を作成し、
前記PCT曲線を基に固溶水素量CとNb−W−Ta合金膜の脆性破壊との関係を求めて耐水素脆性に係る限界固溶水素量を評価することにより、水素分離膜としての使用温度、一次側、二次側の水素圧力条件を設定し、Nb−W−Ta合金膜を前記設定条件を基に使用して水素含有ガスから水素を分離することを特徴とするNb−W−Ta合金膜による水素分離法である。
(a)温度Tにおける、
(b)Nb−W合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力P、
(c)Nb−W合金膜に対する固溶水素量Cを測定し、
(d)温度T、水素圧力P、固溶水素量Cの実測データを基にこれら3要件を関連付けたPCT曲線を作成し、
当該PCT曲線を基に固溶水素量CとNb−W合金膜の脆性破壊との関係を求めて耐水素脆性に係る限界固溶水素量を評価することにより、使用温度、一次側、二次側の水素圧力条件を設定することを特徴とするNb−W合金膜による水素の分離のための条件設定法である。
(a)温度Tにおける、
(b)Nb−W−Ta合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力P、
(c)Nb−W−Ta合金膜に対する固溶水素量Cを測定し、
(d)温度T、水素圧力P、固溶水素量Cの実測データを基にこれら3要件を関連付けたPCT曲線を作成し、
当該PCT曲線を基に固溶水素量CとNb−W−Ta合金膜の脆性破壊との関係を求めて耐水素脆性に係る限界固溶水素量を評価することにより、使用温度、一次側、二次側の水素圧力条件を設定することを特徴とするNb−W−Ta合金膜による水素の分離のための条件設定法である。
(a)Nb合金系水素分離膜の構成材料として従来知られていた12種のNb合金膜のほかに、新たにNb−W系合金、すなわちNb−W合金、Nb−W−Ta合金を加えることができる。
(b)Nb−W合金、Nb−W−Ta合金は安価であるので実用上有用である。
(c)Nb−W合金膜またはNb−W−Ta合金膜からなる水素分離膜における使用温度、一次側と二次側の水素圧力をPCT曲線を利用して水素分離膜としての使用条件を最適化することができる。
(d)PCT曲線を利用して水素分離膜としての使用条件を最適化することができることから、Nb−W合金膜またはNb−W−Ta合金膜からなる水素分離膜による水素含有ガスからの水素分離の範囲を拡げることができる。
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1はSP試験装置の構造、操作法を説明する図で、図1(a)は縦断面図、図1(b)は図1(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2、導管3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4、導出水素貯留部5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20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。
20は膜試料、19は膜試料20を支持するガスケット(SUS鋼製)である。21は膜試料20の固定部材、24はパンチャー、25は鋼球である。固定部材21の下部は逆凹状に形成され、下端面から上端面に至る複数の貫通孔22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22は水素雰囲気Yと連通している。
SP試験装置を使用して、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Nb−5W合金膜(=NbとWの合計量中、Wが5モル%のNbとWの合金膜。以下、同種の記載について同じ。)の試験片について、400〜500℃の範囲の各温度において、0.001〜5.00(1×10-3〜5×100)MPaの各水素圧Pと固溶水素量C〔H/M(水素原子と金属原子の原子比、以下、同種の記載について同じ。)〕との間の関係を把握した上でSP試験を行い、“荷重−変位”を測定して評価した。
PCT測定装置による測定結果の例として、Nb−5W合金膜の各試験片について、400℃、450℃、500℃の各温度における固溶水素量Cと水素圧力の関係を図2に示す。縦軸は水素圧力(MPa)、横軸は固溶水素量C(H/M)である。
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2における固溶水素量Cは水素吸蔵量Cに相当している。
SP試験結果の例として、Nb−5W合金膜のSP吸収エネルギーを図3に示した。水素圧力0.01MPaにおける結果である。比較のために、純Nbの場合についての結果も示している。
水素透過試験結果の例として、Nb−5W合金膜の水素透過速度試験の結果を図4に示した。温度は500℃で、負荷した圧力条件は図4中の下部に示している。図4には、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。横軸は、試験開始からの時間、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。 なお、図4、図5の縦軸の記載中、符号“mol H”は水素原子としてのモル数(=原子数)の意味である。
以上の結果を基に、水素濃度差ΔCと水素透過速度J・d(=J×d)の関係を利用して、水素の拡散係数を求めることができる。
その結果、Nb−5W合金の500℃における水素の拡散係数は、5.98×10-9m2・s-1であった。同様にして、純Nbの500℃における水素の拡散係数は2.95×10-9m2・s-1であった。すなわち、NbにWを添加することによって、水素の拡散速度も促進されることがわかった。
2 支持部材1に設けた導入水素貯留部
3 水素貯留部2から一次側水素雰囲気Yに連通する導管
4 二次側水素雰囲気Zから導出水素貯留部5に連通する導管
5 支持部材1に設けた導出水素貯留部
6 蛇腹9の下端部を固定するフランジ部材
7 ボルト
8 ガスケット
9 蛇腹
10 蛇腹9の上端部を固定するフランジ部材
11 ガスケット
12 支持部材1と相対する上部位置に置かれた上下動可能な上蓋部材
13 スライディングシャフト
14 ナット
15 スライドブッシュ
16 ロードセル
17 セラミックヒータ
18 熱電対
19 膜試料20の固定部材
20 膜試料
21 膜試料20の固定部材
22 貫通孔
24 パンチャー
25 鋼球
26 支持部材1の凸部
Claims (4)
- Nb−W合金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方法であって、
(a)前記Nb−W合金膜からなる水素分離膜につき、その使用温度範囲の各温度Tにおいて、
(b)前記Nb−W合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力Pに対応するNb−W合金膜の固溶水素量C〔=H/M(水素原子と金属原子の原子比)〕を測定し、且つ、
(c)前記Nb−W合金膜についてSP試験により、その使用温度範囲の各温度Tにおける“荷重−変位”曲線を作成し、水素脆性による膜試料の破壊に至るまでに要した仕事量であるSP吸収エネルギーを測定することにより、
(d)前記使用温度範囲の各温度T、前記水素圧力P、前記固溶水素量Cの3要素を関連付けたPCT曲線を作成し、
(e)前記PCT曲線にSP吸収エネルギーの値を基にした水素脆性評価の線を組み合わせることにより、水素分離膜としての前記Nb−W合金膜について、水素分離膜としての使用温度、水素分離膜に対する被処理ガスである水素含有ガスの一次側、二次側の水素圧力条件を設定し、
(f)前記Nb−W合金膜からなる水素分離膜を前記(e)で設定した条件を基に使用して水素含有ガスから水素を分離精製することを特徴とするNb−W合金膜による水素分離法。 - Nb−W−Ta合金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方法であって、
(a)前記Nb−W−Ta合金膜からなる水素分離膜につき、その使用温度範囲の各温度Tにおいて、
(b)前記Nb−W−Ta合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力Pに対応するNb−W−Ta合金膜の固溶水素量C〔=H/M(水素原子と金属原子の原子比)〕を測定し、且つ、
(c)前記Nb−W−Ta合金膜についてSP試験により、その使用温度範囲の各温度Tにおける“荷重−変位”曲線を作成し、水素脆性による膜試料の破壊に至るまでに要した仕事量であるSP吸収エネルギーを測定することにより、
(d)前記使用温度範囲の各温度T、前記水素圧力P、前記固溶水素量Cの3要素を関連付けたPCT曲線を作成し、
(e)前記PCT曲線にSP吸収エネルギーの値を基にした水素脆性評価の線を組み合わせることにより、水素分離膜としての前記Nb−W−Ta合金膜について、水素分離膜としての使用温度、水素分離膜に対する被処理ガスである水素含有ガスの一次側、二次側の水素圧力条件を設定し、
(f)前記Nb−W−Ta合金膜からなる水素分離膜を前記(e)で設定した条件を基に使用して水素含有ガスから水素を分離精製することを特徴とするNb−W−Ta合金膜による水素分離法。 - Nb−W合金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ための条件を設定する方法であって、
(a)前記Nb−W合金膜からなる水素分離膜につき、その使用温度範囲の各温度Tにおいて、
(b)前記Nb−W合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力Pに対応するNb−W合金膜の固溶水素量C〔=H/M(水素原子と金属原子の原子比)〕を測定し、且つ、
(c)前記Nb−W合金膜についてSP試験により、その使用温度範囲の各温度Tにおける“荷重−変位”曲線を作成し、水素脆性による膜試料の破壊に至るまでに要した仕事量であるSP吸収エネルギーを測定することにより、
(d)前記使用温度範囲の各温度T、前記水素圧力P、前記固溶水素量Cの3要素を関連付けたPCT曲線を作成し、
(e)前記PCT曲線にSP吸収エネルギーの値を基にした水素脆性評価の線を組み合わせることにより、水素分離膜としての前記Nb−W合金膜について、水素分離膜としての使用温度、水素分離膜に対する被処理ガスである水素含有ガスの一次側、二次側の水素圧力条件を設定することを特徴とするNb−W合金膜による水素の分離精製のための条件設定法。 - Nb−W−Ta合金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ための条件を設定する方法であって、
(a)前記Nb−W−Ta合金膜からなる水素分離膜につき、その使用温度範囲の各温度Tにおいて、
(b)前記Nb−W−Ta合金膜に対する水素雰囲気の水素圧力Pに対応するNb−W−Ta合金膜の固溶水素量C〔=H/M(水素原子と金属原子の原子比)〕を測定し、且つ、
(c)前記Nb−W−Ta合金膜についてSP試験により、その使用温度範囲の各温度Tにおける“荷重−変位”曲線を作成し、水素脆性による膜試料の破壊に至るまでに要した仕事量であるSP吸収エネルギーを測定することにより、
(d)前記使用温度範囲の各温度T、前記水素圧力P、前記固溶水素量Cの3要素を関連付けたPCT曲線を作成し、
(e)前記PCT曲線にSP吸収エネルギーの値を基にした水素脆性評価の線を組み合わせることにより、水素分離膜としての前記Nb−W−Ta合金膜について、水素分離膜としての使用温度、水素分離膜に対する被処理ガスである水素含有ガスの一次側、二次側の水素圧力条件を設定することを特徴とするNb−W−Ta合金膜による水素の分離精製のための条件設定法。
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